Свойства и биологическая роль некоторых s-элементов
Биогенные элементы подразделяют на три блока: s-, р-, d– блока. Химические элементы, в атомах которых заполняются электронами, s-подуровень внешнего уровня, называют s-элементами. Строение их валентного уровня ns1-2. Небольшой заряд ядра, большой размер атома способствуют тому, что атомы s-элементов – типичные активные металлы; показателем этого является невысокий потенциал их ионизации.
Катионы IIА группы имеют меньший радиус и больший заряд и обладают, следовательно, более высоким поляризующим действием, образуют более ковалентные и менее растворимые соединения. Атомы стремятся принять конфигурацию предшествующего инертного газа. При этом элементы IA и IIA групп образуют соответственно ионы М+ и М2+. Химия таких элементов является в основном ионной химией, за исключением лития и бериллия, которые обладают более сильным поляризующим действием.
В водном растворе ионы способны в небольшой степени к реакциям комплексообразования, образованию донорно-акцепторных связей с монодентатными лигандами (с водой - аквакомплексы) и даже с полидентатными лигандами (эндогенными и экзогенными комплексонами). Большинство образующихся комплексов обладают невысокой устойчивостью. Более прочные комплексы образуют с циклическими полиэфирами – краунэфирами,. которые представляют собой плоский многоугольник. Ионы s-элементов имеют связи сразу с несколькими атомами кислорода соединения типа циклической молекулы, которые называют макрогетероциклическими соединениями. Это мембраноактивные комплексоны (ионофоры) - соединения переносящие ионы s-элементов через липидные барьеры мембран. Молекулы ионофоров имеют внутримолекулярную полость, в которую может войти ион определенного размера, геометрии по принципу ключа и замка. Полость окаймлена активными центрами (эндорецепторами). В зависимости от природы металла может происходить нековалентное взаимодействие (электростатическое, образование водородных связей, проявление Ван-дер-Ваальсовых сил) со щелочными металлами (валиномицин с К+) и ковалентное - со щелочноземельными металлами. Образуются при этом супрамолекулы – сложные ассоциаты, состоящие из двух или более химических частиц, удерживаемых вместе межмолекулярными силами. Двухзарядные ионы элементов IIA группы являются более сильными комплексообразователями. Для них наиболее характерно образование координационных связей с донорными атомами кислорода, а для магния – также азота (порфириновая система). Из макроциклических соединений высокоселективен, по отношению к стронцию, криптанд.
Криптанд – это макроциклический лиганд, который связывает катионы еще более специфично, чем циклические эфиры. В название криптанда входит обозначение числа атомов кислорода в каждой из трех цепей, связывающих головные мостиковые атомы азота. Размер полости криптанда задается по трем направлениям, а не в плоскости, как это было в случае краун-эфира. Это обусловливает тот факт, что комплекс К+ с 2, 2, 3 – криптандом в 104 раза более устойчив, чем комплекс калия с ионофором валиномицином.
Механизм действия антибиотика тетрациклина - эндогенного комплексона, заключается в разрушении рибосом микроорганизмов за счет связывания ионов магния тетрациклином. Это определяет лечебный эффект данного антибиотика.
Биологические функции s–элементов очень разнообразны: активация ферментов, участие в процессах свертывания крови, в различных реакциях организма, связанных с изменением проницаемости мембран по отношению к ионам калия, натрия и кальция, участие в образовании мембранного потенциала, в запуске внутриклеточных процессов, таких как обмен веществ, рост, развитие, сокращение, деление и секреция. Обеспечивают перенос в клетке информации. Чувствительность клеток к данным ионам обеспечивается разностью их содержания вне и внутри клетки, градиентом концентрации (ионной асимметрией). Старение – понижение градиента концентрации, смерть – выравнивание концентрации вне и внутри клетки. Градиент концентрации обеспечивается связыванием свободных ионов клетки специфическими белками.
Калий (K)
Калий - один из биогенных элементов, постоянная составная часть растений и животных. Суточная потребность в калие. у взрослого человека (2-3 г) покрывается за счёт мяса и растительных продуктов; у грудных детей потребность в калие. (30 мг/кг) полностью покрывается грудным молоком, в котором 60-70мг% К. Многие морские организмы извлекают калий. из воды. Растения получают калий из почвы. У животных содержание калия составляет в среднем 2,4 г/кг. В отличие от натрия, калий сосредоточен главным образом в клетках, во внеклеточной среде его много меньше. В клетке калий распределён неравномерно.
Ионы калия участвуют в генерации и проведении биоэлектрических потенциалов в нервах и мышцах, в регуляции сокращений сердца и др. мышц, поддерживают осмотического давление и гидратацию коллоидов в клетках, активируют некоторые ферменты. Метаболизм калия тесно связан с углеводным обменом; ионы калия влияют на синтез белков. К+ в большинстве случаев нельзя заменить на Na+. Клетки избирательно концентрируют К+. Угнетение гликолиза, дыхания, фотосинтеза, нарушение проницаемости наружной клеточной мембраны приводят к выходу К+ из клеток, часто в обмен на Na+.
