Биохимическая роль и медико-биологическое значение биогенных s- элементов. (водород, литий, натрий, калий, кальций, магний)

Биохимическая роль и медико-биологическое значение биогенных p- элементов. (углерод, азот, фосфор, кислород, сера, хлор, бром, йод)

Биогенные d- элементы. Связь между электронным строение d- элементов и их биологическими функциями. Роль d- элементов в комплексообразовании в биологических системах.

В составе живого вещества найдено более 70 элементов.

Биогенные элементы – элементы, необходимые организму для построения и жизнедеятельности клеток и органов.

В организме человека больше всего s- и p- элементов.

Незаменимые макроэлементы s-: H, Na, Mg, K, Ca

Незаменимые макроэлементы p-: C, N, O, P, S, Cl, I.

Примесные s- и p- элементы: Li, B, F.

Концентрирование химического элемента– повышенное содержание элемента в организме по сравнению с окружающей средой.

Основу всех живых систем составляют шесть элементов-органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Их содержание в организме достигает 97%.

Биогенные элементы подразделяют на три блока: s-, p-, d-.

S-элементы

Основные сведения:

1. S-элементы – это химические элементы, в атомах которых заполняются электронами, s-подуровень внешнего уровня.

2. Строение их валентного уровня ns^1-2.

3. Небольшой заряд ядра, большой размер атома способствуют тому, что атомы s-элементов – типичные активные металлы; показателем этого является невысокий потенциал их ионизации. Химия таких элементов является в основном ионной, за исключением лития и бериллия, которые обладают более сильным поляризующим действием.

4. Имеют относительно большие радиусы атомов и ионов.

5. Легко отдают валентные электроны.

6. Являются сильными восстановителями. Восстановительные свойства возрастают закономерно с увеличением радиуса атома. Восстановительная способность увеличивается по группе сверху вниз.

Биологическая роль:

Вследствие очень легкой окисляемости щелочные металлы встречаются в природе исключительно в виде соединений.

Натрий

1. Относится к жизненно необходимым элементам, постоянно содержится в организме, участвует в обмене веществ.

2. Содержание натрия в организме человека массой 70 кг – около 60г.

3. В организме человека натрий находится в виде растворимых солей: хлорида, фосфата, гидрокарбоната.

4. Распределен по всему организму (в сыворотке крови, в спинномозговой жидкости, в глазной жидкости, в пищеварительных соках, в желчи, в почках, в коже, в костной ткани, в легких, в мозге).

5. Является основным внеклеточным ионом.

6. Ионы натрия играют важную роль в обеспечении постоянства внутренней среды человеческого организма, участвует в поддержании постоянного осмотического давления биожидкости.

7. Ионы натрия участвуют в регуляции водного обмена и влияют на работу ферментов.

8. Вместе с ионами калия, магния, кальция, хлора ионы натрия участвуют в передаче нервных импульсов.

9. При изменении содержания натрия в организме происходят нарушения нервной, сердечно-сосудистой систем, гладких и скелетных мышц.

Калий

1. Содержание калия организме человека массой 70 кг – около 160г.

2. В организме человека калий находится в крови, почках, сердце, костной ткани, мозге.

3. Калий является основным внутриклеточным ионом.

4. Ионы калия играют важную роль в физиологических процессах – сокращении мышц, нормальном функционировании сердца, проведении нервных импульсов, обменных реакциях.

5. Являются важными активаторами внутриклеточных ферментов.

Магний

1. Общее содержание в организме 20г.

2. Находится в дентине и эмали зубов, костной ткани.

3. Накапливается в поджелудочной железе, скелетных мышцах, почках, мозге, печени и сердце.

4. Является внутриклеточным катионом.

Кальций

1. Относится к макроэлементам.

2. Содержится в каждой клетке человеческого организма. Основная масса – в костной и зубной тканях.

3. Ионы кальция принимают активное участие в передаче нервных импульсов, сокращении мышц, регулировании работы сердечной мышцы, механизмах свертывания крови.

