Тема: Біогенні d – елементи

Мета: розглянути електронну структуру й електронегативність біогенних d – елементів, їх хімічні властивості та якісні реакції йонів; засвоїти біологічну роль d – біоелементів, застосування їх сполук в медичній практиці.

Забезпечення заняття: періодична система хімічних елементів Д.І. Менделєєва; таблиця розчинності кислот, основ і солей у воді; електрохімічний ряд напруг металів; розчини NaOH, KOH, HCl, H₂SO₄, KMnO₄, CrCl₃, Na₂SO₃, CuSO₄, пробірки, пробіркотримач, спиртівка, сірники.

Конкретні цілі:

- знатиелектронну структуру та електронегативність біогенних d – елементів;

- знатитипові хімічні властивості d – елементів та їх сполук (кислотно - основні, протолітичні, окисно – відновні);

- складати рівняння реакцій, що відображають типові хімічні властивості d – елементів та їх сполук;

- знатибіологічну роль та медичне застосування сполук біогенних d – елементів;

- встановлювати зв’язок між місцезнаходженням біогенних d – елементів в періодичній системі та їх вмістом в організмі;

- трактувати взаємозв’язок між біологічною роллю біогенних d – елементів та формою знаходження їх в організмі;

- володіти технікою виконання якісних реакцій йонів біогенних d – елементів.

Зміст заняття

З великої групи d – елементів до біогенних відносять 8 найважливіших елементів, концентрація яких в організмі достовірно встановлена і їх специфічна фізіологічна роль доведена. Це – Fe, Cu, Zn, Mn, Cr, Co, Ni, Mo. Перелічені біометали входять до складу живих організмів у невеликих кількостях від 10^-3 до 10^-12 % мас., і тому їх називають мікроелементами.

Біологічна роль хімічних елементів визначається в першу чергу будовою електронних оболонок їх атомів. d – елементи ще називають перехідними елементами, оскільки вони мають змінні ступені окиснення. Наприклад, Ферум і Кобальт у сполуках, що входять до складу живих організмів, мають ступінь окиснення +2, +3; Купрум - +1, +2; Манган - +2, +4; Молібден - +3, +4, +5, +6. Це пов’язано з особливістю електронної будови атомів d – елементів, у яких в утворенні хімічних зв’язків беруть участь електрони останнього ns – підрівня та передостаннього (n-1)d – підрівня. Із перелічених вище біометалів тільки Цинк, маючи завершену 18 електронну оболонку, характеризується постійним значенням ступеня окиснення +2, тому він не належить до перехідних елементів.

Від будови атомів залежать хімічні властивості як самих елементів так і їхніх сполук. Ці властивості виявляються у здатності вступати у різні хімічні реакції: кислотно – основні, окисно – відновні, комплексоутворення та ін.

Кислотно – основні властивості d – елементів виявляються у відношенні їх оксидів, гідратних сполук цих оксидів, а також солей до води, кислот, лугів та індикаторів. Оскільки більшість металів цієї групи мають змінну валентність, то вони утворюють декілька оксидів. Цим оксидам відповідають різні гідратні сполуки – кислоти або основи, залежно від валентності елемента.

Сполуки Цинку і Хрому(ІІІ) виявляють типові амфотерні властивості. Під амфотерністю розуміють здатність хімічної сполуки взаємодіяти як з кислотами, так і з основами, наприклад:

ZnO + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂O;

ZnO + 2KOH + H₂O = K₂[Zn(OH)₄];

Zn(OH)₂ + 2HCl = ZnCl₂ + 2H₂O;

Zn(OH)₂ + 2KOH = K₂[Zn(OH)₄];

Cr(OH)₃ + 3HCl = CrCl₃ + 3H₂O;

Cr(OH)₃ + 3KOH = K₃[Cr(OH)₆].

Слабко виражені амфотерні властивості мають також сполуки Mn (IV) i Fe(III), що ілюструється такими реакціями:

Fe₂O₃ + 2KOH = 2KFeO₂ + H₂O;

Fe₂O₃ + 6HCl = 2FeCl₃ + 3H₂O;

Fe(OH)₃ + 3KOH = K₃[Fe(OH)₆];

2Fe(OH)₃ + 3H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O.

Окисно – відновні властивості пов^’язані зі здатністю елементів та їх сполук віддавати або приєднувати електрони, тобто змінювати ступінь окиснення.

У вільному стані метали є донорами електронів, тобто віддають свої валентні електрони іншому атому і тому є відновниками.

