Презентация на тему Химия биогенных элементов p -блока

– VIIIА-групп периодической системы
В периодах возрастает энергия ионизации, неметаллические

и окислительные свойства, электроотрицательность
В группах усиливаются металлические свойства
Все р-элементы и в особенности р-элементы 2 и 3 периодов (С, N, P, O, S, Si, Cl) образуют многочисленные соединения между собой и с s-, d- и f-элементами
Большинство известных на Земле соединений – это соединения р-элементов

в легких, щитовидной железе, селезенке, печени, мозге, почках, сердечной

мышце

с рядом биологически активных соединений (углеводами, ферментами, витаминами, гормонами)
Входит

в состав зубов и костей в виде труднорастовримых солей борной кислоты с катионами металлов

амилазы, протеиназы, уменьшает активность адреналина
Употребление пищевых продуктов с большим

содержанием бора нарушает в организме обмен углеводов и белков, что приводит к возникновению эндемических кишечных заболеваний – энтеритов

образом в сыворотке крови, легких, печени, костях, почках, ногтях,

волосах, входит в структуру нервных оболочек мозга человека
Суточное потребление Al человеком составляет 47 мг

соединительной тканей, регенерацию костных тканей, влияет на обмен фосфора
Оказывает

воздействие на ферментативные процессы: Al3+ замещает ионы Э2+ - активаторы ферментов Е (например, Mg2+ и Ca2+):
Э2+Е + Al3+ ⮀ Al3+Е + Э2+,
вследствие сходства ряда свойств ионов Al3+ и Mg2+, Ca2+: Al3+ и Mg2+ имеют близкие радиусы, одинаковые координационные числа (6); Al3+ и Ca2+ имеют близкие энергии ионизации
Избыток Al в организме тормозит синтез гемоглобина, блокирует активные центры ферментов, участвующих в кроветворении

прочные соединения с серосодержащими лигандами:
Tl+ + R-SH → R-S-Tl

+ H+
Вследствие этого он подавляет активность ферментов, содержащих тиогруппы –SH
Даже незначительные количества соединений таллия при попадании в организм вызывают выпадение волос
В качестве противоядия при отравлении ионами таллия используют S-содержащий лиганд – аминокислоту цистеин

синергистами, ферменты пируваткиназа и диолдегидратаза активируются не только К+,

но и Tl+
Подобно ионам К+, ионы Tl+ накапливаются в эритроцитах

к макроэлементам
Входит в состав всех тканей и клеток в

форме белков, жиров, углеводов, витаминов, гормонов
С биологической точки зрения является органогеном № 1
В молекулах белков 58% С

материи (белки и нуклеиновые кислоты)
Ассимиляция углекислоты атмосферы земной растительностью

и некоторыми видами микроорганизмов (леса)
Переход части С в животные организмы, затем – в неживое органическое вещество (гумус)
Возвращение в атмосферу при дыхании растений и животных и при окислении органических веществ в почве (СО2)

питания растительного и животного происхождения (поступает 300 г)
С питьевой

водой – в форме карбонатов и бикарбонатов
Аэрогенный путь поступления С не имеет существенного значения, т.к. он очень быстро выдыхается и не накапливается в организме

¼ часа
Олеиновой кислоты – 1 ½ часа
Сливочного масла –

3 часа
Всасывание С считается полным, однако некоторые соединения (целлюлоза, полисахариды, иногда жиры) перевариваются не полностью и появляются в виде остаточных количеств в фекалиях

из легких (90-95%)
Выдыхаемый С имеет эндогенное (пищевое) происхождение
Человек выдыхает

около 1000 г CO2 в сутки (272 г С)
С вдыхаемым воздухом в организм поступает 13,5 г CO2 в сутки (3,7 г С)

образуется в процессе обмена веществ и играет важную роль

в регуляции дыхания и кровообращения
Водокарбонатная буферная система (Н2CO3 + HCO3-) – главная буферная система плазмы крови; обеспечивает поддержание кислотно-основного гомеостаза, постоянного значения рН крови (7,4)

(свыше 10%) вызывают сильный ацидоз – снижение рН крови,

бурную отдышку и паралич дыхательного центра

Fe2+ СО вступает в обратимое химическое взаимодействие как с

окисленным HbO2, так и с восстановленным гемоглобином Hb:
HbO2 + CO ⮀ HbCO + O2
Hb + CO ⮀ HbCO
Образующийся карбоксигемоглобин HbCO не способен присоединять к себе О2 – невозможен перенос кислорода от легких к тканям

