Главная

Популярная публикация

Научная публикация

Случайная публикация

Обратная связь

ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:






Элементы VIIB группы




Марганец Мn, технеций Тс и рений Re — элементы-ана­логи, образующие группу VIIB.

Из элементов VIIB-группы только марганец является биогенным элементом и одним из десяти металлов жизни, необходимых для нормального протекания процессов в жи­вых организмах.

Калий перманганат KMnO4 — наиболее известное соединение марган­ца, применяемое в медицине. Используют водные растворы с содержани­ем КМnО4 от 0,01 до 5%, В качестве кровоостанавливающего средства применяют 5%-ный раствор. Растворы калия перманганата обладают ан­тисептическими свойствами, которые определяются его высокой окисли­тельной способностью.

Перманганат КМnО4 хорошо растворим в воде. Перманганаты — сильные окислители. Это свойство используется в медицинской практике для дезинфекции, в фармакопейном анализе для идентификации Н2О2 путем взаимодействия с КМnО4 в кислой среде (перманганатометрия). Количественное содержание КМnО4 в препаратах Государственная фармакопея рекомендует оп­ределять иодометрически путем проведения реакции с KI в кислой среде.

Глубина превращения перманганата зависит от рН сре­ды, в которой протекает реакция. При сравнении стандартных окислительно-восстановительных потенциалов видно, что наиболее сильные окислительные свойства перманганат-ион проявляет в кислой среде:

МnО4 + 8Н++5е =Мn2+ + 4Н2О; = 1,52 В

МnО4 +2H2O+3e = MnO2 +4OH; = 1,23В

МnО4 + 1е = МnО42– ; =0,56 В

Высокую окислительную способность перманганата используют в эко­логии для оценки загрязненности сточных вод (перманганатный метод). По количеству окисленного (обесцвеченного) перманганата определяют содер­жание органических примесей в воде. Перманганатный метод (перманганатометрию) используют также в клинических лабораториях для определения содержания мочевой кислоты в крови.

Вследствие высокой окислительной способности кислород­ные соединения марганца в высших степенях окисления в организме не существуют.

Для организма перманганаты являются ядами, их обезв­реживание может происходить следующим образом:

2КМnО4+5Н2О2+6Н+ =2Мn2++2К+ +8Н2О+5О2

Для лечения острых отравлений перманганатом использу­ется 3%-ный водный раствор Н2О2, подкисленный уксусной кислотой.

Калий перманганат окисляет органические вещества кле­ток тканей и микробов. При этом КМnO4 восстанавливается до МnО2 Марганец (IV) оксид может также взаимодейство­вать с белками, образуя комплекс бурого цвета.

Под действием калия перманганата КМnО4 белки окисляются и свер­тываются (коагулируют). На этом основано его применение в качестве на­ружного препарата, обладающего противомикробными и прижигающими свойствами. При этом его действие проявляется только на поверхности ко­жи и слизистых оболочек. Окислительные свойства водного раствора КМnО4 используют для обезвреживания токсичных органических веществ. В результате окисления образуются менее токсичные продукты. Напри­мер, наркотик морфин превращается в биологически малоактивный оксиморфин.

Из других соединений марганца следует отметить марганец (II) суль­фат и марганец (II) хлорид, которые используют при лечении малокровия.

В теле взрослого человека содержится 12 мг (1,6 10–5 %). Марганец концентрируется в костях (43%), остальное — в мягких тканях, в том числе и в мозге.

В организме марганец образует металлокомплексы с бел­ками, нуклеиновыми кислотами, АТФ, АДФ, отдельными аминокислотами. Содержащие марганец металлоферменты: аргиназа, холинэстераза, фосфоглюкомутаза, пируваткарбоксилаза.

Связывание аммиака — токсичного продукта превращения аминокис­лот в организме млекопитающих осуществляется через аминокислоту ар­гинин. Аргиназа — фермент, катализирующий в печени гидролиз аргини­на. В результате аргинин расщепляется на мочевину и циклическую ами­нокислоту орнитин:

Мочевина — нетоксичное, растворимое в воде вещество. Оно потоком крови доставляется в почки и выводится с мочой.

