Химические свойства d-елементов

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 20

1. Охарактеризуйте сущность, достоинства и недостатки биомеханичес­кого метода.

2. Пространственно-временные характеристики (скорость, ускорение точки и тела).

3. Методика счета линейных скоростей точек при выполнении движений по промеру.

Утверждено на заседании кафедры теоретических основ физической культуры и спорта

«26» ноября 20 13 г. № 5

И.о. зав. кафедрой Т. К. Ким

Как отмечалось, биологическая роль химических элементов определяется в первую очередь строением электронных оболочек их атомов. d-Элементы еще называют переходными элементами, поскольку они имеют переменные степени окисления. Из перечисленных выше биоэлементов, только Цинк, имея завершенную 18 электронную оболочку, характеризуется постоянным значением степени окисления +2, и поэтому он не принадлежит к переходным элементам.

От строения атомов зависят химические свойства как самих элементов, так и их соединений. Эти свойства сказываются в способности d-элементов вступать в разнообразные химические реакции: кислотно-основные, протолитические, окислительно-восстановительные и др.

Кислотно-основные свойства d-элементов сказываются в отношении их окислов, гидратних соединений этих окислов, а также солей к воде, кислотам, щелочам и индикаторам. Поскольку большинство металлов этой группы имеют переменную валентность, то они имеют несколько оксидов. Этим оксидам отвечают разные гидратные соединения – кислоты или основания, в зависимости от валентности элемента.

Так, окисид хрома (П) и его гидроксид проявляють основные свойства, окислы и гидроксиды хрома (Ш) – амфотерные, а элемента с высшей степенью окисления (YI) – кислотные свойства, ему отвечают две кислоти- хромовая и дихромовая. Аналогичные закономерности кислотно-основного характера проявляют оксиды и ответственные им гидратные соединения Ферума, Мерганца и других d-елементов.

Соединения Цинка и Хрома (Ш) выявляют типичные амфотерные свойства. Под амфотерностю понимают способность химического соединения взаимодействовать как с кислотами, так и с основаниями.

Слабо выраженные амфотерные свойства имеют также соединения Мерганца и Железа.

В связи с тем, что биохимические реакции преимущественно происходят в водных растворах (в организме человека содержится около 60 % воды), то большое значение имеет растворимость соединений в воде. Под растворимостью понимают их способность всасываться в пищеварительном канале и попадать в кровь. Например, растворимые соединения таких химических элементов, как Hg, Cd, Pb, Be принадлежат к высокотоксичным, тогда как малорастворимые соединения этих элементов менее токсичные. На растворимость неорганических соединений в воде влияет природа катиона металла, причем растворимость соединений уменьшается с увеличением порядкового номера элемента.

Растворимость солей в воде зависит от природы аниона. Определяя растворимость солей по аниону и катиону, нужно пользоваться таблицей растворимости солей.

К кислотно-основным процессам принадлежат также реакции гидролиза солей. Поскольку соли d-элементов образованы катионами слабых малорастворимых оснований, то практически все растворимые в воде соли подлежат гидролизу по катиону, в результате чего образуются основные соли и кислота, которая и предопределяет кислотную реакцию среды (рН < 7).

Соли переходных металлов, что содержат катион слабого основания и анион слабой кислоты, в водных растворах практически не существуют, поскольку они полностью гидролизуются.

Способность веществ к гидролизу учитывают при разработке врачебных форм медицинских препаратов, которые принадлежат к солям минеральных или органических кислот, а также при хранении таких веществ. Если в результате гидролиза солей, используюемых как лекарственные средства, происходит образование малорастворимых продуктов, то в таких случаях значительно уменьшается или становится практически невозможным усвоение их организмом.

Кислотно-основные реакции играют важную роль в поддержке кислотно-основного равновесия физиологических жидкостей.

Окислительно-восстановительные свойства связаны со способностью элементов и их соединений отдавать или присоединять электроны, то есть изменять в процессе реакции степень окисления.

В свободном состоянии металлы выступают донорами электронов, то есть отдают свои валентные электроны другому атому и поэтому являются восстановителями. По сравнению с s-елементами, металлы из семейства d-элементов характеризуются меньшей активностью.

Переходные элементы имеют незавершенную d-электронную оболочку и поэтому степень окисления их в соединениях является переменной. С этим связана многогранность окислительно-восстановительных реакций d-элементов.

Можно сделать такие выводы относительно окислительно-восстановительных свойств d-элементов:

1. Катионы металлов с наименьшими значениями степеней окисления выступают восстановителями.

2. Катионы металлов или элемент в составе аниона с наибольшим значением степени окисления выступают окислителями.

3. Элемент в составе катиона или аниона с промежуточной степенью окисления проявляет двоякие функции – окислителя или возсстановителя.

4. d-Элементы с высшими значениями степеней окисления существуют преимущественно в форме анионов, а с низшими – в форме катионов.

5. Окислительно-восстановительные реакции происходят в направлении образования более слабых окислителей и восстановителей.