P-элементы

Общая характеристика:

1. Относят 30 элементов периодической системы.

2. В периодах слева направо атомные и ионные радиусы p-элементов по мере увеличения заряда ядра уменьшаются, энергия ионизации и сродство к электрону в целом возрастают, электроотрицательность увеличивается, окислительная активность элементных веществ и неметаллические свойства усиливаются.

3. В группах радиусы атомов и однотипных ионов увеличиваются. Энергия ионизации при переходе от 2р-элементам уменьшается.

4. С увеличением порядкового номера р-элементов в группе неметаллические свойства ослабевают, а металлически усиливаются.

Биологическая роль:

Бор

1. Относится к примесным микроэлементам.

2. Концентрируется в легких, щитовидкой железе, селезенке, печени, мозге, почках, сердце.

3. Входит в состав зубов и костей.

4. Избыток бора вреден для организма человека (уменьшается активность адреналина).

Алюминий

1. Относится к примесным элементам.

2. Концентрируется в сыворотке крови, легких, печени, костях, почках, ногтях, волосах, входит в структуру нервных оболочек мозга человека.

3. Суточная норма – 47мг.

4. Влияет на развитие эпителиальной и соединительной тканей, на регенерацию костных тканей, на обмен фосфора.

5. Оказывает воздействие на ферментативные процессы.

6. Избыток тормозит синтез гемоглобина.

Таллий

1. Относится к весьма токсичным элементам.

Углерод

1. Относится к макроэлементам.

2. Входит с состав всех тканей в форме белков, жиров, углеродов, витаминов, гормонов.

3. С биологической точки зрения углерод является органогеном номер 1.

Кремний

1. Относится к примесным микроэлементам.

2. Находится в печени, надпочечниках. Волосах, хрусталике.

3. С нарушением кремния связывают возникновение гипертонии, ревматизма, язвы, малокровия.

Германий

1. Относится к микроэлементам.

2. Соединения германия усиливают кроветворения в костном мозге.

3. Соединения германия малотоксичные.

D-элементы

Общая характеристика:

1. Относятся 32 элемента периодической системы.

2. Входят в 4-7 большие периоды. Особенностью элементов этих периодов является непропорционально медленное возрастание атомного радиуса с возрастанием числа электронов.

3. Важный свойством является переменная валентность и разнообразие степеней окисления. Возможность существования d-элементов в разных степенях окисления определяет широкий диапазон окислительно-восстановительных свойств элементов.

4. D-элементы в промежуточной степени окисления проявляют амфотерные свойства.

5. В организме обеспечивают запуск большинства биохимических процессов, обеспечивающих нормальную жизнедеятельность.

Биологическая роль:

Цинк

1. Микроэлемент

2. В организме человека 1,8г.

3. Больше всего цинка в мышцах и костях, а также в плазме крови, печени, эритроцитах.

4. Образует бионеорганический комплекс с инсулином – гормоном, регулирующим содержание сахара в крови.

5. Содержится в мясных и молочных продуктах, яицах.

Кадмий

1. Микроэлемент.

2. В организме человека – 50мг.

3. Примесный элемент.

4. Находится в почках, печени, легких, поджелудочной железе.

Ртуть

1. Микроэлемент.

2. Примесный элемент.

3. В организме человека – 13мг.

4. Находится в жировой и мышечной тканях.

5. Хроническая интоксикация кадмием и ртутью может нарушить минерализацию костей.

Хром

1. Микроэлемент.

2. В организме человека – 6г.

3. Металлический хром нетоксичен, а соединения опасны для здоровья. Они вызывают раздражения кожи, что приводит к дерматитам.

Молибден

1. Микроэлемент.

2. Относится к металлам жизни, является одним из важнейших биоэлементов.

3. Избыточное содержание вызывает снижение прочности костей – остеопороз.

4. Входит с состав различных ферментов.

5. Малотоксичный.

Вольфрам

1. Микроэлемент.

2. Роль не изучена.