Атомный радиус марганца 128 пм. Это объясняет то об­стоятельство, что марганец может замещать магний (атом­ный радиус 160 пм) в его соединении с АТФ, существенно влияя на перенос энергии в организме.

Гидролиза аденозинтрифосфата (АТФ) до аденозиндифосфата (АДФ) обеспечивает энер­гетику жизнедеятельности. В организме этот процесс активируется магни­ем в результате образования комплексов МgАТФ2– и MgAДФ. Однако установлено, что активацию могут осуществлять и ионы марганца Мn2+. При этом оказывается, что комплексы МnАТФ2– и МnАДФ более актив­ны. Участие марганца в гидролизе можно представить в виде:

Ионы Mg2+ и марганца Мn2+ осуществляют также активацию фермен­тов — нуклеаз. Эти ферменты катализируют в двенадцатиперстной кишке гидролиз нуклеиновых кислот ДНК и РНК. В результате эти биополиме­ры расщепляются на мономерные единицы — нуклеотиды. В частности такой нуклеазой является дезоксирибонуклеаза, которая катализирует гид­ролиз ДНК только в присутствии ионов Mg2+ или Мn2+.

Марганец может входить и в состав неорганических сое­динений организма. Это, например, малорастворимый марга­нец магний пирофосфат MnMgP2O7. Кристаллы этой соли локализуются на внутренней поверхности мембраны везикул.

Почти одинаковое значение атомного радиуса марганца (128 пм) и железа (126 пм) объясняет способность марганца замещать железо в порфириновом комплексе эритроцита. По той же причине марганец может замещать и цинк (атомный радиус 127 пм) в цинкзависимых ферментах, изменяя при этом их каталитические свойства.

О наличии технеция в живых организмах данных нет. Однако соединения технеция с бисфосфонатами используют для радио-изотопного метода диагностики. Метастабильный изотоп технеция 99Тс является излучителем лучей. В первые минуты после внутривенного введения препарата «Технефор», содержащего 99Тс, можно исследо­вать состояние мягких тканей, через 2—3 ч после введения — костных. Ниже приводится формула строения комплекса Тс с бисфосфонатом:

В соединении с бисфосфонатом технеций обычно четырех­валентен, при этом координационное число может быть рав­ным 6, что хорошо видно на схеме.

Таким образом, для решения медико-биологических задач используются не только соединения жизненно необходимого Мn, но и соединения искусственного элемента 99Тс.

 

§5. VIII Б-группы (семейство железа и семейство платины)

 

В VIIIB-группе периодической системы расположены хи­мические элементы — переходные металлы: Fe, Co, Ni, Rn, Rh, Pd, Os, Ir, Pt.

По распространенности в природе, применению соединений в медицине и технике и роли в организме железо стоит на первом месте в VIIIB-группе.

Железо Fe и кобальт Со — необходимые микроэлементы живых организмов.

Железо — биогенный элемент, содержится в тканях жи­вотных и растений. Общая масса железа в организме взрос­лого человека примерно 5г, что составляет 0,007%. Металли­ческое железо мало токсично, а соединения Fe(II), Fe(III) и Fe(VI) в больших количествах опасны для здоровья.

Наиболее важными с физиологической точки зрения яв­ляются железосодержащие белки: гемоглобин, миоглобин, цитохромы, пероксидазы, каталаза. Гемоглобин — главная составная часть эритроцитов. Общее содержание гемоглобина равно 700г, а кровь взрослых людей содержит в среднем около 14 – 15%. Обеспечивает внешнее дыха­ние, являясь переносчиком кислорода от легких к тканям. Миоглобин, цитохромы, каталаза обеспечивают клеточное дыхание. Например, в скелетной и сердечной мышце находится миоглобин. Он способен связывать до 14% общего количества кислорода в организме. Это его свойство играет важную роль в снабжение кислородом работающих мышц. Если при сокращение мышцы кровеносные капилляры её сжимаются и кровоток в некоторых участках мышцы прекращается, в течение некоторого времени сохраняется снабжение мышечных волокон кислородом.