О2
HbO2 + CO ⮀ HbCO + O2
Введение восстановленного железа

(действие основано на способности СО выступать в качестве лиганда в различных комплексах)

хрусталике
Содержится в коже, хрящах, связках млекопитающих и входит в

состав мукополисахаридов, где прочно связан эфирными связями
Природный SiO2 плохо растворим в воде – в организм человека попадает не столько через пищеварительный тракт, сколько воздушным путем через легкие в виде пылеобразного SiO2

функционирования эпителиальных и соединительных тканей
Присутствие Si в стенках сосудов

препятствует отложению в них липидов
Способствует биосинтезу коллагена и образованию костной ткани (при переломах костей количество Si в области перелома возрастает в 50 раз)
Обмен Si в организме тесно связан с обменом Ca
С нарушением обмена кремния связывают возникновение гипертонии, ревматизма, язвы, малокровия

диоксида, алюминия при систематическом воздействии на легкие вызывает заболевание

– пневмокониозы
При действии угольной пыли это антракоз – профессиональное заболевание шахтеров
При вдыхании пыли, содержащей SiO2, возникает силикоз, при действии алюминиевой пыли – алюминоз

депонируется в костях и выделяется преимущественно с мочой
Не является

биогенным микроэлементом, т.к. он и его соединения отличаются высокой токсичностью

аминокислот, гетероциклических соединений (гемоглобина, хлорофилла), нуклеотидов, некоторых витаминов и

гормонов, ферментов
Образует ковалентные полярные связи, способные под влиянием биокатализаторов легко разрываться, создавая условия для биохимических реакций
Некоторые микроорганизмы усваивают азот прямо из воздуха; высшие растения извлекают его из почвы
В организм человека соединения N поступают с растительной и животной пищей
Выводится из организма с мочой и калом в виде аммиака, мочевины и др.

аминокислот и белков, поступивших с пищей или присутствующих в

самой клетке в качестве запасных веществ
Аммиак, присоединяя протон, образует ион аммония NH4+ - с точки зрения протолитической теории проявляет свойства основания
Электродонорные свойства NH3 и его производных проявляются в их способности образовывать комплексные соединения с ионами металлов
В крови NH3 почти полностью находится в виде NH4+ - не могут проникать через клеточные мембраны, в то время как нейтральные молекулы NH3 легко проходят через эти мембраны и могут воздействовать на мозг

для возбуждения дыхательного центра;
для вывода из обморочного состояния
При больших

дохах наступает удушье
В хирургической практике используется для мытья рук хирургов

для наркоза
При малых концентрациях вызывает чувство опьянения ( «веселящий

газ»)
Вдыхание чистого N2O быстро вызывает наркотическое состояние и удушье
Другие оксиды азота обладают выраженными токсическими свойствами

NO2 N2O3 N2O4
При контакте этих газов с

влажной поверхностью легких образуются азотистая и азотная кислоты, поражающие легкие, что приводит к отеку и сложным расстройствам
При отравлении нитрозными газами в крови, кроме того, образуются нитраты и нитриты
Являются дезаминирующими агентами, способствуют окислению аминогрупп нуклеиновых оснований
При этом изменяется структура нуклеиновых оснований ДНК и их способность к образованию водородных связей, т.е. происходят повреждения в ДНК

превращается в метгемолобин, который не способен связывать и переносить

кислород:
HbFe2+ + NO2- → HbFe3+ + NO
связывает кислород не связывает кислород
Попадая в кровь, нитриты вызывают кислородную недостаточность

с помощью фермента NO-синтазы из аминокислоты аргенина
Время жизни NO

в клетках составляет порядка секунды, но их нормальное функционирование невозможно без NO
Обеспечивает расслабление гладких мышц сосудов, регуляцию работы сердца, эффективную работу иммунной системы, передачу нервных импульсов, сексуальное возбуждение
Предположительно NO играет важную роль в обучении и запоминании

который образует, подобно кислороду, комплексное соединение с катионом Fe

гемоглобина, устойчивость которого в 60 раз больше, чем оксигемоглобина
HHb + NO → HHbNO