3. Анионная форма вольфрама легко абсорбируется в желудочно-кишечном тракте.

Задание 5

Комплексные соединения. Классификация комплексных соединений по заряду координационной сферы и по природе лигандов. 2.Координационная теория А.Вернера. Понятие о комплексообразователе, лигандах. 3.Координационное число, его связь с геометрией комплексного иона. Природа связи в координационных соединениях. Биологические комплексны железы, кобальта, меди, цинка, их роль в процессах жизнедеятельности.

Комплексные соединения– химические соединения, кристаллические решетки которых состоят из комплексных групп, образовавшихся в результате взаимодействие ионов или молекул, способных существовать самостоятельно.

Классификация КС по заряду внутренней сферы:

1. Катионные [Zn(NH₃)₄]Cl₂

2. Анионные K₂[BeF₄]

3. Нейтральные [Pt(NH₃)₂Cl₂]

Классификация КС по числу мест, занимаемых лигандами в координационной сфере:

1. Монодентатныелиганды. Занимают 1 место в координационной сфере. Такие линанды бывают нейтральными (молекулы H₂O, NH₃, CO, NO) и заряженными (ионы CN^-, F^-, Cl^-, OH^-,).

2. Бидентатныелиганды. Примерами служат лиганды: ион аминоуксусной кислоты, SO₄^2-, CO₃^2-.

3. Полидентатныелиганды. 2 или более связей с ионами. Примеры: этилен диамин тетрауксусная к-та и е соли, белки, нуклеиновая к-та.

Классификация по природе лиганда:

1. Аммиакаты – комплексы, в которых лигандами служат молекулы аммиака. [Cu(NH₃)₄]SO_4.

2. Аквакомплексы – в которых лигандом выступает вода. [Co(H₂O)₆]Cl₂

3. Карбонилы – в которых лигандами являются молекулы оксида углерода(II). [Fe(CO)₅],

4. Гидроксокомплексы– в которых в качестве лигандов выступают годроксид-ионы. Na₂[Zn(OH)₄].

5. Ацидокомплексы – в которых лигандами являются кислотные остатки. К ним относятся комплексные соли и комплексные кислоты K₂[PtCl₄], H₂[CoCl₄].

Теория Вернера:

· 1893 год

· Объяснения особенности строения комплексных соединений

· В соответствии с этой теорией, в каждом комплексной соединении есть центральный атом (ион), или комплексообразователь (центральный атом или центральный ион).

· Вокруг центрального атома расположены в определённом порядке другие ионы, атомы ил молекулы, которые называют лигандами (аддендами).

Комплексообразователь – центральный атом комплексной частицы. Обычно комплексообразователь – атом элемента, образующего металл, но это может быть и атом кислорода, азота, серы, йода и других элементов, образующих неметаллы. Комплексообразователь обычно положительно заряжен, и в таком случае именуется металлоцентром. Заряд комплексообразователя может быть также отрицательным или равным нулю.

Лиганды (Адденды) – атомы или изолированные группы атомов, располагающиеся вокруг комплексообразователя. Лигандами могут быть частицы, до образователя комплексного соединения представлявшие собой молекулы (H₂O, CO, NH₃), анионы (OH^-, Cl^-, PO₄^3-), а также катион водорода H⁺.

Центральный атом (центральный ион), или комплексообразователь, связаны лигандами полярной ковалентной связью по донорно-акцепторному механизму и образуют внутреннюю сферу комплекса.

Координационное число– число лигандов, координирующиесявокруг центрального атома – комплексообразователя.

Координационное число центрального атома – число связей, с помощью которых лиганды непосредственно соединены с центральным атомом.

Между координационным числом и строением комплексних соединений (геометрией внутренней координационной сферы) наблюдается определенная закономерность.

· Если комплексообразователь имеет координационное число 2, та, как правило, комплексный ион имеет линейное строение, а комплексообразователь и об лиганда располагаются на одной прямой. Линейное строение имеют такие комплексные ионы, как и другие [NH₃ – Ag – NH₃]⁺, [Cl – Cu – Cl]^ и другие. В этом случае орбитали центрального атома, участвующие в образовании связи по донорно-акцепторому механизму, гибридизованы по типу sp.

