Читать онлайн «Неорганическая химия». Страница 12

Средняя кинетическая энергия теплового движения молекул имеет значение порядка 3/2RT. При температу–ре человеческого тела 37°С (310 °К) это составляет око–ло 4 кДж/моль. Прочность водородных связей находит–ся в пределах 10—40 кДж/моль, поэтому они достаточно прочны, чтобы выдерживать постоянные удары окру–жающих молекул и обеспечивать постоянство формы полимерных биологических структур. Вместе с тем при ударах активных молекул водородные связи периоди–чески разрываются, затем вновь восстанавливаются, обеспечивая протекание различных процессов жизне–деятельности.

Рассмотренные примеры наглядно иллюстрируют бо–лее широкий круг применения метода МО ЛКАО, чем метода ВС. Тем не менее метод ВС может успешно ис–пользоваться для прогнозирования свойств и строения многих веществ, и в том числе комплексных соединений.

Существуют различные классификации химиче–ских элементов, содержащихся в организме человека. Так, В. И. Вернадский в зависимости от среднего содер–жания (массовой доли w, %) в живых организмах делил элементы по декадной системе. Согласно этой клас–сификации элементы, содержащиеся в живых орга–низмах, делят на три группы: макро-, микро– и ультра–микроэлементы.

Макроэлементы

Это элементы, содержание которых в организме вы–ше 10-2%. К ним относятся кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, натрий и хлор.

Микроэлементы

Это элементы, содержание которых в организме на–ходится в пределах от-10-3 до 10-5%. К ним относятся йод, медь, мышьяк, фтор, бром, стронций, барий, ко–бальт.

Ультрамикроэлементы

Это элементы, содержание которых в организме ниже 10-5%. К ним относятся ртуть, золото, уран, торий, радий и др.

В настоящее время ультрамикроэлементы объеди–няют с микроэлементами в одну группу. Эта класси–фикация отражает только содержание элементов в живых организмах, но не указывает на биологиче–скую роль и физиологическое значение того или ино–го элемента.

В. В. Ковальский, исходя из значимости для жизне–деятельности, подразделил химические элементы на три группы.

Жизненно необходимые (незаменимые) элементы

Они постоянно содержатся в организме человека, вхо–дят в состав ферментов, гормонов и витаминов: Н, О, Са, N, К, Р, Na, S, Mg, d, С, I, Mn, Cu, Co, Fe, Zn, Mo, V. Их де–фицит приводит к нарушению нормальной жизнедея–тельности человека.

Примесные элементы

Эти элементы постоянно содержатся в организме жи–вотных и человека: Ga, Sb, Sr, Br, F, В, Be, Li, Si, Sn, Cs, Al,

Ba, Ge, As, Rb, Pb, Ra, Bi, Cd, Cr, Ni, Ti, Ag, Th, Hg, U, Se.

Биологическая роль их мало выяснена или неизвестна. Примесные элементы

Sc, Tl, In, La, Pr, Sm, W, Re, Tb и др. Обнаружены в ор–ганизме человека и животных. Данные о количестве и биологическая роль пока не выяснены.

Элементы, необходимые для построения и жиз–недеятельности различных клеток и организмов, называются биогенными элементами.

Точно перечислить все биогенные элементы в настоя–щее время еще невозможно из-за сложности определе–ния очень низких концентраций микроэлементов и уста–новления их биологических функций. Для 24 элементов биогенность установлена надежно. Это элементы пер–вой и некоторые элементы второй групп (по Ковальскому).

Органы человека по-разному концентрируют в себе различные химические элементы, т. е. микро– и макро–элементы неравномерно распределяются между раз–ными органами и тканями. Большинство микроэлемен–тов накапливается в печени, костной и мышечной тканях. Эти ткани являются основными депо (запасниками) для многих микроэлементов.

Элементы могут проявлять специфическое сродство по отношению к некоторым органам и содержаться в них в высоких концентрациях. Хорошо известно, что цинк концентрируется в поджелудочной железе, йод – в щи–товидной, фтор – в эмали зубов, алюминий, мышьяк, ва–надий накапливаются в волосах и ногтях, кадмий, ртуть, молибден – в почках, олово – в тканях кишечника, стронций – в предстательной железе, костной ткани, барий – в пигментной сетчатке глаза, бром, марганец, хром – в гипофизе и т. д.

В организмах микроэлементы могут находиться в свя–занном состоянии и в виде свободных ионных форм. Известно, что кремний, алюминий, медь и титан в тка–нях головного мозга находятся в виде комплексов с бел–ками, тогда как марганец – в ионном виде.