Все эти белки состоят из собственно белковых частей и связанных с ними активных центров:

Активный центр представляет собой макроциклическое комплексное соединение — гем (от греч. — кровь). В качестве макроциклического лиганда выступает тетрадентантное соединение — порфирин. Донорные атомы азота распо­ложены по углам квадрата, в центре которого расположен ион железа. В целом, комплекс имеет октаэдрическую кон­фигурацию. Пятая орбиталь через азот аминокислоты — гистидина используется для связи тема с белком. Шестая ор­биталь свободна и может связывать различные низкомолеку­лярные лиганды R: O2, H2O2, CO, CN.

Гемоглобин состоит из четырех белковых молекул (субъ­единиц), которые образуют единый макромолекулярный агре­гат. Каждая субъединица по строению аналогична молекуле миоглобина. Таким образом, гемоглобин может одновременно связывать четыре молекулы О2 а миоглобин — одну.

В тканях имеется также несколько негемовых железо­содержащих белковых комплексов. Это, например, ферменты — оксидазы, а также белки — накопители (депо) и переносчи­ки железа. Избыток железа переносится с кровью белком — трансферрином и накапливается в виде белка — ферритина в различных тканях и органах, особенно в печени, селезенке, костном мозге. Трансферрин – класс железо связывающих молекул. Наиболее изученный – это трансферрин сыворотки – является транспортным белком, переносящим железо из обломков гемоглобина селезёнки и печени в костный мозг, где на специальных его участках вновь синтезируется гемоглобин. Весь сывороточный трансферрин, единовременно связывая только 4 мг железа, ежедневно переносит в костный мозг около 40мг железа – весьма существенное доказательство его эффективности как транспортного белка. Больные с генетически обусловленными нарушениями синтеза трансферрина страдают железодефицитной анемией, нарушениями иммунной системы и интоксикацией от избытка железа!

По химическому строению трансферрин – это гликопротеин с молекулярной массой около 80 000. Он состоит из одной полипептидной цепи, свёрнутой так, что она образует два компактных участка, каждый из которых способен связывать по одному иону железа (III). Правда, связывание железа возможно лишь при связывание аниона. В отсутствие подходящего аниона катион железа не присоединяется к трансфферину. В большинстве случаев в природе для этого используется карбонат, хотя активировать центр связывание металла способны и другие анионы, например оксалат, малонат, и цитрат.

Высокая устойчивость комплекса железа с трансферрином делает его отличным переносчиком, но зато и выдвигает проблему высвобождения железа из комплекса. Многие из хороших хелатирующих агентов малопригодны в качестве посредников при высвобождение железа. Наиболее эффективным из них оказался пирофосфат. Принимая во внимание существенную роль в связывание железа с транферрином, было бы логически предложить, что удаление аниона должно лежать в основе любого механизма высвобождение железа, однако никакой корреляции между способностью замещать карбонат в трансферриновом комплексе и их эффективностью как посредника в освобождение железа не найдено. В транспортной системе микробов отдача ионов железа переносчиком вызывается восстановлением их до Fe (II), но, как достоверно установлено, из трансферрина железо высвобождается в виде Fe (III). В органах млекопитающих железо в основном запасается в двух формах – ферритине и гемосидерине. Гемосидерин изучен не достаточно хорошо и, возможно, является продуктом распада ферритина. Ферритин (Мr 460000) в настоящее время охарактеризован довольно полно. Это водорастворимый белок, состоящий из 24 одинаковых субъединиц, которые составляют пустотелую сферическую оболочку. Во внутренней полости находится мицелярное ядро, содержание железа в котором примерно 57%. Мицела может содержать до 4500 атомов железа, если ферритин полностью насыщен железом (что не является обязательным). Белковую оболочку пронизывают шесть каналов, которые служат для приёма и отдачи железа.

