БИОНЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Лекция 1.
Рекомендуемая литература Основная 1. Яцимирский К. Б. Введение в бионеорганическую химию / К. Б. Яцимирский – К. : Наук. Думка, 1976. – 143 с. 2. Загальна та біонеорганічна хімія / О. І. Каранаухов, Д. О. Мельничук, К. О. Чеботько, В. А. Копілевич // - Вінниця: Нова книга, 2003. -544 с. 3. Карнаухов А. И. Бионеорганическая химия / А. И. Карнаухов, А. Т. Безнис. – К. : Выща школа, 1992. – 223 с. 4. Хухрянский В. Г. Химия биогенных элементов / В. Г. Хухрянский, А. Я. Цыганенко, Н. В. Павленко - К. : Выща школа, 1984. – 176 с. 5. Биологические аспекты координационной химии / Под ред. К. Б. Яцимирского. – К. : Наук. Думка, 1979. – 266 с. 6. Дятлова Н. М. Комплексоны и комплексонаты металлов / Н. М. Дятлова, В. Я. Темкина, К. И. Попов. – М. : Химия, 1988. – 544 с. 7. Методы и достижения бионеорганической химии / Под ред. К. Мак Олифф. – М. : Мир, 1978. – 416 с. 8. Уильямс Д. Металлы жизни / Д. Уильямс. – М. : Мир, 1975. – 236 с. 9. Яцимирский К. Б. Проблемы бионеорганической химии / К. Б. Яцимирский. – М. : Знание, 1976. – 63 с. 10. Колупаєв Ю. Є. , Сисоєв Л. А. Хімія з основами біохімії: Навч. Посібник / Ю. Є. Колупаєв, Л. А. Сисоєв. - Харків: Харк. Держ. Аграрн. Ун-т, 1999. -232 с.
Рекомендуемая литература Дополнительная 1. Неорганическая биохимия: в 2 кн. / Под ред. Г. Эйгорна. –М. : Мир, 1978, - Кн. 1. – 711 с. ; Кн 2. – 736 с. 2. Кабата-Пендиас A. , Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас. –М. : Мир, 1989, - 439 с. 3. Хьюи Дж. Неорганическая химия / Хьюи Дж. –М. : Мир, 1987, - 696 с. 4. Ершов Ю. А. Механизмы токсического действия неорганических соединений / Ю. А. Ершов, Т. В. Плетнева. – М. : Медицина, 1989. – 272 с. 5. Bioinorganic Chemistry. 72. Structure and Bonding / Editors: M. J. Clarke, J. B. Goodenougt, J. A. Ibers, C. K. Jorgensen at all. – Springer Verlag Berlin Heidelberg, 1990. -230 p. 6. Inorganic Biochemistry / An Introduction J. A. Cowan. – VCN Publischers, 1993. – 349 p. 7. Логинова Н. В. Бионеорганическая химия: металлокомплексы в медицине / Н. В. Логинова. –Минск: БГУ, 2000. -227 с. 3
Возникновение бионеорганической химии • • • Бионеорганическая химия возникла во 2 -й половине ХХ века на стыке биологии, химии, медицины, биохимии, молекулярной биологии и др. что было подготовлено многочисленными экспериментальными данными в области классической химии, медицины, токсикологии и науки о питании. Бионеорганическая химия является своеобразным «мостом» между неорганической химией и биохимией, ее возникновение обусловили: Быстрая индустриализация происходящая в прошлом веке, которая привела к перемещению населения из сельской местности в городские центры. Рост населения в определенных районах приводит к появлению несвойственных для природы концентраций металлов и других микроэлементов, поскольку потребление энергии и продуктов производства становится очень локализованным. Применение биокатализаторов для получения химических веществ вызовет революцию в химической технологии, так как исчезнет необходимость в сложном химическом оборудовании, в использовании высоких давлений, температур и т. д. 4
• Академик Опарин А. И. считал, что обмен веществ – это совокупность большого числа сравнительно простых химических реакций. Некоторые крупные биохимические открытия удалось объяснить только после раскрытия их химической сущности. • Почти всеми своими достижениями современная медицина обязана химии. Более ¾ лекарственных препаратов являются продуктами химико-фармацевтической промышленности. Кроме того, химия дает медицине такие вещества как витамины, гормоны, полимерные материалы и др. • Методы количественного и качественного химического анализа широко применяются в физиологических и биохимических лабораториях для определения химического состава органов и тканей. • Химический анализ воздуха, почвы, питьевой и сточных вод, пищевых продуктов и т. д. имеют большое значение в санитарии и гигиене. • Большое значение для медицины имеет открытие и изучение микроэлементов в организмах растений, животных и человека. 5
