...
Головна » Биологические функции химических элементов в живом организме

Изучение влияния химических элементов на организм человека началось во второй половине 19 столетия. Так, уже в 1852 году имелись данные, свидетельствующие о зависимости функции щитовидной железы от наличия в организме йода Намного позже появилось сообщение, что печень служит основным депо меди в организме. В 1889 году было доказано наличие гитана в организме человека. Эти и другие исследования положили начало изучению химических элементов как постоянных составляющих частей в организме человека. На научную основу вопрос о биологической функции химических элементов в живом организме поставил В.И. Вернадский. В дальнейшем учение о биологической роли химических элементов было развито многими учеными (А.П. Виноградовым, В.В. Ковальским, ГА Бабенко, Шотте, Е. Андервудом и др.).

А.П. Виноградов и А.И. Войнар связывают биологические и физиологические свойства химических элементов с их физико-химическими особенностями и строением атомов. Физико-химические особенности действия микроэлементов заключаются в следующем. Основой всех биохимических процессов является трансформирование химической энергии в биоэнергию живого вещества. При этом конечным результатом является энергия активации биохимических реакций.

Биоорганохимические системы клеток живых организмов по природе своих химических связей слабоактивные. Обычные условия внешней среды (температура, атмосферное давление, кислотность и др.) не способствуют протеканию в них синтеза и распада сложных органических веществ. Поэтому для активирования процессов необходимы биологические катализаторы (ферменты), в активных, центрах которых в большинстве случаев содержится химический элемент-металл. Такие металлы являются биохимактиваторами, принимающими участие в снижении величины энергии активации биологических систем. Это снижение происходит при смещении их электронной плотности посредством индукционного эффекта. Благодаря этому реагирующие молекулы приходят в возбужденное состояние. Такую роль играют микроэлементы, расположенные в четвертом периоде периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Наиболее изученные из них — Мg, Fe, Co, Ni, Си, Zn. Они обладают большой потенциальной валентностью в возбужденном состоянии, проявляют большой индукционный эффект, особенно в системах с бидентатными связями, что обуславливает их активное участие в физиолого-биохимических процессах. Большинство приведенных химических микроэлементов обладает парамагнитными свойствами, что также играет роль в действии микроэлементов. Эти элементы имеют свободные (незаполненные) орбитали с большими побочными квантовыми числами, благодаря этому такие элементы могут участвовать в свободных радикальных реакциях в качестве инициаторов. Электроны указанных элементов способны при возбуждении диспергировать (разобщаться) и переходить па другие энергетические уровни. Вследствие сближенного расположения энергетических уровней, т.е. в связи со схожестью их свойств, электроны могут легко размещаться по энергетическим подуровням даже при слабом возбуждении. В комплексных соединениях с микроэлементами возникает индукционный эффект, передающийся по всей цепи сопряженных связей, что увеличивает потенциал системы, создавая равномерное возбуждение всех звеньев сложных органоминеральных соединений.

Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод о том, что основное физико-химическое действие ионов металлов, как катализаторов в биоорганокомплексах, заключается в том, что они приводят в возбужденное состояние электроны внутрикомплексной биоорганической системы благодаря сгущению вокруг себя электронной плотности, которая образуется в результате отрицательного индукционного эффекта. Эти физико-химические действия снижают энергию активации всей взятой системы, что вероятно делает возможным протекание в естественных условиях исключительно сложных биопроцессов при большой скорости.

Теория строения атомов химических элементов раскрывает физический смысл периодического закона, а именно: с увеличением заряда ядра атома происходит      закономерная      периодическая      повторяемость      сходных электронных структур и, следовательно, периодическая повторяемость свойств элементов. Как известно, свойства химических элементов зависят от местоположения их и периодической системе Д.И. Менделеева.

Биологическая роль элементов зависит от величины заряда ядра атомов, размера радиусов атомов и ионов, значения координационных чисел, энергии ионизации, сродства к электрону, электроотрицательной и др.