Приём железа происходит при каталитическом окислении аппоферритином Fe (II) в Fe (III), а высвобождение – при восстановление Fe (II) восстановленными флавинами. В большинстве клеток синтез ферритина значительно ускоряется в присутствии железа; в клетках печени крыс синтез субъединиц проходит за 2 – 3 мин.

На основе законов химического равновесия нетрудно по­нять функционирование гемоглобина как переносчика кисло­рода от легких к тканям.

Гемоглобин без кислорода (дезоксигемоглобин) представ­ляет собой слабую кислоту и его химическую формулу мож­но представить в виде ННb+ Карбонилгемоглобин представляет собой соединение гемоглобина с угарным газом. Это соединение примерно в 150 – 300 раз прочнее, чем соединение гемоглобина с кислородом. Поэтому примесь даже 0,1% угарного газа во вдыхаемом воздухе ведёт к тому, что 80% гемоглобина оказываются связанными с окисью углерода и не присоединяют кислород, что является опасным для жизни.

Присоединение кислорода со­провождается отщеплением протона и образуется оксигемоглобин НbO2. При этом имеет место равновесие:

Оксигемоглобин несколько отличается по цвету от гемоглобина, поэтому артериальная кровь, содержащая оксигемоглобин, имеет ярко - алый цвет. Притом тем более яркий, чем полнее произошло её насыщение кислородом. Венозная кровь, содержащая большое количество восстановленного гемоглобина, имеет тёмно – вишнёвый цвет. При поступлении бедной кислородом венозной крови в легкие, где парциальное давление кислорода велико (до 20 кПа), его растворимость возрастает согласно закону Генри. Это приводит в соответствии с принципом Ле Шателье к смещению равновесия вправо и образованию оксигемоглобина. Дополнительное смещение равновесия вправо обусловле­но тем, что в легких значение рН повышено (до 7,5). В ре­зультате в легких дезоксигемоглобин практически полностью (до 97%) насыщается кислородом и переходит в оксигемоглобин. В капиллярах, пронизывающих периферические тка­ни, парциальное давление кислорода снижается до 5 кПа, а значение рН снижается до 7,2. В результате равновесие сме­щается влево. В оттекающей с периферии крови гемоглобин насыщен кислородом лишь на 65%.

Таким образом, при циркуляции крови в организме равновесие ННb+ + О2 ó HbО2 + Н+ периодически сильно смещается (на 35%) то вправо, то влево.

Металлокомплексные свойства гемсодержащих белков проявляются при действии таких токсических веществ как СО (угарный газ) и MCN (цианиды — соли синильной кис­лоты).

Углерод моноксид СО — один из продуктов неполного сгорания топлива. Значительные количества этого газа выде­ляются при работе котельных, двигателей внутреннего сгора­ния, курении. При вдыхании СО с воздухом в легких парал­лельно с оксигемоглобином НbО2 образуется металлокомплексное соединение — карбонилгемоглобин НbСО. Констан­та устойчивости НbСО примерно в двести раз больше, чем у НbО2. Поэтому даже малые количества СО «перехватыва­ют» значительную долю дезоксигемоглобина. В результате поступление кислорода к органам уменьшается. Появляются признаки гипоксии — кислородной недостаточности. В пер­вую очередь страдают нервные ткани. Для детоксикации — устранения отравляющего действия углерод моноксида во многих случаях достаточно прекратить его поступление и усилить кислородную вентиляцию — вывести пострадавшего на «свежий» воздух. При этом опять работает принцип Ле Шателье — равновесие смещается в сторону образования оксигемоглобина.

При больших концентрациях углерод моноксид блокирует гемсодержащие белки клеточного дыхания и трудно избе­жать летального исхода.

Аналогичен механизм действия цианидов. Но их токсич­ность выше, чем для СО. Поступление в кровь даже очень небольших количеств этих веществ приводит к остановке ды­хания и летальному исходу. Высокая токсичность цианидов объясняется высокой прочностью связи Fe — CN, что обус­ловливает большую устойчивость цианидгемоглобина.