Перехідні елементи мають незавершену d – орбіталь, тому ступінь окиснення їх у сполуках є змінним. З цим пов’язана багатоманітність окисно – відновних реакцій d – елементів.

Всі d – елементи мають велику здатність до утворення комплексних сполук, оскільки йони перехідних біометалів з вільними s – і р - орбіталями і частково незаповненими d – підрівнями проявляють акцепторні властивості, тобто можуть приймати на ці вакантні АО електронні пари атомів донорів і таким чином утворювати додаткові донорно – акцепторні (координаційні зв’язки). За участю цих зв’язків утворюються комплексні сполуки, у яких йони d – елементів є комплексоутворювачами.

Розглянемо біологічну роль d – елементів та їх сполук.

Ферум. Йони Fe²⁺ i Fe³⁺ мають особливо важливе значення для життєдіяльності організму. Вони необхідні для кровотворення, нормальної діяльності багатьох ферментів (каталази і пероксидази), перенесення кисню від легень до тканин. Загальний вміст Феруму в організмі становить 4 – 5 г, багато його в печінці, м^,язах, кістковому мозку, проте 60-70% від його загальної маси міститься в еритроцитах і нервових клітинах. Йони Феруму, що є в біосистемах, поділяються на гемові і негемові. Гемові – це ті, що входять до складу гемоглобіну і міоглобіну, а негемові є у складі інших біологічно активних сполук. Гемоглобін входить до складу еритроцитів крові і забезпечує зв’язування кисню з повітря та перенесення його до від легень до тканин усіх органів, а міоглобін має здатність зберігати запаси кисню в м’язах.

Добова потреба у Ферумі для людини становить 10-15 мг (легені, печінка, вівсяна, рисова, гречана крупи, яйця). Але найчастіше дефіцит цього елемента виникає не внаслідок недостатнього поступлення його з продуктами, а при порушенні функцій всмоктування та засвоєння його організмом. У разі нестачі в організмі сполук Феруму розвиваються різні захворювання крові, так звані ферумдефіцитні анемії, внаслідок яких зменшується як загальна кількість еритроцитів, так і вміст в них гемоглобіну. При хронічній інтоксикації сполуками Феруму виникає хвороба під назвою «сидероз».

Купрум. Відомо близько 30 різних білків і ферментів, у складі яких виявлено йони Cu⁺ i Cu²⁺. Йони Купруму беруть участь у процесах дихання тканин, росту та кровотворення, сприяють синтезу гемоглобіну в організмі. Вони посилюють дію інсуліну, впливають на обмін цукрів та жирів. Крім того, йони Купруму сприяють виведенню з організму води, затримують Кальцій і фосфати. У разі нестачі цього біоелемента розвивається анемія, спостерігається паталогічний ріст кісток, дефекти сполучної тканини, захворювання шкіри.

Купрум переважно концентрується в печінці та головному мозку. Загальна потреба дорослої людини в цьому елементі становить 2-3 мг на добу (крупи, горох, хліб, гриби, м'ясо, журавлина). Надлишок йонів Купруму, накопичуючись в тканинах, зумовлює появу токсикозу (хвороби Вільямса).

Цинк. Це один з найпоширеніших мікроелементів організму, займає друге місце після Феруму. Біологічна роль цього елемента пов’язана із залозами внутрішньої секреції, в яких він концентрується. Цинк відіграє важливу роль у функціонуванні головного мозку, тому його використовують для лікування психічних захворювань. Деякі дослідження вказують, що підвищений вміст Цинку в організмі викликає виникнення злоякісних пухлин. Хронічне отруєння сполуками цинку призводить до гіпертонії, атеросклерозу, захворювань судин.

Манган. Цей мікроелемент впливає на ріст людини, необхідний для утворення кісток, збереження репродуктивної функції організму, активування деяких ферментів. В організмі людини є приблизно 20 мг Мангану, причому в кістках – 43%, а решта - в тканинах і мозку. Манган позитивно впливає на засвоєння йоду, посилює синтез гормонів щитовидної залози, отже рівень його у крові корелюють з виникненням ендемічного зобу. Ферменти, що містять цей мікроелемент, посилюють обмін вуглеводів і жирів, сприяють синтезу вітаміну С та обміну вітамінів групи В та Е. При дефіциті Мангану порушується фосфорно – кальцієвий обмін і виникає рахіт.

Манган міститься в продуктах харчування – у борошні, крупах, малині, смородині, капусті, шпинаті.

