Учебное пособие Пятигорск 2014 (075. 8) Ббк 24. 1я73 б 63

Тема IV. d-элементы I, II группы: медь, серебро, цинк, ртуть . . . . . . . . . . . . . 74

Раздел IV. Биогенные элементы s-семейства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

стронций, барий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Тематика учебного пособия «Биогенные и токсичные элементы» предложена в связи с введением в практику фармацевтического образования компетентностного обучения, которое нацеливает студентов на конечный результат: самостоятельное приобретение конкретных знаний, умений, владений, необходимых для эффективной практической деятельности специалиста-провизора.

Знание химических основ лечебного действия неорганических лекарственных веществ и химических основ токсического действия неорганических соединений закладывает основы для формирования профессиональных компетенций.

В основе изложения материала использован принцип классификации по семействам: р, d, s. В пособии рассматриваются вопросы, связанные с применением неорганических соединений в качестве лекарственных препаратов, реактивов в фармации, биологическая роль и химические основы их токсического действия.

Пособие состоит из IV разделов:

Раздел I. Общая характеристика биоэлементов.

Раздел II. Биогенные элементы р-семейства.

Раздел III. Биогенные элементы d-семейства.

Раздел IV. Биогенные элементы s-семейства.

Раздел I посвящается классификации и топографии элементов; взаимосвязи между электронным строением, биологической ролью элементов и их токсичностью; роли биогенных элементов в организме; токсикологической роли элементов и их неорганических соединений; применению неорганических соединений в медицине и фармации.

Разделы II, III, IV посвящены описанию биологической роли, химическим основам лечебного и токсического действия неорганических веществ.

В пособие включены тестовые задания для самоконтроля и ответы к ним.

1. 
   Классификация и топография элементов.
   
2. 
   Взаимосвязь между электронным строением, биологической ролью элементов и их токсичностью.
   
3. 
   Роль биогенных элементов в организме.
   
4. 
   Токсикологическая роль элементов и их неорганических соединений.
   
5. 
   Применение неорганических соединений в медицине и фармации.
   

Топография элементов в организме чрезвычайно многообразна. Органы и ткани человека по-разному концентрируют в себе различные хи­мические элементы. Большинство микроэлементов накапливаются в печени, костной и мышечной тканях. Некоторые элементы могут концентрироваться в больших количествах в определенных органах. Например, Zn – в поджелудочной железе, I – в щитовидной, F – в эмали зубов; Al, As, V – в волосах и ногтях; Cd, Hg, Mo- в почках; Ba – в пигментной сетчатке глаза; Br, Mn, Cr – в гипофи­зе и т.д. Макроэлементы С, H, O, N, S, P – входят в состав белков, нуклеиновых кислот и других биологически активных соединений, Кроме того, Н и 0 являются составными частями воды, на долю ко­торой приходится 65% от массы организма взрослого человека. C, H и O входят в состав углеводов и жиров. Ca концентрируется в костной ткани в виде Ca₃(PO₄)₂ и в основном содер­жится в неклеточных жидкостях, а K и Mg – во внутриклеточных.

Большую долю вещества живых организмов составляют элементы, которые имеют довольно высокую распространенность в биосфере и земной коре (O, H, K, Ca, Mg, Na и др). Однако есть исключения (Si, Al – много в земной коре и микроколичества в живых орга­низмах).
2. Взаимосвязь между электронным строением, биологической ролью

элементов и их токсичностью
Количественное содержание и биологическая роль химических элементов обратно пропорциональна их порядковым номерам. Поэтому основу организма человека составляют элементы первых четырех пе­риодов Периодической системы. В основном это р-элементы (C, O, N, P, S, Cl) и s-элементы (H, Na, K, Ca, Mg). Большинство ме­таллов жизни – d-элементы 4 периода (Fe, Co, Cu, Mn, Zn, V). Исключением являются d-элемент Mo и р-элемент I, которые расположены в 5 периоде. Большинство элементов 5, 6 и 7 периодов чужеродны и очень токсичны для организма (Hg, Ag, Cd, Sr, Ba, Tl, Pb, Sn). Существует прямая зависимость между величиной радиуса и токсичностью: чем больше эффективный радиус, тем более токси­чен элемент (Hg, Tl, Pb), однако есть исключение (Be, As).