• Многие координационные соединения переходных металлов оказались биологически активными. Комплексообразование в почве привело к переводу необходимых растению металлов в «транспортабельную» форму. • Подходы, разрабатываемые бионеорганической химией, с успехом могут быть использованы для предотвращения загрязнения окружающей среды токсическими элементами и их соединениями. Изучение состояния элементов в замкнутых системах почва – растение – живой организм позволит повысить эффективность удобрений, приблизиться к безотходной сельскохозяйственной технологии и тем самым внести значительный вклад в решение современных экологических проблем. 6
Многие важные биологические процессы требуют участия металлов — это и дыхание, и фотосинтез, и передача нервных импульсов, и многие метаболические превращения, и сокращения мускулов, а также защита от токсичных и мутагенных воздействий, и многое другое. Поэтому особое внимание бионеорганическая химия уделяет роли элементов-металлов в живом организме. В последнее время бионеорганической химией называют, как правило, область науки, изучающую роль металлов в живой природе. Как известно, одной из главный функций ионов металлов является способность к комплексообразованию, поэтому по мнению Яцимирского К. Б. «бионерганическая химия и по сути своей является биокоординационной химией. 7
Основные задачи бионеорганической химии и биокоординационной химии можно сформулировать следующим образом: 1. 2. 3. 4. 5. изучение на молекулярном уровне взаимодействия металлов (в первую очередь биометаллов) с биолигандами; исследование природных соединений, содержащих металлы, — металлобелков, металлоферментов, проблемы транспортировки и накопления металлов in vivo; моделирование биологических и биохимических процессов; использование результатов бионеорганической химии в медицине: диагностика заболеваний, создание новых препаратов и установление механизма их действия; применение в охране окружающей среды, в агротехнике.
• • • РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПРИРОДЕ Из более чем ста химических элементов Периодической системы Д. И. Менделеева в состав живых организмов входит 18. Шесть элементов: C, O, H, N, P и S – являются основой всех биологических систем, поскольку входят в состав белков и нуклеиновых кислот и составляют основу жизни на Земле. Их общее название – органогены. Общая массовая доля шести элементов-органогенов в организме составляет 97. 5 %. Особая роль в построении всего живого принадлежит углероду. Атомы водорода в структуре живых организмов способны перемещаться от одной молекулы к другой в виде ионов Н+ и Н-. Ион водовода может отдать свой электрон в цепь так называемых переносчиков электронов. Кислород в живых организмах под влиянием ферментов способен присоединять электроны, превращаясь в отрицательно заряженные ионы. Эти ионы с ионами водорода образуют воду или пероксид водорода. Водород и кислород – обеспечивают протекание окислительно-восстановительных процессов. Азот, фосфор и сера входят в состав нуклеиновых кислот, с помощью которых осуществляется передача наследственных признаков и воспроизводство клеток и организмов. Изучение состава, строения и свойств соединений элементов – органогенов в живых организмах входит в задачи биохимии и биоорганической химии. 9
Двенадцать других элементов также необходимы для нормальной жизнедеятельности организмов. К ним относятся два неметалла – Cl и I и десять металлов: Na, K, Mg, Ca, Mn, Fe, Mo, Cu, Zn. Эти 10 металлов получили название «МЕТАЛЛЫ ЖИЗНИ» , или БИОМЕТАЛЛЫ и изучение их роли в живых организмах представляет основную задачу бионеорганической химии. Распространенность элементов не является решающим критерием отбора природой для построения биосистем. Так, Si, Al и Ti являются довольно распространенными элементами в природе, однако ни один из них не является элементом жизни (вследствие малой растворимости природных соединений они в очень малых количествах содержатся в организмах). Другие элементы, такие как I, S, P, Mo, хотя и находятся в земной коре в небольших количествах, но концентрируются организмами в значительной степени. Принципы отбора этих 18 элементов для построения живых организмов окончательно не установлены. 10
