Химия биогенных элементов s -блока 1
Общая характеристика s-элементов • Элементы IА и IIА групп имеют на внешнем энергетическом уровне 1 -2 электрона • Легко отдают валентные электроны – сильные восстановители • Имеют малые значения энергии ионизации при относительно больших радиусах атомов и ионов • Большинство природных соединений Na, K, Mg, Ca, Sr растворимы в воде и слабых кислотах 2
Водород Специфические свойства как s-элемента • Сходство с элементами IА-группы – щелочными металлами: – образование иона Н+ – восстановительная способность – взаимодействие с металлами • Сходство с галогенами: – – – газообразное состояние при обычных условиях двухатомная молекула Н 2 неполярная связь в молекуле полярная связь в соединении с неметаллами образование гидрид-иона Н- в соединении с металлами Na. H, Cа. Н 2 3
Содержание водорода • Содержание водорода в литосфере и гидросфере составляет по массе 1% Входит в состав нефти, природных газов, глины, торфа, соединений, слагающих угли • Содержание водорода в организме составляет около 10% Входит в состав важнейших биологически активных химических соединений: белков, жиров, углеводов и воды 4
Изотопы водорода • Протий • Дейтерий • Тритий 1 Н (или D) 3 Н (или Т) стабильные 2 Н радиоактивен D широко используется в качестве метки, вводимой в различные лекарственные препараты для исследования их фармакокинетики 5
Химические формы водорода в организме • Протон никогда не существует в свободном виде, он соединяется с другими атомами и молекулами – с водой H+ образует ион оксония H 3 O+ – с другими веществами: +H+ + H 2 NCHCOOH 3 NCHCOO| | R R – в организме человека в соединениях с С, N, S водород ковалентно связан 6
Биороль гидроксоний-иона • Все процессы в организме совершаются при строго определенной, постоянной концентрации ионов водорода • Перенос водорода по биохимической цепочке организма – один из фундаментальных процессов живой природы • Содержащиеся в желудочном соке H 3 O+ проявляют – противомикробное действие – убивают многие микроорганизмы, занесенные в желудок с пищей – каталитическое действие – при их участии гидролизуются белки, полисахариды и др. биоорганические соединения 7
Пероксид водорода • Наружное бактерицидное средство: окислительная способность H 2 O 2 и безвредности продукта его восстановления – воды • При обработке ран, выделяющийся кислород: – Оказывает противомикробное, дезодоририрующее и депингментирующее действие, убивая микробные тела – Образует пену, способствуя переходу частиц тканевого распада во взвешенное состояние и очищению ран • В качестве фармакопейного препарата используется 3%-ный водный раствор H 2 O 2, 6%-ный раствор H 2 O 2 применяют для обесцвечивания волос • В виде 30%-ного раствора H 2 O 2 – при лечении бородавчатой формы красного плоского лишая и для удаления юношеских бородавок 8
Вода Ее содержание в организме и распределение • В организме взрослого человека в среднем содержится 65 -67% (42 л), у эмбрионов (4 месячных) – 94%, у новорожденных – 74% • В различных органах и тканях : от 20% в костях, до 85% в тканях головного мозга • В биологических жидкостях: в желудочном соке – 99, 5%, в плазме крови – 92%, в лимфе – 90% • Основная масса (70%) находится внутри клеток в составе клеточной протоплазмы. Остальное количество – это внеклеточная вода 9
Суточная потребность в воде • Суточная потребность взрослых в воде составляет в среднем 2, 5 литра: – 1, 2 литра - питьевая вода – 1 л – вода, поступившая с пищей – 0, 3 л – вода, которая образуется в самом организме • У детей потребность в воде значительно выше (у взрослого человека она равна 40 г на 1 кг, а у ребенка – 150 -160 г). • При недостаточном поступлении воды в организм, часть отработанных продуктов жизнедеятельности остается в организме, что может вызвать его отравление. Потеря 10 -20% общего количества содержащийся в организме воды может закончится смертью 10
Поступление воды в организм • ЖКТ – один из путей поступления и выведения воды из организма • У человека 1 л воды всасывается в течение 22 -25 мин • В кишечнике человека в среднем за день всасывается 8 -10 л воды, из которых более 2 л имеют «внешнее происхождение» 11
Пути выведения воды • Главный путь выведения – почки, через них в сутки проходит более 1000 л крови. Из профильтрованной в клубочках жидкости меньше 1% выделяется почками в виде мочи (более 500 мл) • С калом: 0, 1 -0, 2 л/сут • С выдыхаемым воздухом: 0, 4 л/сут • С потом: 0, 6 -0, 65 л/сут • Немного воды выделяют слезные железы, она теряется с капельками слюны при разговоре, кашле и т. д. 12
