Металлы жизни

                                  ВВЕДЕНИЕ. 

      На грани химии,  биологии и медицины  возникла новая  научная область  –

бионеорганическая химия. Бионеорганическая  химия рассматривает  роль

металлов  в возникновении  и развитии различных  процессов в здоровом и

больном организме, создаёт  новые эффективные  препараты на основе

металлоорганических соединений, активно  участвует в борьбе за сохранение

здоровья  людей и продление  человеческой жизни.

      Особенно чутко  организм реагирует  на изменение концентрации

микроэлементов, т.е. элементов, присутствующих в организме в количестве

меньше  одного грамма на 70кг массы человеческого  тела. К таким элементам

относятся медь, цинк, марганец, кобальт, железо, никель, молибден.

      Доказано, что с  изменением концентрации  цинка связано течение раковых

заболеваний, кобальта и марганца – заболевание  сердечной мышцы, никеля –

процессов свёртывания крови. Определение концентрации этих элементов в

крови позволяет иногда обнаружить ранние стадии различных заболеваний. Так,

изменение концентрации цинка в сыворотке крови связано с протеканием

заболевания печени и селезёнки, а концентраций кобальта и хрома – некоторых

сердечно-сосудистых заболеваний.

      По мнению специалистов, современное человечество, особенно в больших

городах, живёт на грани скрытой нехватки многих элементов. В стрессовых

ситуациях скрытая нехватка может стать явной  и привести к появлению  тяжёлых

заболеваний. Так, например, скрытое  течение рака может  продолжаться от 5 до

40 лет, что, возможно, обусловлено постепенным изменением концентрации

микроэлементов  вследствие старения организма. С другой стороны, существуют

предположения о том, что целенаправленное изменение концентрации различных

элементов в организме может  быть использовано для  продления жизни  человека.

      В настоящее время известно более ста химических элементов, однако

только  небольшое число  из них входит в  состав живого на планете  Земля. На

таблице1 представлена периодическая  система Д.И.Менделеева, в которой

отмечены  основные элементы, играющие особо важную роль в физиологических и

патологических  процессах в организме  человека. Красным  цветом обозначены 16

    « элементов жизни  » : 10 металлов (Na, K, Mg, Ca, Zn, Cu, Co, Mn, Fe,

Mo) и 6 неметаллов (H, O, N, C, P, S), составляющих основу  биологически

важных молекул и макромолекул. Синим цветом показаны элементы, находящиеся

в небольших количествах  в живых организмах и растениях (B, Cr, F, Cl, Br,

I).

      В организме человека  уже давно и  точно определился  баланс оптимальных

концентраций  биологически важных соединений между их поступлением и

выведением  в результате жизнедеятельности.

      Исходя из современной  квантомеханической  интерпретации периодической

системы, классификация элементов  проводится в соответсвии  с их электронной

конфигурацией. Она основана на степени заполнения различных электонных

орбиталей(s, p, d, f) электронами. В  соответствии с этим элементы

подразделяют  на s-,p-, d-,f- элементы.

      В организме человека  присутствуют в  основном ионы  лёгких металлов

Na+,K+,Mg2+,Cu2+, относящихся к s-элементам, и ионы

Mn2+,Fe2+,Co3+,Cu2+,Zn2+ относящиеся к  d-элементам. И  только содержащийся  в

организме тяжёлый d-элемент  молибден (Мо) –  нарушает общую

биогеохимическую  установку – построение биологических структур только из

лёгких  элементов. Все эти  металлы встречаются в нашем организме в виде

твёрдых соединений или в  виде их водных растворов.

      Исследование физиологической  роли металлов, а  также их значения  в

диагностике, профилактике и лечении  болезней является одним  из новых

направлений в медицинской науке. Наиболее показательно при этом изучение

состава металлов в крови  человека (табл2). Процессы превращения

(метаболические  процессы ) протекают  здесь наиболее  интенсивно. Средняя

продолжительность жизни большинства  элементов крови  составляет не более

нескольких  часов или суток.

      Концентрации элементов  в таблице2 приведены  к общему объёму  крови 5-

6л, ph 7.35-7.42 .Концентрации в  микромолях отмечены  звёздочкой. 

                                 S-ЭЛЕМЕНТЫ. 

      К s-элементам относятся  элементы I и II групп периодической системы.