3. Роль биогенных элементов в организме
Основу живых систем составляют элементы-органогены (С, Н, O, N, P, S). Органогеном номер один является углерод (содержание в орга­низме 21,15%). Как основа структуры всех органических веществ, О и Н являются носителями окислительных и восстановительных свойств органических соединений. Соотношение О и Н в биомолекулах определяет тенденцию этих соединений к диспропорционированию и взаимодействию их с водой – внутренней средой живых организмов. Остальные три органогена – N, P, S – являются активными центрами ферментов и входят в состав белков – основы жизни. Для органоге­нов характерно образование растворимых в воде соединений, что спо­собствует их концентрированию в живых организмах. Характерным для органогенов, а также для некоторых биометаллов (Fe, Mg и др.) является исключительное разнообразие образуемых ими связей. Это в значительной мере определяет разнообразие биомолекул в живых организмах.

Второй группой после органогенов являются металлы жизни (Na, K, Ca, Mg, Cu, Co, Fe, Zn, Mo, Mn, V) и два неметалла (Cl и I). Они постоянно содержатся в организме человека, входят в состав ферментов, гормонов и вита­минов. Их задача осуществлять жизненные процессы в организме. Однако, некоторые из них используются организмом как структурная основа тканей, например, Ca, Mg – структурная основа костной ткани. Дефицит жизненно необходи­мых элементов приводит к серьезным нарушениям жизненных процес­сов. Примесные элементы – это элементы, постоянно содержащиеся в организме человека и животных в очень малых количествах. Био­логическая роль их недостаточно выяснена или неизвестна.

Биологическая роль химических элементов в организме чрезвы­чайно многообразна. Главная функция макроэлементов состоит в по­строении тканей, поддержании постоянства осмотического давления, ионного, и кислотно-основного и металло-лигандного гомеостаза. Микроэлементы участвуют в обмене веществ, процессах размножения, тканевого дыхания, обез­вреживания токсических веществ, активно влияют на процессы кро­ветворения, окисления-восстановления и др.

Если происходит замещение одних ионов химических элементов другими с усилением их активности, то такое явление называется синергизмом, а с угне­тением активности – антагонизмом (например, для Na – Li является синергистом, а K – антагонистом).

Биогенные элементы играют важную роль в жизни растений. Поэтому они нашли широкое применение в сельском хо­зяйстве. Добавление в почву незначительных количеств микроэлемен­тов (B, Cu, Mg, Zn, Co, Mo) резко повышает урожайность многих культур. Микроэлементы, увеличивая активность ферментов в растениях, способствуют синтезу белков, витаминов, нуклеиновых кислот, углеводов. Некоторые элементы положительно действуют на фотосинтез, ускоренный рост и развитие растений, созревание се­мян. Микроэлементы добавляют в корм животных, чтобы повысить их продуктивность.
4. Токсикологическая роль элементов и их неорганических соединений
Токсичными в основном являются элементы с высокой величиной эффективного радиуса (Hg, Cd, Ag, Pb, Ba, Be, Ti и др.). Их токсическое действие связано с тем, что они образуют прочные комплексы с сульфгидрильными (тиоловыми) SH–группами белков:

R–S–H + Hg²⁺ + R–S–H  R–S–Hg–S–R + 2H⁺

Большинство микроэлементов в норме характеризуется высоким биологическим значением для жизнедеятельности организма, однако при избыточном содержании они вредны и даже токсичны.

5. Применение неорганических соединений в медицине и фармации
В медицине и фармации применяются многие химические элементы как в свободном состоянии, так и в виде различных неорганических соедине­ний. В виде простых веществ используются некоторые металлы (Fe, Cr, Mn, Cu, Ni, Ag, Au) для изготовления медицинского инстру­ментария, оборудования, для зубопротезировании. Ряд простых веществ (O₂, O₃, C, S) используются как лекарственные средства. Многие неорганические соединения применяют как лекарственные препараты, некоторые из них явля­ются фармакопейными. В их состав входят как жизненно важные био­генные элементы, так и токсичные элементы. Для лекарственных препаратов очень важна дозировка: многие из них в малых дозах являются лекарством, а в больших – ядом для организма. Неорганические соединения широко используются в анализе лекарственных веществ как реактивы, в качестве диагностических средств, в зубопротезной практике, а также как вспомогательные вещества в фармацевтической технологии.

Таким образом, изучение биологической роли, выяснение химических основ лечебного и токсического действия неорганических соединений Периодической системы необходимое условие для формирования начальных основ профессиональных компетенций.