Биогеохимические провинции • • В. И. Вернадский ввёл понятие «биосфера» , которая есть «определённым образом организованная среда, переработанная жизнью и космическим излучением и приспособленная к жизни» . В. И. Вернадский установил тесную связь между геохимическими процессами и жизнью живых организмов, проводя сравнительный анализ содержания некоторых химических элементов в живой и неживой природе. В природе постоянно существует круговорот химических элементов под влиянием живого вещества. Живые организмы непрерывно вызывают перемещение химических элементов – это их геохимическая функция. Любое перемещение химических элементов в окружающей среде называется миграцией химических элементов, а если миграция совершается с участием живого вещества, ее называют биогенной. Та часть планеты, в которой проявляется жизнь во всем ее многообразии, называется биосферой. Химические элементы находятся в биосфере в постоянном движении. Это зависит от геохимических и биохимических процессов, протекающих в биосфере, а также от производственной деятельности человека. Химические элементы избирательно концентрируются живыми организмами в зависимости от растворимости соединений элементов в среде обитания живого организма. Геохимическая функция определяется тем, какой химический элемент он способен накапливать. 11
В организме человека в наиболее значительных количествах входит 6 элементов (указываются количества элемента, приходящиеся в среднем на 70 кг веса) Элемент Масса в организме человека (в г) Ca 1700 K 250 Na 70 Mg 42 Fe 5 Zn 3 Cu 0. 2 Co, Mn, Mo < 0. 1 12
В основном все организмы, населяющие данную область, концентрируют элементы, преобладающие в среде обитания. Имеются отдельные виды организмов, которые избирательно концентрируют определенные элементы в больших количествах, не зависимо от их содержания в среде обитания. Элементы • Провинция I Co, Cu, Mo Mo Cu, Ni • Содержание элемента в пределах провинции Пониженное Повышенное Западные области Украины Прибалтика Закавказье Казахстан Области, в которых организмами концентрируется преимущественно один или несколько элементов, называются биогеохимическими провинциями. Учение о биогеохимических провинциях создал А. П. Виноградов. При значительных аномалиях того или иного элемента в пределах данной провинции возникают эндемические заболевания растений и животных. Учение о биогеохимических провинциях открыло возможности для целенаправленного использования химических элементов в медицине, растениеводстве, ветеринарии и. т. д. 13
КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ 1. По Виноградову А. П. По содержанию химических элементов в живых организмах А. П. Виноградов делит все элементы на три группы: Группа Массовая доля в живом веществе, % Макроэлементы 10 10 -2 Микроэлементы 10 -2 10 -5 Ультрамикроэлементы < 10 -5
2. По Вернадскому В. И. Вернадский разделил все химические элементы, содержащиеся в живых организмах, по декадам с определенной средней массовой долей Декада Массовая доля, % Пример химических элементов I 101 O, H II 100 101 N, Ca III 10 -1 100 S, P, Si, K IV 10 -2 10 -1 Mg, Fe, Na, Cl, Al, Zn V 10 -3 10 -2 Cu, Br, I, Mn, B VI 10 -4 10 -3 As, F, Pb, Ti, V, Cr, Ni, Sr, Li VII 10 -5 10 -4 Ag, Co, Ba, Rb, Sn, Mo VIII 10 -6 10 -5 Au IX 10 -7 10 -6 Hg … … XIII 10 -12 10 -11 Ra
3. По Ковальскому В. В. Ковальский делит все химические элементы на три группы по следующим признакам Группа Признаки группы Примеры химических элементов I Элементы, участвующие в обмене веществ и являющиеся незаменимыми O, C, H, N, Ca, P, K, S, Cl, Na, Mg, Zn, Fe, Cu, I, Mn, V, Mo, Co, Se II Элементы, биологическая роль которых изучена плохо Sr, Cd, Br, F, B, Si, Cr, Be, Ni, Li, Cs, Sn, Al, Ba, Rb, Ti, Ag, Ga, Ge, As, Hg, Pb, Bi, Sb III Элементы, биологическая роль которых совершенно не выяснена Sc, Tl, Nb, Te, W, Au, La и лантаноиды
4. По Венчикову А. И. Венчиков делит все элементы независимо от их количественного содержания в живых организмах, а по физиологическим и биохимическим признакам. По Венчикову, все элементы, физиологическая роль которых точно установлена, получили название биотических элементов. Основные признаки биотичности химических элементов: 1) постоянное содержание элемента в живом организме; 2) существование дефицита элемента для нормальной функции организма; 3) нахождение элемента в структуре биологически активных веществ или участие в выполнении их функций; 4) физиологическая и биохимическая активность элементов в реальных количествах в естественных условиях жизнедеятельности организма.