При изучении свойств химических элементов и их биологической роли удобнее всего пользоваться периодической системой элементов Д.И. Менделеева в длиннопериодном варианте Как известно, в зависимости от электронной конфигурации, т.е. последовательного заполнения электронами энергетических уровней и подуровней в атоме, все элементы подразделяют на s —, р —, d — и f — элементы (или так называемые семейства s -, р -, d - и f - элементов)

В длиннопериодном варианте периодической системы s - и р -элементы обозначены группами А Номер группы указывает на количество валентных электронов (1А — валентные Is — электроны). Валентные электроны s - и р - элементов расположены на внешнем энергетическом уровне; d — элементы обозначены группами В; у атомов d — элементов валентные электроны расположены на внешнем энергетическом уровне и на d — подуровне предпоследнего уровня.

К f - элементам относятся элементы, в атомах которых электроны застраивают f- подуровень третьего снаружи энергетического уровня.

При установлении зависимости химических свойств элементов от строения электронных оболочек их атомов необходимо учитывать не только число электронов в атомах и их распределение по уровням, но также относительные размеры атомов или образованных ими ионов, поскольку при сходных электронных структурах, с изменением размеров радиусов изменяются те или иные свойства элемента.

Таблица    2.    Электронная    структура элементов IA группы физические    константы
Символ элемента Электронная конфигурация Радиус атома, нм Потенциал
Li 1s22s1 0,156 5.39
Na ...2s22p63s1 0,192 5,14
K ...3s23p63s1 0,238 4,34
Rb ...4s23d104p65s2 0,251 4,17
Cs ...4s23d105p66s1 0,270 3,89
Fr ...6s24f145d106p67s1 0,280 3,98

Как следует из данных таблицы 2, атомы элементов IA группы имеют сходные электронные конфигурации, у каждого из элементов на внешнем энергетическом уровне один валентный электрон. В направлении сверху внизу увеличивается число энергетических уровней, а это влечет за собой увеличение радиусов атомов и уменьшение потенциала ионизации, что приводит к увеличению восстановительной способности атомов элементов.

В периоде слева направо с увеличением заряда ядра радиусы атомов уменьшаются (радиус атома лития равен 0,156 нм, а фтора — 0,072 нм). При этом потенциал ионизации увеличивается, и, соответственно, ослабевают восстановительные свойства атомов элементов. В конечном счете, в периодах слева направо металлические свойства элементов ослабевают.

Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева имеют большое значение в определении биологической роли того или иного элемента и его жизненной необходимости в организме.

Биологическая роль элементов в организме человека очень многогранна. Макроэлементы в основном играют роль пластического материала в построении клеток органов и тканей. Они составляют основную часть цитоплазмы. Это кальций, магний, калий, натрий, фосфор, сера, хлор. Макроэлементы поддерживают осмотическое давление, рН среды, кислотно-основное равновесие, включаются в различные реакции обмена веществ, влияют на состояние коллоидов.

Микроэлементы вместе с ферментами, гормонами, витаминами и другими биологически активными веществами (например, нуклеиновыми кислотами) участвуют в процессах размножения, роста, обмена белков, жиров, углеводов и т.д. Биологическая функция химических элементов в живом организме связана главным образом с процессами комплексообразования, о чем сказано выше. Ионы металлов, повышающие активность ферментов называются «активаторы».

Химические элементы играют важную роль в возникновении болезней человека, и в первую очередь сердечное осу дистьгх заболеваний, сахарного диабета и др. Многочисленные литературные данные свидетельствуют о существовании взаимосвязи заболеваемости, смертности, географического распространения сердечно - сосудистых заболеваний с уровнями таких элементов, как Mg, Ca, Cr, Cu, Zn, Se, Cd. Известны также эндемические болезни, вызываемые недостатком или избытком Си, F, Mn, Se. Также установлено, что избыток В, Sr, P в естественной среде может вызвать эндемические болезни как человека, так и животных. Дальнейшее изучение физических и химических свойств элементов позволит установить влияние тех или иных химических элементов на биологические процессы, т.е. их биологическую роль.