Экзогенная и эндогенная вода • Вода, поступающая в организм в виде питья и в составе пищевых продуктов – экзогенная • вода, которая образуется в процессе обмена веществ – эндогенная (около 0, 3 л) 13
Эндогенная вода • Часть воды, которая образуется непосредственно в организме в процессе жизнедеятельности – при распаде белков, жиров и углеводов – При окислении 100 г жиров образуется 107 мл воды, 100 г углеводов – 55 мл – Жировые отложения у курдючных пород овец и верблюда 14
Роль воды в организме • Вода – универсальный растворитель твердых, жидких и газообразных веществ • Вода – среда и непосредственный участник многообразных физиологических и биохимических реакций (гидролиз, гидратация, набухание) • Транспортная система – перенос питательных веществ, энзимов, продуктов метаболизма, газов антител • Необходима для образования секретов и экскретов (ежесуточно в просвет ЖКТ выделяется 1500 мл слюны, 2500 мл желудочного сока, 700 мл сока поджелудочной железы, 300 мл кишечных соков) • Вода принимает участие в процессах терморегуляции 15
Биологическое значение высокой теплоемкости воды • Теплоемкость – способность поглощать теплоту • Теплота идет на образование и разрыв водородных связей • Вода предохраняет клетку от резких изменений температуры • Она обладает способностью поглощать большое количество тепла при переходе из жидкого состояния в парообразное, что позволяет организму освобождаться от избытка теплоты путем испарения. • Высокая теплопроводность воды создает возможность равномерного распределения теплоты между тканями организма 16
Свободная и связанная вода В живых организмах можно выделить 2 категории воды: «связанную» и «свободную» • «Связанная» вода (структурированная) – образовавшая гидратную оболочку высокомолекулярных соединений. Ее структура регулярна и стабильна. Стабилизированная вода на поверхности белковых молекул по структуре напоминает лед. Она не вымораживается, не может служить растворителем • «Свободная» вода (жидкая) – та часть воды, которая не ассоциирована с макромолекулами и сохраняет все свойства чистой воды 17
• В результате взаимодействия воды с макромолекулами возможно изменение конфигурации и размеров последних, что может приводить и к существенной модификации их свойств. • Содержание связанной с белками воды определяет устойчивость растительных и животных организмов к различным воздействиям. Пространственная структура белков является результатом взаимодействия структурных элементов белка с молекулами воды 18
Дистиллированная и апирогенная вода • Дистиллированная вода используется для изготовления жидких лекарственных форм, применяемых внутрь и наружно. • Она содержит пирогенные вещества, которые при введении парентерально могут вызывать повышения температуры • Растворы для инъекций готовят на дважды дистиллированной (апирогенной) воде 19
Минеральные воды, их использование • Минеральные воды – природные воды, химический состав и физические свойства которых позволяют применять их в лечебнопрофилактических целях – Минеральные вещества – анионов хлора, сульфата, гидрокарбоната и катионов натрия, магния, кальция. – Газы: азот, метан, углекислый газ, реже – сероводород – Биологически активные компоненты и микрокомпоненты: гидросульфид, бром, йод, мышьяк, железо, кремниевая кислота, гидросиликат, углерод органический и некоторые другие • Суммарное содержание всех указанных выше веществ составляет минерализацию вод • Минеральные воды для наружного применения часто обладают высокой минерализацией и нередко обогащены специфическими компонентами. • Питьевые минеральные воды имеют обычно небольшую минерализацию (2 -12 г/л) и оказывают лечебное действие благодаря своему ионному составу 20
Щелочные элементы: общая характеристика • Li, Na, K, Rb, Cs, несмотря на близость физикохимических свойств, довольно существенно отличаются по своим физиологическим свойствам и кинетике обмена в организме • Общим для них является: – – полное всасывание из ЖКТ экскреция преимущественно с мочой очень быстрое удаление из кровяного русла сравнительно равномерное распределение по органам и тканям – относительно быстрое выведение из организма 21
Содержание щелочных металлов в организме • Na и К – макроэлементы • Li, Rb, Cs – микроэлементы • Na и К – жизненно необходимые элементы Li, Rb, Cs – примесные микроэлементы 22