В человеческий организм химические элементы поступают 1. с продуктами питания через желудочно-кишечный тракт; 2. с аэрозолями через дыхательные пути; 3. а также через кожу. 1. Как правило неорганические соединения слабо всасываются в желудке. Главную роль при переносе элементов из желудочно-кишечного тракта в кровь и лимфу играет тонкий и толстый кишечник, роль двенадцатиперстной кишки незначительна. Большая часть тяжелых металлов всасывается в средней части тонкого кишечника. 2. Химические вещества поступают в организм через органы дыхания в виде молекул и микрочастиц. В виде молекул вдыхаемого пара летучих и газообразных веществ (NH 3, P 4, Ni(CO)4, Se. O 2, Os. O 4, Hg, Tl 2 O). В виде микрочастиц может поступать большинство элементов в простой форме оксидов, солей, кислот, гидроксидов, минералов. Эти вещества в атмосфере находятся в состоянии аэрозолей - дыма, тумана, пыли, размеры их частиц составляют от 5 нм до 50 мкм. Всасывание осевших веществ может происходить практически на любом участке эпителия дыхательных путей. Однако ингаляция представляет собой наиболее прямой путь поступления токсичных веществ в ткани, так как превращение веществ в дыхательных путях происходит незначительно. 18
3. Экспозиция неорганических веществ на кожу происходит при случайных контактах или медикаментозных действиях. Переход химических агентов с поверхности в кровеносную систему в основном происходит через эпидермис, существенную роль играет также всасывание клетками сальных желез и волосяных фолликул. Эффективность адсорбции кожей в значительной степени определяется физико-химическими свойствами агента. Всасывание неорганических веществ через кожу экспериментально изучено лишь для некоторых элементов. При накожной аппликации происходит абсорбция солей меди, золота, бериллия, цинка, ртути, таллия, иода, мышьяка, хрома, кобальта, никеля (что вызывает аллергию и дерматиты). Гораздо более изучена роль кожи как органа выделения. Часть токсических элементов удаляется при слущивании эпидермиса и с волосами. Потовые железы эффективно выводят Cu, Cd, Zn, Pb.
• Содержание различных элементов в организме человека неодинаково и колеблется в пределах от 1 10 -3 % (масс. ) для Zn до 1 10 -6 % (масс. ) для Hg. Оно в значительной степени зависит от количественного содержания данного элемента в окружающей среде, т. е. от характера геохимической провинции, а также от свойств элемента (его растворимости, усвоения и т. д. ). Оно также зависит от функционального состояния центральной нервной системы. Например, при возбуждении центральной нервной системы содержание Cu, Mn, Ti и других микроэлементов в крови и спинно-мозговой жидкости повышается, тогда как в головном мозге снижается. • • При торможении центральной нервной системы содержание микроэлементов (особенно Cu и Mn) в крови уменьшается, но происходит их накопление в тканях спинного и головного мозга, а также в мышцах. Обмен микроэлементов в тканях организма находится под строгим контролем центральной нервной системы, об этом свидетельствует повышение на 5 -10 % содержания меди в молоке матери перед кормлением ребенка. Количественное содержание микроэлементов в организме человека значительно колеблется и зависит от ряда условий: возраста, пола, времени года и суток, условий труда, вида трудовой деятельности, физиологических (беременность, лактация) и патологических состояний. Например, установлено, что детскому организму железа необходимо больше, чем взрослому.