      Значение s-элементов  для организма  огромно. Они участвуют  в создании

буферных  систем организма, обеспечение  необходимого астматического

давления, возникновении мембранных потенциалов, в передаче нервных

импульсов (Na,k), структурообразования (Mg,Ca).

                                

     НАТРИЙ, КАЛИЙ.

      Ионы натрия и  калия распределены  по всему организму  человека, причём

первые  входят преимущественно  в состав межклеточных жидкостей, вторые

главным образом находятся внутри клеток. Подсчитано, что в человеческом

организме содержится 250г калия  и 70г натрия. От концентрации обоих ионов

зависит чувствительность (проводимость) нервов и сократительная способность

мышц. Шок при тяжёлых  ожогах обусловлен потерей  ионов калия из клеток.

Введение  ионов калия способствует расслаблению сердечной  мышцы между

сокращениями  сердца. Хлорид натрия служит источником для  образования

соляной кислоты в желудке. Гидрокарбонат натрия – буферная соль –

поддерживает  кислотнощелочное равновесие в жидких средах организма и служит

переносчиком  углерода. Лечение  некоторых психических  заболеваний основано

на  замене ионов K+ и Na+ на ионы Li+.

      Из солей натрия  и калия наибольшее  значение для медицины  имеют

следующие соединения:

      Хлорид натрия (поваренная соль) NaCl.Раствор хлорида натрия (0.85-0.9

%)- физиологический  раствор – применяется  для внутривенных  вливаний при

больших кровопотерях. Кроме  того, хлорид натрия употребляется для

ингаляций, ванн, душей, а также  при лечении катаральных  состояний некоторых

слизистых оболочек.

      Гидрокарбонат натрия (пещевая  сода) NaHCO3 –  белый  кристаллический

порошок. Применяется при  повышенной кислотности  желудочного сока, язвенной

болезни желудка и двенадцатиперсной  кишки, изжоге, подагре, диабете,

катарах верхних дыхательных  путей. Наружно употребляется  как слабая щёлочь

при ожогах, для полосканий, промываний и ингаляций  при насморке,

конъюктивитах, стоматитах, ларингитах и т.д.

                              МАГНИЙ И КАЛЬЦИЙ.

      Магний и кальций находятся во II группе периодической системы

Д.И.Менделеева и также относятся  к s-элементам. По своим  характеристикам  их

ионы  в большей степени  отличаются друг от друга, чем ионы натрия и калия.

Так, ион магния по сравнению  с ионом кальция  проявляет большую тенденцию к

образованию ковалентных донорно- акцепторных связей с различными

электродонорными  атомами (N,O),входящими  в состав биологических

макромолекул (белки, нуклеиновые  кислоты). Это обуславливает  большие

структурообразующие свойства магния по сравнению с кальцием.

      Ионы Mg2+  образуют  в клетках комплексы  с нуклеинывыми  кислотами,

учавствуют  в передаче нервного импульса, сокращении мышц, метаболизме

углеводов. Магний можно назвать  центральным элементом  энергетических

процессов, связанных с окислительным фосфорилированием. Избыток магния

играет  роль депрессора нервного возбуждения, недостаток – вызывает тетамию

(судороги).

      Активность большинства  ферментов переноса (гирансфероз)  зависит от

магния. Магний – один из основных активаторов  ферментативных процессов. В

частности, он активирует ферменты синтеза и распада  аденозинтрифосфорной и

гуаминтрифосфорной  кислоты, участвует  в процессах переноса фосфатных групп.

Магний  входит в состав хлорофилла; субъединицы рибосом (клеточных

органоидов, на которых происходит синтез белка) связаны ионами Mg2+.

Соддержание магния в организме  около 42г. повышенное количество его в

оргнизме  может вызвать  наркотическое состояние.

             Марганец  принадлежит   к  весьма  распространённым   элементам,

составляя 0,03% от общего числа атомов земной коры. Среди  тяжёлых  металлов

(атомный  вес больше 40), к  которым относятся  все элементы переходных  рядов,

марганец  занимает по распространенности в земной коре третье место вслед  за

железом и титаном. Небольшие  количества  марганца  содержат  многие  горные

породы. Вместе с тем, встречаются  и скопления  его  кислородных  соединений,

главным образом в виде минерала пиролюзита - MnO2.  Большое  значение  имеют