Водород и кислород – макроэлементы. Они входят в состав воды, которой в организме взрослого человека в среднем содержится около 65%. Вода неравномерно распределена по органам, тканям и биологическим жидкостям человека. Так, в желудочном соке, слюне, плазме крови, лимфе вода составляет от 89,5 до 90%, в моче, сером веществе головного мозга, почках – 80%, в белом веществе головного мозга, печени, коже, спинном мозге, мышцах, легких, сердце – 70—80%.

Меньше всего – 40% воды – содержится в ске–лете.

Макроэлементы – углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор – входят в состав белков, нуклеиновых кислот и других биологически активных соединений организма. Содержание углерода в белках составляет 51—55%, кислорода – 22—24%, азота – 15—18%, водорода – 6,5—7%, серы – 0,3—2,5%, фосфора – около 0,5%.

Углерод, водород и кислород входят также в состав углеводов, содержание которых в тканях животных не–велико – примерно 2%. Эти элементы входят в состав липидов (жиров). Кроме того, в состав фосфолипидов входит фосфор в виде фосфатных групп. В наибольшей степени липиды концентрируются в головном мозге (12%), затем в печени (5%), молоке (2—3%) и сыворот–ке крови (0,6%). Однако основная часть фосфора (600 г) содержится в костной ткани. Это составляет 85% от мас–сы всего фосфора, находящегося в организме челове–ка. Концентрируется фосфор и в твердых тканях зубов, в состав которых он входит вместе с кальцием, хлором, фтором в виде гидроксил-, хлор-, фторапатитов общей формулы Са5 (РO4)3Х, где X = ОН, CI, F соответственно.

Кальций преимущественно концентрируется в кост–ной, а также и в зубной тканях. Натрий и хлор в основ–ном содержатся во внеклеточных жидкостях, а калий и магний – во внутриклеточных. В виде фторидов нат–рий и калий входят в состав костной и зубной тканей. Магний в виде фосфата Mg3 (PO4)2 содержится в твер–дых тканях зуба.

В поддержании определенного содержания макро-и микроэлементов в организме участвуют гормоны.

Биологическая роль химических элементов в организ–ме человека чрезвычайно разнообразна.

Главная функция макроэлементов состоит в постро-е-нии тканей, поддержании постоянства осмотическо–го давления, ионного и кислотно-основного состава.

Микроэлементы, входя в состав ферментов, гормо–нов, витаминов, биологически активных веществ в ка–честве комплексообразователей или активаторов, участвуют в обмене веществ, процессах размножения, тканевом дыхании, обезвреживании токсических ве–ществ. Микроэлементы активно влияют на процессы кроветворения,окисления,восстановления, прони–цаемость сосудов и тканей. Макро– и микроэлементы – кальций, фосфор, фтор, йод, алюминий, кремний – определяют формирование костной и зубной тканей.

Выявлено немало заболеваний, связанных с недо–статком или избыточным накоплением различных мик–роэлементов. Дефицит фтора вызывает кариес зубов, дефицит йода – эндемический зоб, избыток молибде–на – эндемическую подагру. Такого рода закономерно–сти связаны с тем, что в организме человека поддержи–вается баланс оптимальных концентраций биогенных элементов – химический гомеостаз. Нарушение этого баланса вследствие недостатка или избытка элемента может приводить к различным заболеваниям.

Кроме шести основных макроэлементов – органоге–нов (углерода, водорода, азота, кислорода, серы и фос–фора), из которых состоят углеводы, жиры, белки и нук–леиновые кислоты, для нормального питания человека и животных необходимы неорганические макроэлемен–ты – кальций, хлор, магний, калий, натрий – и микро–элементы – медь, фтор, йод, железо, молибден, цинк, а также, возможно (для животных доказано), – се–лен, мышьяк, хром, никель, кремний, олово, ванадий.

Анализ содержания и соотношения микроэлементов в организме человека находит применение и в судеб–но-медицинской экспертизе. Например, в случае ал–когольного отравления под влиянием этилового спир–та в печени повышается содержание кальция, а натрия и калия становится меньше. При этом в сердце и поч–ках, наоборот, содержание кальция снижается.

Недостаток в пищевом рационе таких элементов, как железо, медь, фтор, цинк, йод, кальций, фосфор, маг–ний и некоторых других, приводит к серьезным послед–ствиям для здоровья человека.

Однако необходимо помнить, что для организма вре–ден не только недостаток, но и избыток биогенных эле–ментов, так как при этом нарушается химический го-меостаз.