тела
Суточная потребность человека – 1,3 г
Основное количество P (85%)

содержится в костях и зубах в виде соединений
3C3(PO4)2·Ca(OH)2 и
3Ca3(PO4)2 ·3Ca3(PO4)2 ·CaCO3·H2O
Важное значение для организма имеет и содержание P и его соединений в крови, мозгу, нервных волокнах

организме тесно связан с обменом кальция
Антагонизм: уменьшение количества неорганического

фосфора при увеличении содержания кальция в крови
Процесс окостенения в растущем организме протекает нормально только при сохранении оптимального соотношения кальция и фосфора
Регулятор этого соотношения – витамин D

человека P – в виде солей и сложных эфиров

ортофосфорной кислоты и полифосфорных кислот в степени окисления +5
Почти все важнейшие физиологические процессы, происходящие в организме, связаны с превращением фосфорорганических веществ
Они входят в состав белков, жиров, ферментов и других сложных органических систем в виде фосфат-аниона ортофосфорной кислоты Н3PO4
Содержащаяся в тканях АТФ – основной аккумулятор энергии

АДФ)
P-O – макроэргическая связь (имеет большую длину)
В организме, где

среда водная, чаще всего протекает реакция гидролиза АТФ, сопровождаемая разрывом связи Р-О в ангидридной группе и выделением энергии

потребности организма в энергии, вся АТФ в течении суток

должна 10 000 раз прогидролизоваться до АДФ и фосфата с последующим ресинтезом
Образование АТФ в клетке в основном происходит в митохондриях за счет энергии, выделяющейся при биологическом окислении

микроэлементам
Концентрируется в печени, почках, селезенке, легких, костях, волосах
Накапливается в

костях и волосах и в течение нескольких лет не выводится из них полностью (используется в судебной экспертизе для выяснения вопроса, имело ли место отравление соединениями мышьяка)

кроветворения и участвует в синтезе гемоглобина
Принимает участие в окислительно-восстановительных

процессах и в нуклеиновом обмене
Медленно выводится из организма, поэтому при систематическом поступлении его в организм, даже в малых количествах, создаются условия для хронического отравления
Токсическое действие соединений мышьяка обусловлено блокированием сульфгидрильных групп ферментов и других биологически активных веществ

Применяют наружно при кожных заболеваниях
В стоматологической практике используют для

омертвления (некротизации) мягких тканей зуба
назначают в микродозах при малокровии, истощении, нервозности
Натрия гидроарсенат Na2HAsO4·7Н2О и калия арсенит КAsO2 применяют для воздействия на кроветворение и обмен веществ

Bi – примесные микроэлементы
Sb способна образовывать соединения с

S-содержащими лигандами
Bi склонен связываться с лигандами, содержащими аминогруппы (попадание растворимых соединений висмута в организм приводит к угнетению ферментов амино- и карбоксиполипептидазы)

кислород – макроэлемент
Незаменим и принадлежит к числу важнейших

элементов, составляющих основу живых систем (органоген)

гормонов, ферментов и др. веществ
Окисление питательных веществ – углеводов,

белков, жиров служит источником энергии
При участии О2 и его активных форм протекает большинство О-В реакций в организме
Фагоцитарные (защитные) функции организма: уменьшение содержания O2 в организме понижает его защитные свойства

кислородной недостаточностью (гипоксией), заболеваниях дыхательных путей, сердечно-сосудистой системы, отравлениях

СО, синильной кислотой HCN, при заболеваниях с нарушениями функций дыхания
Гипербарическая оксигенация – применение О2 под повышенным давлением: улучшает кислородное насыщение тканей, гемодинамику, защищает головной мозг от гипоксии
Для улучшения обменных процессов при лечении сердечно-сосудистых заболеваний в желудок вводят кислородную пену в виде кислородного коктейля

из кислорода под действием солнечных УФ лучей, поглощая их
Имеет

характерный, очень сильный запах, по которому его можно обнаружить
Сильнейший окислитель – обладает высокой токсичностью
Большие концентрации в воздухе сильно раздражают слизистые оболочки и представляют опасность для жизни
Благодаря окислительному действию применяется для обеззараживания воды, дезинфекции воздуха в помещениях