Кислородное дыхание приводит к образованию водород-пероксида Н2О2. Это вещество обладает высокой окислитель­ной способностью. При его взаимодействии с биоорганически­ми соединениями клеток образуются радикалы — очень ак­тивные молекулярные частицы с ненасыщенной валентно­стью и инициируется пероксидное окисление. Под действием радикалов разрушаются важнейшие составные части клетки — мембраны и ДНК. В ходе биологической эволюции природа выработала особый белок – фермент каталазу, которая разрушает водородпероксид. Тем самым ограничивается из­быточное накопление этого вещества и предотвращается разрушение клетки.

Действие каталазы (CatFe2+) может быть представлено в виде каталитического цикла из двух последовательных реак­ций:

В результате разрушаются две молекулы водородпероксида, а молекула биокатализатора CatFe2+ освобождается и может вступать в следующий каталитический цикл. Этот процесс очень быстрый. В течение секунды 1 молекула каталазы может осуществлять до 20 000 циклов.

При недостатке в организме железа может развиваться болезнь — железодефицитная анемия (малокровие). Возни­кает тканевая кислородная недостаточность, связанная с не­хваткой железа для синтеза гемоглобина. В результате до­ставка кислорода к периферическим органам снижается, и, соответственно, понижается уровень клеточного дыхания, за­медляется обмен веществ.

Введение в качестве лекарственных препаратов — железа (II) хлорида или железа (II) сульфата ослабляет остроту заболевания. Для этих же целей используется мелкодисперс­ный порошок металлического железа (железо восстановлен­ное, до 1 г на прием), который легко растворяется в соляной кислоте желудочного сока. Поэтому действие этого препара­та аналогично действию железа (II) хлорида. Однако более эффективны препараты, представляющие собой бионеоргани­ческие комплексы железа с сахарами (глюкоза), никотинамидом и дру­гими органическими веществами (аскорбиновой кислотой). Примерами таких препаратов могут служить тотема, ферроплекс, сорбифер и др. Такие комплексы хорошо всасываются в кровь, с чем и связана их фармакологиче­ская эффективность.

Интересно отметить, что с древних времен до настоящего времени для лечения железодефицитной анемии применяют так называемое «железное вино» — напиток, который полу­чают путем настаивания виноградного вина на железных опилках. Очевидно, железо растворяется в вине (кислая сре­да) и образует комплексы с природными органическими ве­ществами, которые содержатся в нем в больших количест­вах. Понятно, что механизм действия древнего напитка при­мерно тот же, что и у современных препаратов.

Кобальт. Как и железо, кобальт также является одним из важнейших биогенных элементов. Общая масса кобальта в ор­ганизме взрослого человека примерно 1,2 мг, что составляет менее 2-10–6 %. Около 100 мг из этой массы находится в фор­ме цианокобаламина (жирорастворимый витамин В12) и его аналогов. Это вещество, как и гем, представляет собой макроциклическое комплексной соединение:

В качестве макроциклического лиганда выступает тетрадентатное соединение — порфин. R представляет собой сложный органический заместитель. В аналогах цианокобаламина вместо аниона СN выступают различные органиче­ские заместители.

Наиболее важную роль витамин B12 играет в развитии и формировании эритроцитов (эритропоэз). Дефицит витамина В12 (поступление менее 3 мкг в сутки) приводит к тяжелому заболеванию — злокачественной анемии (малокровии).

Установлено, что аналоги цианокобаламина являются ак­тиваторами — кофакторами различных ферментов, участву­ющих в эритропоэзе. Недостаток кофакторов проявляется в дефиците гемоглобина и эритроцитов.

Растения и животные не могут синтезировать витамин B12. Его вырабатывают лишь некоторые виды бактерий. В желудочно-кишечном тракте человека такие бактерии име­ются. Они синтезируют достаточное количество витамина В12. Злокачественная анемия связана с нарушением всасы­вания этого витамина в кровь. Поэтому прием таблеток ма­ло эффективно. Инъекция витамина (100—200 мкг в течение 2 сут) в кровь существенно улучшает состояние больного при злокачественном малокровии.

 

Семейство платины






Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2024 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных