Біогенні s- та р –елементи: будова атомів, властивості, біологічна роль та медичне застосування.

Хімічний склад живих організмів. Вчення В.І.Вернадського про біосферу.

Макро- та мікроелементи

Біогенні s- та р –елементи: будова атомів, властивості, біологічна роль та медичне застосування.

1. У живих організмах тварин і людини виявлено понад 80 хімічних елементів, біогенність нині доведена для 28 з них. Біогенні елементи – це хімічні елементи, що постійно містяться в та беруть участь у біохімічних процесах живих організмів. Дослідженням їх вмісту в організмі, з΄ ясуванням біологічної ролі займалися багато вчених – природознавців, зокрема В.Вернадський. Він встановив, що кількісний та якісний склад хімічних елементів у живих організмах значною мірою залежить від вмісту їх у навколишньому середовищі. В.І.Вернадський заснував новий напрям в науці – біогеохімію, що вивчає роль мінеральних речовин у життєдіяльності організмів та вплив організмів на зміни грунтів і вод.

2. Живий організм вибірково асимілює з біосфери певні хімічні елементи. Концентрація елементів у живій речовині прямо пропорційна вмісту їх у довкіллі з урахуванням розчинності сполук цього елемента у воді. Таким чином, за допомогою природного добору визначились хімічні елементи, які є незамінними компонентами існування і функціонування живих організмів. Вони входять до складу різних біологічних систем і відіграють у них певну фізіологічну роль. Це елементи – органогени: C, H, O, N, P, S. Вони складають 97, 3% загальної маси організму, оскілки входять до складу білків, жирів, вуглеводів, ферментів, гормонів, нуклеїнових кислот і води, яка об’єднує всі частини організму в єдине ціле. Залежно від кількісного вмісту в організмі всі біогенні хімічні елементи розподіляються на макро-, мікро- та ультрамікроелементи.

Мікроелементи. Масова частка в організмі від 0, 01% і більше. До них відносяться, крім перелічених вище елементів органогенів: Na, K, Ca, Mg, Cl. Макроелементи виконують роль пластичного матеріалу в побудові кісткових тканин, підтримують певні значення осмотичного тиску, рН середовища біологічних рідин, кислотно-основну рівновагу.

Мікроелементи. Входять до складу організму в менших кількостях – від 10^-3 до 10^-6 %: Fe, Zn, Mn, Co, Se, I, Br, F та інші. Мікроелементи входять до складу багатьох ферментів, деяких вітамінів і гормонів, беруть участь в процесах кровотворення, розмноження, росту та обміну речовин.

Якщо масова частка елемента в організмі становить менше ніж 10^-6 %, то їх відносять до ультрамікроелементів, або слідових (Au, Hg, Th)

3. Основою для вивчення властивостей біогенних елементів є відкритий Д.Менделєєвим періодичний закон і створена ним періодична система елементів. Розглянемо основні хімічні властивості та біологічну роль елементів, що входять до складу організму, використавши їх класифікацію на родини s-, р-, d- елементи.

Будова атомів та хімічні властивості s -елементів: Na, K, Ca, Mg

Біометали з родини s – елементів знаходяться у верхній лівій частині періодичної системи у головних підгрупах I та II групи. Вони постійно містяться в організмі тварин і людини в макрокількостях і є життєво необхідними.

Атоми цих біогенних елементів мають на зовнішньому шарі по одному (елементи I групи – Na, K) або по два s- електрони (елементи IIгрупи – Ca, Mg). Електронна конфігурація, наприклад, +11 Na 1s²2s²2p⁶ 3s¹. Елементи, що мають на зовнішньому енергетичному рівні s- електрони, називаються s- елементами.

Вони легко віддають ці електрони і перетворюються на позитивно заряджені катіони. Переважно в катіонному стані вони й трапляються в живих організмах: Na⁰ – e → Na⁺, Mg⁰ – 2e → Mg²⁺ Ступінь окиснення цих атомів, як і валентність, є сталими. Віддаючи електрони, атоми цих елементів виявляють сильні відновні властивості. Це видно на прикладі їх взаємодії з неметалами – киснем, галогенами та іншими, зокрема: Ca + Br₂ = CaBr₂ Ca⁰– 2e → Ca²⁺ Br⁰₂ + 2e → 2Br^- відновник окисник Отже, найхарактернішою ознакою металів головних підгруп I та II групи є їх висока хімічна активність, особливо в реакціях відновлення.

Йони Калію і Натрію практично не вступають у реакції комплексоутворення, а йони Магнію та Кальцію з амінокислотами та порфіринами утворюють хелатні комплекси.

Більшість сполук s – елементів добре розчиняються у воді. Це: оксиди (K₂O, MgO), пероксиди (H₂O₂, K₂O₂), основи (KOH, Mg(OH)₂), солі (NaCl, NaHCО₃).