– около 4-5 г
Как органоген входит в состав многих

органических соединений (белков, аминокислот, гормонов, витаминов)
Является составной частью групп SH-
Много S в креатине волос, костях, нервной ткани

|
NH2
Метионин
CH3 – S – CH2 –

CH2 – CH – COO-
|
NH2
Белки, ферменты, гормоны

характеризуются наличием тиоловых SH-групп или наличием дисульфидных связей
При окислении

тиоловых групп образуется дисульфидные связи
При восстановлении –S-S– связей образуется SH-группы:
О
R1 – S – S – R2 ⮀ R1SH + R2SH
Н
Этот обратимый переход защищает организм от радиационных поражений
Под влиянием ионизирующего облучения в результате радиолиза воды в организме образуются свободные радикалы (Н и ОН), инициирующие процессы окисления
Водородсульфидные группы вступают в реакции со свободными радикалами:
RSH + OH → RS + H2O
Радикалы RS малоактивны – предотвращается воздействие активных радикалов на нуклеиновые кислоты и другие биомолекулы

участвует в обезвреживании ядовитых соединений – фенола, крезола, индола,

вырабатываемых в кишечнике из аминокислот микробами
Связывает многие ксенобиотики – лекарственные препараты и их метаболиты
Со всеми этими соединениями образует безвредные вещества конъюгаты, в виде которых они выводятся из организма
Например, с мочой человека выделяется конъюгат – калиевая соль сернокислого эфира фенола:

почках
Концентрация Se в крови 0,001-0,004 ммоль/л
Se входит в состав

активных центров нескольких ферментов: формиатдегидрогеназы, глутатионредуктазы и глутатионпероксидазы
В активном центре глутатионпероксидазы содержится остаток необычной аминокислоты – селеноцистеина:
– OOC – CH – CH2 – Se – H
|
NH3+
Этот фермент вместе с белком глутатионом защищает клетки от разрушающего действия органических пероксидов ROOH и водородпероксида H2O2

первую очередь накапливается в ногтях и волосах, основу которых

составляют серосодержащие аминокислоты
Очевидно, Se, как аналог серы замещает ее в различных соединениях:
R – S – S – R + Se → R – Se – Se – R
В больших дозах Se токсичен

организм от отравления Hg и Cd
Cпособствует связыванию этих токсичных

металлов с другими активными центрами
Интересным является и факт взаимосвязи между высоким содержанием селена в рационе и низкой смертностью от рака

(10-5%)
Соединения фтора концентрируются в костной ткани, ногтях, зубах
В

состав зубов входит около 0,01% фтора, причем большая часть приходится на эмаль, что связано с присутствием в ней труднорастворимого фторапатита Ca5(PO4)3F
Основная биологическая роль фтора связана с участием в процессах костеобразования и формирования тканей зуба

в гидроксилапатите, образуя защитный эмалиевый слой более твердого фторапатита:
Ca5(PO4)3OH

+ F- ⮀ Ca5(PO4)3F + OH-
F- способствуют осаждению кальция фосфата, тем самым ускоряя процесс реминерализации (образования кристаллов):
10Ca2+ + 6PO43- + 2F- = 3Ca3(PO4)2·CaF2

определенного количества NaF
Пока эмаль повреждена незначительно, введение NaF

(местно действующее наружное средство) способствует образованию фторапатита, облегчая реминерализацию начавшегося повреждения
NaF + Ca5(PO4)3OH ⮀ NaOH + Ca5(PO4)3F
паста зубная ткань
При этом происходит одновременно и подщелачивание среды ротовой полости, что способствует нейтрализации кислот, вырабатываемых бактериями

кариесу зубов
Кариес зубов начинается с образования на поверхности зуба

поврежденного участка эмали в виде пятна
Под действием кислот, вырабатываемых бактериями, происходит растворение гидроксилапатитной компоненты эмали:
Ca5(PO4)3OH + 7H+ = 5Ca2+ + 3H2PO4- + H2O
Избыток: зубная эмаль становится хрупкой, легко разрушается, повышается хрупкость костей, наблюдаются костные деформации и общее истощение организма – флуороз (фтороз)
Токсическое действие избытка связано с образованием фторидных комплексов с катионами металлов, входящих в активные центры ферментов:
E – Men+ + F- → [E – Me – F]n-1
В результате блокирования свободной орбитали металла подавляется активность ферментов