Литий Содержание Li • Содержание Li в почвах колеблется в пределах от 1· 10 -3 до 6, 9· 10 -3% • Общее содержание Li в организме 1· 10 -4% • Распределяется в организме сравнительно равномерно: – – – В печени В плазме В эритроцитах Мышцах Нервных клетках 23
Поступление и выведение Li • Ежедневно с пищей и жидкостями в организм человека поступает 2 мг Li • Соли Li быстро всасываются в кровь • С мочой и калом выделяется 0, 8 и 1, 2 мг соответственно • Небольшие количества Li теряются с волосами, ногтями и потом 24
• Пищевой рацион, в состав которого входит черный хлеб, содержит Li на 50% больше, чем рацион с белым хлебом • Концентрация Li в моче в 25 раз выше, чем в сыворотке крови • Li успешно конкурирует с Na в процессах реабсорбции в канальцах почек 25
Физиологическая роль Li • Li+ влияют на транспорт Na+ в нейронных и мышечных клетках • Li влияет на водно-электролитный обмен в головном мозге. • Препараты Li способны снимать возбуждение у психических больных 26
Натрий • Составляет 2% от общего числа атомов земной коры • Встречается исключительно в виде соединений • Хотя распространенность Na и K в земной коре почти одинакова, растения содержат натрия почти в 10 раз меньше, чем калия 27
Обмен Na • В организме человека содержание Na составляет около 50 г (0, 08%): – 44% - во внеклеточной жидкости – 9% - во внутриклеточной – Остальное количество – в костной ткани • В организм взрослого человека поступление Na с пищей и жидкостями составляет 4, 4 г/сут • Основное количество Na выделяется с мочой (3, 3 г) и потом (0, 1 г), другими жидкостями (0, 13 г) и волосами (0, 0001 г) 28
Роль натрия в организме • Na – основной катион внеклеточной среды, составляет более 90% всех катионов плазмы • Na участвует в поддержании осмотического давления внеклеточных жидкостей, нормальной деятельности сердечной мышцы, нервно-мышечной возбудимости (в равновесии с ионами K+), оказывает влияние на способность белковых коллоидов к набуханию 29
Калий • Относится к наиболее распространенным элементам, составляя 1, 1% от общего числа атомов земной коры • Растения содержат K примерно в 10 раз больше, чем Na • Концентрация K в органах и тканях млекопитающих в 30 раз выше, чем в морской воде 30
Содержание K в организме • В теле взрослого человека с массой тела 70 кг содержится 140 г K (0, 2% массы тела) • Из общего количества в организме почти 98, 5% находится внутри клеток и лишь 1, 5% - во внеклеточной жидкости • В крови K распределен неравномерно: в плазме его содержание значительно меньше, чем в эритроцитах 31
Обмен K • Поступление калия с пищей и жидкостями в организм взрослого человека составляет 3, 3 г / сут • Большая часть K выводится через почки • Выведение с калом – 0, 36 г/сут • Суточное выделение с потом – 130 мг 32
Роль K в организме • Основной внутриклеточный катион • Участвует в реализации эндогенных и экзогенных импульсов, воспринимаемых клетками периферической и центральной нервной системы • Участвует в поддержании осмотического давления, кислотно-основного состояния, в процессах обмена в клетке • Активирует ряд ферментов внутриклеточного метаболизма • С участием K+, содержащихся в эритроцитах, происходит перенос кислорода гемоглобином 33
Соотношение Na+ и K+ между клеткой и межклеточной средой • Концентрация Na+ внутри клетки примерно в 15 раз меньше, чем во внеклеточной жидкости • Концентрация K+ приблизительно в 35 раз выше внутри клетки, чем вне ее • Работа натрий-калиевых насосов: 34
Разъедающее действие твердых щелочей и их растворов на ткани • Обезвоживание и щелочной гидролиз белков: Н O Н Н | || | | H 2 O | | R 1 – C – N – COO- R 1 – COO- + R 2 – COO| | OH| | NH 3+ R 2 NH 3+ 35
Рубидий и Цезий • По содержанию в организме человека – примесные микроэлементы: Rb (10 -5%), Cs (104%) • Rb, как аналог K, накапливается во внутриклеточной жидкости и может замещать К в различных процессах • Rb – синергист К, активирует многие те же самые ферменты • Радиоактивные изотопы 137 Cs и 87 Rb используют в радиотерапии злокачественных опухолей 36
Общая характеристика щелочноземельных металлов • Макроэлементы: Mg и Ca • Микроэлементы: Be, Sr и Ba • Жизненно необходимые элементы: Mg и Ca • Примесные (аккумулирующиеся): Be, Sr и Ba 37
Бериллий Обмен Be • Содержание Be в организме – 36 мкг • С пищей и жидкостями поступает 12 мкг/сут • С воздухом выделяется < 0, 01 мкг/сут • Основное количество Be выделяется с мочой: 1 мкг/сут • С фекалиями - 10 мкг/сут • Другими путями - 1 мкг/сут 38