Реакции комплексообразования. Известно, что переходные металлы, особенно такие как никель, палладий, платина, ванадий, железо и их окислы, способны ускорять некоторые химические реакции – окисления-восстановления, гидратирования, дегидратирования и др. Каталитическое действие этих металлов объясняют образованием промежуточных соединений (активированных комплексов), что приводит к снижению энергии активации реакции. Это свойство d-элементов и их соединений широко используют в органической химии.

Высокую каталитическую активность проявляют d-элементы и в составе разных биокомплексов. Так, биологические функции микроэлементов в живых системах тесно связаны с процессами комплексообразования между ними и биолигандами – белками, витаминами, порфиринами и тому подобное. Все d-элементи имеют большую способность к образованию координационных соединений с разными биолигандами.

Пространственное строение биомолекул является определяющим фактором их способности к функционированию в живых системах. Как правило, все биокомплексы имеют значительно более сложное геометрическое строение, чем обычные комплексные соединения. Изучение химического состава ферментов показало, что все они содержат белок, который в пространстве имеет вторичную, третичную и четвертичную структуру. На белковых молекулах есть зоны (активные центры), в состав которых преимущественно входят ионы металлов и на которых происходит ферментная реакция.

Биологическая роль d-елементов и их соединений.

Ферум (Fe). Ионы Железа (П) и Железа (Ш) имеют важное значение для жизнедеятельности организма человека. Они необходимы для процессов кроветворения, нормальной деятельности многих ферментов, перенесения кислорода от легких к тканям, а также электронов в цепи дыхания.

Общее содержание Ферума в организме составляет около 5 г; много его в печенке (500 – 600 мг), мышцах (400 – 450 мг), костном мозге (250 – 300 мг), однако 60 – 70% от его общей массы содержится в эритроцитах и нервных клетках. Ферум, что входит в состав биологических систем разделяют на гемовый и негемовый. Ферум в виде двувалентных ионов, что входит в состав порфиринових комплексов, - гемоглобина, метгемоглобина, цитохромов, называют гемовым, а в составе всех других биологически ативних соединений – феритина, гемосидерина, лактоферина, ферумсульфосодержащих белков – называют негемовым.

Среди белков, имеющих ионы Ферума (П) в гемах, наибольшее значение имеют гемоглобин и метгемоглобин. Гемоглобин, как очень важный компонент эритроцитов крови, обеспечивает связывание и перенесение кислорода от легких во все органы, а миоглобин – сохранение запасов кислорода в мышцах. Состав и структура этих белков детально изучена.

Установлено, что ион Железа (П) связанный с четырьмя атомами азота пирольного кольца протопорфирина и с пятым атомом имидазольного цикла гистидина, входящего в состав белковой части молекулы – глобина, шестая свободная координационная связь иона Железа используется для связывания кислорода. Степень окисления Ферума при этом не изменяется, а сам комплекс называют оксигемоглобином. Этот комплекс образується в легких, а в клетках, - отдает кислород и превращается в гемоглобин. Если ионы двухвалентного Ферума окислить в ионы трехвалентного, то такой комплекс теряет способность присоединять кислород.

В одном литре крови человека содержится в среднем 4,5 · 1012 эритроцитов и в каждом из них имеется около 400 млн молекул гемоглобина.

Если человек попадает в атмосферу угарного газа СО, то гемоглобин соединяется с молекулами окиси углерода и преобразуются в карбоксигемоглобин, который харакеризується большей стойкостью. Он не лабильный, тяжело разрушается и не выполняет функцию транспортировки кислорода. Поэтому в атмосфере угарного газа возникают смертельные отравления организма. Предельно допустимая концентрация СО в воздухе населенных пунктов не должна превышать 0, 075 мг/м³.

Ферум входит в состав других биологически активных соединений, в частности цитохромов, которые являются носителями электронов в цепи дыхания. Разница в действии этого комплекса заключается в том, что ионы Ферума в нем изменяют степень окисления, что создает возможность перемещения электронов от одного цитохрома к другому.

Кроме цитохромов, в процессах перенесения электронов принимают участие и ферум-сульфуросодержащие белки, которые выполняют функцию транспортировки электронов в процессах синтеза АТФ, фотосинтеза, фиксации атмосферного азота и углекислого газа, принимают участие в окислительно-восстановительных процессах разных форм жизни.

Необходимо отметить, что эритроциты крови через определенное время (80-120 дней) разрушаются и меняются новыми, но после их разложения Ферум не выводится из организма, а соединяется с другими белками, образовывая биокомплекс – феритин, который регенерируется кроветворными органами и опять превращается в гемоглобин.

Ферум имеет большое значение для организма человека, суточная потребность в нем составляет 20-30 мг. Этот биоэлемент в достаточном количестве содержится в разнообразных продуктах питания: легкие, печенка, овсяная, рисовая та гречневая крупы, шпинат, яйца, яблоки, гранат, красная и черная икра и др.

Чаще всего дефицит Ферума в организме возникает не в следствие недостаточного поступления его с продуктами питания, а как результат нарушения функции всасывания и усвоения его организмом. При нехватке в организме соединений железа развиваются разные болезни крови, так называемые, - железодефицитные анемии, в результате которых уменьшается общее количество эритроцитов и содержание в них гемоглобина.