· Комплексы с координационным числом 3 встречаются сравнительно редко и обычно имеют форму равностороннего треугольника, в центре которого располагается комплексообразователь, а в углах находятся лиганды (гибридизация типа sp²).

· Для соединений с координационным числом 4 имеются две возможности пространственного расположения лигандов. Тетраэдрическое размещениелигандов с коплексообразователем в центре тетраэдра (sp³-гибридизация атомных орбиталей комплексообразователя). Плоскоквадратное расположениелигандов вокруг находящегося в центре квадрата атома комплексообразователя (dsp²-гибридизация).

· Координационное число 5 встречается у комплексных соединений довольно редко. Тем не менее в том небольшом количестве комплексных соединений, где комплексообразователь окружен пятью лигандами, установлены две пространственные конфигурации. Это тринальнаябипирамида и квадратная пирамида с комплесообразоателем в центре геометрическо фигуры.

· Для комплексов скоординационным числом 6характерно октаэдрическое расположениелигандов, что отвечает sp³d²- или d²sp³-гибридизации атомных орбиталей комплексообразователя. Октаэдрическое строение комплексов с координационным числом 6 является наиболее энергетически выгодным.

Биологическая роль:

· Fe³⁺ - входит в состав ферментов, катализирующий ОВР

· Со – витамин В12 (кроветворение и синтез нуклеиновых к-т)

· Mg²⁺ - хлорофилл (запас энергии солнца; синтез полисахаридов)

· Мо – метаболизм пуринов.

Задание 6

Основные положения теории растворов: раствор, растворитель, растворенное вещество. Классификация растворов. 2.Факторы, определяющие растворимость. 3.Способы выражения концентрации растворов, массовая доля, молярность, молярная концентрация эквивалентов. Закон эквивалентов. 4.Растворы газообразных веществ: законы Генри, Дальтона. Растворимость газов в присутствии электролитов - закон Сеченова. Роль раствора в жизнедеятельности организма.

Раствор– гомогенная смесь, состоящая из частиц растворенного вещества, растворителя и продуктов из взаимодействия. Растворитель – компонент, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора. Масса растворителя преобладает.

Классификация по агрегатному состоянию:

1. Твердые (сплав стали)

2. Жидкие (раствор соли или сахара в воде)

3. Газообразные (атмосфера).

Также различают:

· Водные и неводные растворы.

· Разбавленные и неразбавленные растворы.

· Насыщенные и ненасыщенные.

Факторы, определяющие растворимость:

1. Природа смешиваемых веществ (подобное растворяется в подобном)

2. Температура

3. Давление

4. Наличие третьего компонента

Существует множество способов измерить количество вещества, находящегося в единице объема или массы раствора, это так называемые способы выражения концентрациираствора.

Количественная концентрациявыражается через молярную, нормальную (молярную концентрацию эквивалента), процентную, моляльную концентрации, титр и мольную долю.

1.Наиболее распространённый способ выражения концентрации растворов – молярная концентрация растворов или молярность.Она определяется как количество молей растворенного вещества в одном литре раствора. С_м = n/V, моль/л (моль ·л^-1 )

2. Молярная концентрация эквивалентаопределяется числом молярных масс эквивалентов на 1 литр раствора.

3. Процентная концентрация раствора или массовая доляпоказывает сколько единиц массы растворенного вещества содержится в 100 единицах массы раствора. Это отношение массы вещества к общей массе раствора или смеси веществ. Массовую долю выражают в долях от единицы или процентах.

4. Моляльная концентрацияраствора показывает количество молей растворенного вещества в 1 кг растворителя.

5. Титр растворапоказывает массу растворенного вещества, содержащуюся в 1мл раствора.

6. Мольная или молярная долявещества в растворе равна отношению количества данного вещества к общему количеству всех веществ, содержащихся в растворе.