Токсичность Be 2+ • Способность Be 2+ образовывать более прочные комплексы по сравнению с Mg 2+ с кислородосодержащими лигандами, фторидами – Be 2+ подавляет активность ферментов – высокопрочные комплексы Be с фосфатами хорошо растворимы – возникает заболевание «бериллиевый рахит» • Mg и Be – антагонисты, т. е. добавление одного элемента приводит к вытеснению другого (при отравлении солями Be вводят избыток солей Mg) 39
Магний Обмен Mg • В организме взрослого человека содержится 21 -28 г Mg • Mg – основной внутриклеточный ион • Значительная доля Mg поступает с растительной пищей (в хлорофилле содержится около 2% Mg) • В организм взрослого человека поступает 0, 16 -0, 41 г/сут Mg • Из ЖКТ всасывается в кровь 0, 3 г поступающего Mg • Благоприятно влияет на всасывание Mg молоко и казеин • С мочой выделяется 30% поступающего Mg • С калом – 15 -25% поступающего Mg • Остальное количество – с потом и волосами 40
Распределение Mg В плазме крови 17 -28 мг/л В печени и поперечнополосатых мышцах В почках 10 ммоль/л 8, 5 ммоль/л В головном мозге 6, 5 ммоль/л В эритроцитах 3 ммоль/л 41
Роль Mg в организме • Является одним из важнейших активаторов многих ферментативных процессов • В митохондриях клеток Mg 2+ активируют процессы окислительного фосфорилирования • Ионы Mg 2+, в противоположность Ca 2+, снижают возбудимость нервных окончаний 42
Кальций Содержание в природе и в организме • На долю Ca приходится 3, 6% массы земной коры • Соли кальция содержатся в молоке и молочных продуктах • В организме взрослого человека содержание Ca – 20 г на 1 кг массы тела • Основная часть Ca (90%) – в костной и хрящевой тканях 43
Обмен Ca • Поступление Ca с пищей и жидкостями составляет 0, 9 – 1, 1 г/сут • Всасывание из пищи в кровь: 0, 12 -0, 7 (в среднем 0, 3 г) • На всасывание Ca влияют витамин D ( ), лактоза( ), белки( ), жиры ( ) • Из общего количества усвоенного Ca 2% всасывается в желудке, 15% - в 12 -перстной кишке, 23% в тощей и 60% в подвздошной • С мочой и калом выделяется 0, 18 и 0, 74 г/сут • С потом – 32 мг/сут 44
Распределение Ca • Общая концентрация в сыворотке крови 2, 48 0, 29 ммоль/л В костной ткани > 1000 г В мягких тканях 14 В крови 0, 31 В легких 0, 087 В мышцах 0, 87 В печени 0, 09 В почках 0, 029 В головном мозге 0, 12 В коже 0, 41 45
Роль Ca в организме • • • Передача нервного возбуждения Сокращение мышц Поддержание целостности клеточным мембран Образование неорганической фракции костной ткани Уменьшение проницаемости мембран и снижение способности тканевых коллоидов связывать воду • Участие во всех стадиях свертывания крови • Активация ферментов: актомиозин-АТФаза, лецетиназа, сукцинатдегидрогеназа • Стабилизация трипсина поджелудочной железы 46
Ca-содержащий минерал • Гидроксилапатит Ca 10(PO 4)6(OH)2 – основное вещество костной и зубной тканей • В среднем взрослый человек должен потреблять 1 г Ca, хотя потребность в кальции составляет только 0, 5 г • Ca, вводимый с пищей, только на 50% всасывается в кишечнике 47
Стронций Обмен Sr • Способен накапливаться, его содержание может достигать 2· 10 -3% • Уровень поступления: 1, 3 -2, 2 мг/сут • Соединения Sr хорошо всасываются из ЖКТ • С возрастом всасывание Sr • С мочой выделяется 0, 24 -044 мг/сут • C калом – 0, 59 -2, 97 мг/сут • С потом – 0, 02 мг/сут • С волосами: < 0, 2 мкг/сут 48
Влияние избытка Sr на организм • Sr по физико-химическим характеристикам сходен с Ca, может замещать его ионы в костной ткани • В результате замещения возникает «стронциевый» рахит – повышенная ломкость костей 49
• Содержание в почвах – до 3%, они малоплодородны, а вырастающие на них травы ядовиты для животных • В морской воде – Ba в 4000 раз меньше, чем Sr • Содержится в глазах многих видов рыб, животных и человека 50
Барий Обмен Ba • Во всем организме: 22 мг (из них в скелете 20 мг) • В незначительных количествах – во всех оболочках и средах глаза (особенно важен для функции сетчатки) • С пищей и жидкостями поступает 0, 75 мг/сут • C водой поступает 82 мкг/сут • С воздухом поступает 0, 09 -26 vru • Всасывание в ЖКТ: 0, 06% • Выведение с калом в 14 раз больше, чем с мочой 51
Токсичность Ba 2+ для организма • Ba по физико-химическим характеристикам сходен с Ca • Образует очень прочный и малорастворимый Ba 3(PO 4)2 в костной ткани, нервных клетках и мозговом веществе 52
Конец лекции 53
Скачать презентацию Химия биогенных элементов s -блока 1 Общая
Lektsia_5_Khimia_biogennykh_elementov_s-bloka.ppt