Микроэлементы неравномерно распределяются между тканями и органами организма. Большинство микроэлементов в максимальных концентрациях содержатся в ткани печени, в связи с чем печень рассматривается как функциональное депо микроэлементов в организме. Костная и мышечная ткани, хотя и содержат в процентном отношении меньшие количества микроэлементов, однако, составляя основную массу организма, являются одним из основных депо для большинства микроэлементов. • • • Отдельные микроэлементы проявляют как бы особое химическое сродство по отношению к некоторым тканям и содержатся в них в больших количествах. Например: Zn в высоких концентрациях обнаруживают в поджелудочной железе, Mo – в почках, Ba – в сетчатой оболочке глаза, Sr – костях, I – в щитовидной железе, Mn, Br – в гипофизе и т. д. Количественное содержание микроэлементов в аналогичных тканях и органах различных видов животных неодинаково, это проявление видового признака. 21
При различных патологических состояниях в организме происходит изменение микроэлементов. 1) Например, при инфаркте миокарда снижается уровень Zn в плазме крови, а также уменьшается количество Mo, Ag, Ni и повышается содержание Cu в ишемическом очаге инфаркта. 2) При гипертонической болезни содержание Li в крови и эритроцитах уменьшается более, чем в 2 раза и т. д. Поэтому количественное определение микроэлементов в органах и тканях при различных патологических состояниях имеет большое значение для диагностики, лечения и прогнозирования того или иного заболевания. n n n Установлено, что микроэлементы активно влияют на процессы кровообразования – это большинство элементов IV периода Периодической системы, причем это влияние нарастает от Ti к Cu, а затем убывает. Микроэлементы играют большую роль в трудовой деятельности человека - при тяжелом физическом труде потребность организма в микроэлементах выше, чем при легком. Некоторые микроэлементы (Ca, P, F, I, Al, Si) влияют на минерализацию и реминерализацию костной ткани и зубов.
• • • Микроэлементный анализ позволяет расследовать самые различные преступления, он облегчает идентификацию биологического материала и идентификацию причин смерти. Имеются сведения о влиянии микроэлементов на продолжительность жизни человека. Однако данные о влиянии микроэлементов на механизм старения носит еще противоречивый характер. Установлено, что возраст влияет на количество элементов, находящихся в организме человека. Например, содержание Cd в почках и Mo в печени с возрастом повышается. В печени взрослых содержится Mo в 10 раз больше, чем в печени новорожденных. Максимальное содержание Zn наблюдается в молодом организме, особенно в период созревания. В пожилом возрасте наблюдается также отрицательный баланс V, Cr и других микроэлементов. Данные по содержанию микроэлементов в организме вызывают интерес у геронтологов и имеют определенное значение в предупреждении старения. Лабораторными экспериментальными исследованиями и клиническими наблюдениями установлено, что многие заболевания (эндемический зоб, подагра, кариес зубов и др. ) обусловлено не только избыточным или недостаточным поступлением в организм определенных микроэлементов, но и их диспропорцией. Нарушение определенного равновесия между микроэлементами в организме – это болезнь. 23
• Очень важным является взаимодействие между микроэлементами в организме человека. При лечении различных анемий не одного, а целого комплекса микроэлементов дает лучший терапевтический эффект. Взаимодействие между микроэлементами в обмене веществ доказывается многими экспериментальными данными. Например, 1. При большом количестве Mn в пище концентрация Cu в плазме повышается, а в почках снижается. 2. Повышение содержания Mo в пище ведет к увеличению количества Cu в печени. 3. Избыток Zn вызывает угнетение активности Fe-содержащих ферментов, Cu – предохраняет от такого воздействия цинка. 4. Дополнительное введение в организм Br вызывает повышение содержания Cu в тканях мозга и способствует переходу ионной меди в связанную с белками форму. 5. Установлена взаимосвязь P и Ca: увеличение содержания Ca в крови сопровождается уменьшение количества неорганического P. 24
Во взаимодействии микроэлементов в обмене веществ наблюдается физиологический синергизм и антагонизм. • Физиологический синергизм бывает, когда присутствие одного элемента усиливает активность другого (например, присутствие ионов Cu и Zn, Co и Fe). • Физиологический антагонизм наблюдается в том случае, если действие одного элемента направлено против действия другого. Антагонизм может быть вызван поступлением в организм избыточного количества какоголибо микроэлемента, заменой биогенного элемента тяжелым металлом и т. д. Это может привести к потере активности микроэлемента, разрушению биологически важных структур, болезни и даже гибели организма. • Например, замена биогенного элемента тяжелым металлом техногенного происхождения может привести к возникновению профессионального заболевания. Функциональный антагонизм существует между Mo и Zn, Be и Mg, Li и Na. Расширение исследований, направленных на изучение обмена и взаимосвязи микроэлементов в тканях организма в норме и при различных заболеваниях, а также выяснение значения этих сдвигов обмена для течения болезней будет способствовать использованию микроэлементов в 25 лечебной практике.
Скачать презентацию БИОНЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Лекция 1 Рекомендуемая литература Основная
BN_Lecture1.ppt