Біологічна роль s – елементів

Натрій і Калій – дуже важливі життєво необхідні елементи, які містяться в плазмі крові, лімфі. Найбільше Калію в печінці, нирках, серці, м’язах та в мозку. Загальний вміст Калію в організмі дещо більший від Натрію. Основна біологічна функція розчинних у воді сполук s – елементів полягає у підтриманні водно – електролітного балансу. Йони К⁺ та Na⁺ необхідні живим організмам для генерування біопотенціалів у нервовій системі, м’язах та секреторної тканини, а також для регулювання роботи серцевого м’яза (міокарда).

Важливо знати, що йони натрію Na⁺ є основними позаклітинними йонами, а Калію К⁺ - внутрішньоклітинними. Так, концентрація йонів Калію всередині клітини в 35 разів вища, ніж у позаклітинній рідині, а йонів Натрію, навпаки, - в 14 разів більша в позаклітинному середовищі, ніж в середині клітини. Такий нерівномірний розподіл йонів Калію та Натрію по обидві боки клітинної мембрани є причиною виникнення біопотенціалів у клітинах. А за рахунок цього, а також внаслідок роботи калій – натрієвої помпи, відбувається створення імпульсів у нервових клітинах та регулювання роботи серцевого м’яза. Крім того, йони Натрію сприяють скороченню м’язів, а Калію, навпаки, - їх розслабленню.

Натрій хлорид NaCl, що постійно надходить в організм з їжею, є джерелом хлоридної кислоти – важливого компонента шлункового соку, а натрій гідроген карбонат NaHCO₃ разом з вуглекислим газом CO₂ – буферною сумішшю, яка значною мірою підтримує кислотно – основну рівновагу організму. Необхідно зазначити, що для нормального функціонування окремих органів, зокрема роботи серця, потрібна не лише певна концентрація йонів Калію, Натрію, Кальцію і Магнію в крові, але й відповідне кількісне співвідношення цих йонів.

Йони Кальцію Са²⁺ постійно містяться в організмі людини та тварин у макрокількостях. Вони необхідні для побудови тканин, оскільки мінеральні солі Кальцію - фосфати - є основою кісткової тканини, фториди – емалі зубів. У плазмі крові йони Кальцію перебувають у зв’язаному з білками стані та у вигляді вільних йонів. Вони підтримують нормальну здатність крові до згортання, впливають на кислотно – основний стан біологічних рідин, виявляють протизапальну дію. Крім того, йони Кальцію регулюють поділ клітин, відіграють важливу роль у функціонуванні серцевого м’яза, гальмують збудження ЦНС. Нестача Кальцію в організмі призводить до нервових розладів.

Сполуки Магнію(Mg) містяться у внутрішньоклітинних рідинах, кістках скелета та емалі зубів. Залежно від концентрації в організмі Магній може прискорювати або гальмувати процес передачі імпульсів по нервових волокнах. Він також впливає на дихальні, судинорухові та інші мозкові центри і діє заспокійливо на нервову систему загалом, знижує артеріальний тиск. Магній входить до складу багатьох ферментів та є їх незамінним компонентом та активатором.

Багато Магнію є в листках рослин, де у формі катіона Mg²⁺ він входить до хелатного комплексу – хлорофілу, який бере участь у процесі фотосинтезу.

Медичне застосування сполук s – елементів.

· Препарати Натрію: натрій хлорид NаCl застосовують для приготування ізотонічного (0, 9%) та гіпертонічного (10%) розчинів; натрій гідроген карбонат NaНСО₃ – це антацидний засіб, який використовують для нейтралізації високої кислотності шлункового соку.

· Препарати Калію: калій бромід KBr використовують як заспокійливий засіб; калій ацетат СН₃СООК – як сечогінний препарат при набряках, викликаних порушенням кровообігу; калій йодид KJ знаходить застосування для лікування зобу, катаракти.

· Препарати Магнію: магній сульфат MgSO₄∙ 7H₂O застосовують як заспокійливий і протисудомний засіб для внутрішньовенного введення, а при внутрішньому вживанні – як проносний і жовчогінний. Тальк 3MgO∙ 4SiO₂∙ H₂O – використовують для виготовлення різних присипок і мазей.

· Препарати Кальцію: кальцій хлорид CaCl₂∙ 6H₂O в розчинах використовують як протизапальний, протиалергічний та кровоспинний засіб; кальцій глюконат або кальцій лактат застосовують з тією самою метою, що й кальцій хлорид, проте ці препарати мають м’якший вплив на організм. Кальцій сульфат у вигляді півгідрату 2CaSO₄∙ H₂O (алебастр, медичний гіпс) використовується для накладання гіпсових повязок в хірургії.

Будова атомів біогенних р -елементів

Елементи, в яких відбувається остаточне заповнення електронами р – орбіта лей, називають р – елементами. До біогенних р -елементів належать елементи головних підгруп I –VII груп періодичної системи: III – В, Al; IV – C, Si, Sn, Pb; V – N, P, As; VI – O, S, Se; VII – F, Cl, Br, J.