Купрум (Cu). Известно более 30 разных белков и ферментов, в составе которых находятся ионы Купрума (I) или Купрума (ІІ). Ионы меди принимают участие в процессах дыхания тканей, роста и кроветворения, способствуют синтезу гемоглобина в организме. Они усиливают действие инсулина и гормонов гипофиза, влияя на обмен сахаров и жиров.

Кроме того, ионы меди регулируют водно-электролитный обмен, поскольку способствуют выведению из организма воды, задерживают Кальций и фостаты, но не влияют на выведение хлоридов.

Дефицит этого биоэлемента может вызывать анемию, патологический рост костей, дефекты соединительной ткани, заболевания кожи.

Наибольшее количество меди содержится в печени и головном мозге. Уровень этого микроэлемента изменяется при инфекционных заболеваниях мозга (в частности энцефалите) и в результате некоторых других нарушений функций головного мозга (шизофрения, эпилепсия). Поэтому соединения меди используют для снижения возбуждения ЦНС при психических заболеваниях.

Общая портебность взрослого человека в этом биоэлементе составляет 2-3 мг в сутки. Содержание Купрума пополняется за счет пищевых продуктов, особенно круп, гороха, хлеба, грибов, клюквы, мяса и др.

При избытке меди в организме он накапливаетмя в тканях и вызывает токсикоз (болезнь Вильямса). У животных наблюдают перерождения клеток печени, возникновение цирроза и панкреатитов.

Цинк (Zn) – один из самых распространенных микроэлементов организма, поскольку занимает второе место после железа.

В настоящее время известно более 40 разнообразных ферментов, которые содержат в структуре активных центров этот химический элемент.

Самым изученым ферментом, содержащим Цинк, является карбоксипептидаза – гидролитический энзим, который катализирует реакцию разложения белков до аминокислот. Еще один важныйфермент, это – алкогольдегидрогеназа, который действует в печени, обеспечивая оксиление и метаболизм этилового спирта, и инсулин, содержащийся в поджелудочной железе и ускоряющий процесс метаболизма глюкозы.

Биологическая роль этого элемента связана с железами внутренней секреции, в которых он и концентрируется. Поскольку он способствует заживлению ран, то цинковые мази издавна применяют в дерматологии.

Марганец (Mn) – важный микроэлемент для жизнедеятельности организма. Он влияет на рост человека, необходим для образования костей, сохранения репродуктивной функции организма, метаболизма глюкозы и липидов. Преимущественно он входит в состав ферментных систем, которые ускоряют окислительно-восстановительные реакции внутриклеточного обмена веществ.

Следовательно, ферменты, которые содержат марганец, катализируют сложные процессы клеточного дыхания, усиливают обмен углеводов и жиров, способствуют синтезу витамина С и обмену витаминов группы В и Е.

В организме человека содержится приблизительно 20 мг марганца, причем в костях – 43%, а остальные в тканях и мозге. Он входит в состав продуктов питания – больше всего его в крупах, муке, малине, смородине, клюкве, капусте, горохе, шпинате.

При дефиците этого микроэлемента нарушается фосфорно-кальциевый обмен, что приводит к возникновению рахита. марганец ускоряет процесс образования антител, которые обезвреживают чужеродные для организма белки, усиливает синтез гормонов щитовидной железы.

Учитывая многогранное действие марганца, его соединения используют в медицинской практике при невритах и в случаях заболевания кроветворных органов.

Хром (Cr). Этот биоэлемент принадлежит к микроэлементам, но играет важную роль в функционировании биосистем. Он влияет на обмен углеводов, липидов и нуклеиновых кислот, активирует действие инсулина.

Доказано, что содержание Хрома в крови снижается при старении или истощении организма. Улучшая общий обмен веществ, его соединения замедляют процесс старения организма.

В медицинской практике для лечения диабета используют пиколинат хрома.

Суточная потребность Хрома составляет 0,05 - 2,5 мг. Богатые хромом такие продукты питания, как чай, шпинат, сельдь, овсяная крупа, печенка, говядина.

Избыток этого элемента в организме вызывает повреждение легочной ткани и развитие злокачественных опухолей.

Никель (Ni). Наибольшее содержание этого биоэлемента обнаружено в поджелудочной железе, печени, коже и роговице глаза.

Биологическая роль его была установлена недавно, когда его впервые обнаружили в составе фермента уреази, катализирующей разложение мочевины до аммиака и углекислого газа. Кроме того, Никель выступает активатором таких ферментов, как ангидраза, карбоксилаза, трипсин. Он ускоряет регенерацию белков, улучшает процесс пигментации кожи, влияет на обмен углеводов и морфологию крови, поскольку нормализует в ней содержание гемоглобина.

Содержание Никеля в крови человека уменьшается с возрастом и при анемиях. Однако его уровень почти вдвое увеличивается при инфаркте миокарда, что может быть дополнительным диагностическим критерием этого заболевания.

Дата добавления: 2015-05-10