(0,15% по массе) - макроэлемент
Суточная потребность 4-6 г
Находится преимущественно

во внеклеточной жидкости

создают благоприятную среду для действия протеолитических ферментов желудочного сока,

обеспечивают ионные потоки через клеточные мембраны, участвуют в поддержании осмотического равновесия
NaCl необходим для выработки соляной кислоты в желудке (в желудочном соке около 0,5% кислоты)

фермент
H2CO3 + Cl- → HCO3- +

HCl
кровь кровь желудок
Уничтожает различные болезнетворные бактерии (холеры, тифа)
Если в желудок с большим количеством воды попадают бактерии, то вследствие разбавления соляная кислота не оказывает антибактериального действия, и бактерии выживают. Это приводит к заболеванию организма. Поэтому во время эпидемий особенно опасна сырая вода.
При недостаточном количестве соляной кислоты в желудке повышается рН и нарушается нормальное пищеварение (используют разбавленный раствор HCl)
При воспалении желудка (гастрите), язвенной болезни секреция желудочного сока увеличивается, повышается его кислотность (уменьшают количество NaCl, потребляемой с пищей)
Соляная кислота желудочного сока необходима для перехода фермента пепсина в активную форму (пепсиноген) – обеспечивает переваривание белков путем гидролитического расщепления пептидных связей:
пепсин
R – CO – NH – R1 + H2O → R – COOH + R2 – NH2
HCl

(10-5%)
Локализуется преимущественно в железах внутренней секреции, в первую очередь

– в гипофизе

железы и усиливают активность коры надпочечников
Hавномерно накапливаются в различных

отделах мозга и действуют успокаивающе при повышенной возбудимости
Cпособствуют восстановлению нарушенного равновесия между процессами возбуждения и торможения

занимает промежуточное положение между хлором и йодом
Поэтому Br- могут

замещать Cl- и I- в организме (замещение йода бромом при избытке Br в организме в гормонах щитовидной железы, что приводит к гипертиреодизму)
В организме существует определенная динамическая связь между содержанием в нем Br- и Cl-
Повышенная концентрация Br- в крови нарушает равновесие и способствует быстрому выделению почками Cl- и наоборот (принцип Ле-Шателье)

выведения из организма (в течении 30-60 суток) они могут

накапливаться (кумулировать) – хроническое заболевание: бромизм
При появлении признаков отравления немедленно прекращают прием бромидных препаратов
Вводят большое количество NaCl (до 25 г в сутки), чтобы увеличить выделение Br- (по принципу Ле-Шателье), и назначают обильное питье

Больше половины находится в щитовидной железе (почти весь –

в связанном состоянии: в виде гормонов, и 1% - в виде J-)
Щитовидная железа способна концентрировать йод в 25 раз по сравнению с содержанием его в плазме
Поступает с пищей и водой (морская рыба, молоко, яйца, лук)

элементов, и его соединения играют важную роль в процессах

обмена веществ
Участвует в синтезе гормона щитовидной железы – тироксина и является его незаменимым структурным компонентом
Тироксин – регулятор окислительно-восстановительных процессов в тканях

– пониженная активность щитовидной железы (недостаток J-, снижение способности

накапливать йодид-ионы); тяжелая форма приводит к кретинизму – прекращению роста и развития организма

Гипертиреоз – повышенная активность щитовидной железы (избыточный синтез тиреоидных гормонов)

способности щитовидной железы накапливать J-, а также с недостатком

в пище йода
Назначают препараты йода: KJ или NaJ в дозах, соответствующих суточной потребности человека в I (0,001 г KJ) – для синтеза гормонов

Гипертиреоз – вследствие избыточного синтеза гормонов наблюдается ненормально увеличенная скорость метаболических процессов
Применяют KJ (тормозит йодирование тирозина йодом)

(обладает выраженными противомикробными свойствами)
10% спиртовой раствор йода – наружно

как антисептическое, раздражающее и обволакивающее средство
Неорганические препараты (NaJ, KJ) – при гипертиреозе, эндемическом зобе, воспалительных заболеваниях дыхательных путей и бронхиальной астме
Органические препараты, отщепляющие элементарный йод
Рентгеноконтрастные органические вещества – при рентгеноскопии
Радиоактивные изотопы йода – для диагностики и исследовательских целей, лечения тиреотоксикоза, рака щитовидной железы