Кобальт. Вміст йонів Кобальту в організмі становить 1∙10^-5% мас.,його добова потреба 2 мкг. Він бере участь у синтезі гормонів щитоподібної залози. Входить до складу металопротеїнів, які знаходяться в тканинах внутрішніх органів: печінці, нирках, підшлунковій залозі та еритроцитах. Кобальт(ІІ) – іон утворює складний халатний комплекс, який називають ціанокобаламіном, або вітаміном В₁₂. Кобальт надходить в організм з м’ясними та молочними продуктами. Проте і надлишок Кобальту в організмі є небажаним, бо виникає захворювання крові, що характеризується збільшенням кількості еритроцитів та гемоглобіну.

Біологічна функція Кобальту є ефективною за наявності в організмі достатніх запасів Феруму і Купруму. Під впливом Кобальту підвищується всмоктування Феруму з кишківника і використання його в процесах утворення гемоглобіну.

Молібден. Це один з важких металів виявлених в організмі людини. Він у малих дозах позитивно впливає на на синтез гемоглобіну та сприяє нагромадженню в організмі вітамінів С і В₁₂. Сполуки Молібдену у мікродозах, підвищуючи фагоцитарну активність крові, впливають на імунний захист організму. Добова потреба Мо є меншою, порівняно з іншими біметалами, і становить 0,1- 0,3 мг. При підвищеному вмісті цього елемента розвивається ендемічна подагра, яка призводить до деформування суглобів.

Цікаво, що біологічна роль Молібдену пов’язана з вмістом в організмі Купруму. Ці елементи є антагоністами, бо надлишок Молібдену викликає зменшення концентрації Купруму.

Хром. У багатьох наукових роботах вказується на значну роль Хрому для функціонування біосистем. Доведено, що його вміст знижується при старінні або виснаженні організму. Хром впливає на обмін вуглеводів, ліпідів та нуклеїнових кислот, активує дію інсуліну, входить до складу ферментів. Поліпшуючи загальний обмін речовин, Хром сповільнює процес старіння організму. Із всіх мікроелементів йон Cr(ІІІ) є найменш отруйним, але його сполуки хромати і дихромати токсичні – спостерігаються захворювання шкіри і слизових оболонок, хронічні катари верхніх дихальних шляхів, а іноді рак легень. Добова потреба – 0,05 – 2,5 мг. Хром є у чаї, шпинаті, оселедці, печінці, яловичині.

Нікол. Найбільший вміст даного елемента у підшлунковій залозі, печінці, шкірі та рогівці ока. Цей мікроелемент впливає на на обмін вуглеводів, прискорює регенерацію білків, поліпшує процес пігментації шкіри, нормалізує вміст гемоглобіну в крові. Його вміст в організмі зменшується з віком, а також при анеміях. Доведено, що рівень Ніколу в крові при інфаркті міокарда підвищується майже вдвоє, що може бути додатковим діагностичним критерієм цього захворювання. Добова потреба цього біотика становить 0,6 мг.

Надлишок Ніколу викликає пошкодження легеневої тканини, розвиток злоякісних пухлин, але різниця між необхідним і токсичним рівнем у нього велика.

Сполуки d – елементів здавна використовувались в медичній практиці.

Препарати, що містять Ферум, використовують для лікування ферумодефіцитних анемій.

Сполуки Купруму застосовують для зниження збудження НС при психічних захворюваннях, бо сприяють нормальному функціонуванню головного мозку.

Сполуки Цинку використовують для лікування психічних захворювань, а цинкові мазі застосовують у дерматології, бо Цинк сприяє загоєнню ран.

Сполуки Мангану використовують у медичній практиці при невритах, у разі захворювань кровотворних органів (разом із сполуками Кобальту і Купруму).

Радіоактивний ⁶⁰Co знаходить застосування при лікуванні злоякісних пухлин радіоактивними променями (т.з. кобальтові «гармати»).

Хром піколінат застосовують при лікуванні діабету.

Крім того, широке застосування знаходять полівітамінні препарати з мікроелементами – «Мульти – табс», «Церавіта», «Вітрум», «Прегнавіт» та ін.

Медику необхідно знати, яку роль в організмі виконують біоелементи, їх добові потреби. У разі дефіциту якогось біоелемента рекомендують медичні препарати, що вміщують їх у вигляді солей.

 

Завдання для самостійної роботи

1. Виконати якісну реакцію йона Fe²⁺.

2. Виконати якісну реакцію йона Fe³⁺.

3. Виконати якісну реакцію йона Cu²⁺.

4. Виконати якісну реакцію йона Zn²⁺.

5. Виконати якісну реакцію йона Mn²⁺.