Выделяется калий из организма главным образом с мочой. Содержание калия в крови и тканях позвоночных регулируется гормонами надпочечников - кортикостероидами.
В растениях калий распределяется неравномерно: в вегетативных органах растения его больше, чем в корнях и семенах. Много калия в бобовых, свёкле, картофеле, листьях табака и кормовых злаковых травах (20-30 г/кг сухого вещества). При недостатке калия в почвах замедляется рост растений, повышается заболеваемость. Норма калийных удобрений зависит от типа с.-х. культуры и почвы.
В биосфере микроэлементы Rb и Cs сопутствуют калий. Ионы Li+ и Na+ - антагонисты К+, поэтому важны не только абсолютные концентрации К+ и Na+, но и оптимальные соотношения K+/Na+ в клетках и среде. Естественная радиоактивность организмов (гамма-излучение) почти на 90% обусловлена присутствием в тканях естественного радиоизотопа 40K.
В медицине с лечебными целями применяют ацетат CH3COOK как мочегонное (чаще против отёков, вызванных сердечной недостаточностью) и хлорид KCl в случае недостаточности калия в организме (развивается при лечении некоторыми гормональными препаратами, наперстянкой, при большой потере жидкости с рвотой и поносом, при применении некоторых мочегонных средств и др.).
Перхлорат KClO4 тормозит продукцию тироксина (гормона щитовидной железы) и применяется при тиреотоксикозе. Перманганат калия KMnO4(марганцовокислый калий) используют как антисептическое средство.
Натрий (Na)
Натрий - один из основных элементов, участвующих в минеральном обмене животных и человека. Содержится главным образом во внеклеточных жидкостях (в эритроцитах человека около 10 ммоль/кг, в сыворотке крови 143 ммоль/кг); участвует в поддержании осмотического давления и кислотно-щелочного равновесия, в проведении нервных импульсов. Суточная потребность человека в хлористом натрии колеблется от 2 до 10г и зависит от количества этой соли, теряемой с потом. Концентрация ионов натрия. в организме регулируется в основном гормоном коры надпочечников - альдостероном. Несмотря на относительно высокое содержание натрия. в тканях растений (около 0,01% на сырую массу), его роль в жизни растений изучена недостаточно. У галофитов(виды, произрастающие на сильно засоленных почвах) натрий создаёт высокое осмотическое давление в клеточном соке и тем самым способствует извлечению воды из почвы.
В медицине из препаратов натрия. наиболее часто применяют натрия сульфат, хлорид NaCI (при кровопотерях, потерях жидкости, рвоте и т.п.), борат Na2B4O7×10H2O (как антисептическое средство), гидрокарбонат NaHCO3 (как отхаркивающее средство, а также для промываний и полосканий при ринитах, ларингитах и др.), тиосульфат Na2S2O3×5H2O (противовоспалительное, десенсибилизирующее и противотоксическое средство) и цитрат Na3C6H5O7×51/2H2O (препарат из группы антикоагулянтов).
Искусственно полученные радиоактивные изотопы 22Na (период полураспада T1/2 = 2,64 г.) и 24Na (T1/2 = 15 ч) применяют для определения скорости кровотока в отдельных участках кровеносной системы при сердечно-сосудистых и лёгочных заболеваниях, облитерирующем эндартериите и др. Радиоактивные растворы солей натрия (например, 24NaCI) используют также для определения сосудистой проницаемости, изучения общего содержания обменного натрия. в организме, водно-солевого обмена, всасывания из кишечника, процессов нервной деятельности и в некоторых др. экспериментальных исследованиях.
Дефицит натрия (синдром солевого истощения). Преимущественное обеднение организма натрием можно отличить от преобладания дефицита воды на основании следующих признаков: тахикардия, пониженное артериальное давление и наклонность к ортостатическим коллапсам. Эти явления возникают вследствие обусловленного недостатком натрия уменьшения количества внеклеточной жидкости.
Основной симптом дегидратации — жажда — выражен значительно меньше. Напротив, гораздо сильнее выступают на передний план общие явления как выражение клеточной гипергидратации: общая слабость, апатия, расстройства сознания, головная боль, рвота, мышечные судороги. Слюнообразование не прекращается. Кожа холодна на ощупь и при образовании кожных складок последние исчезают лишь постепенно.
Моча скорее низкого удельного веса, тогда как при дегидратации он обычно высокий. Из этого правила имеются, однако, некоторые существенные исключения: при несахарном диабете удельный вес мочи обязательно низкий, несмотря на наличие гидропенического синдрома
В крови резко повышен показатель гематокрита, так что уменьшение количества внеклеточной жидкости происходит без одновременного сморщивания эритроцитов. Количество остаточного азота, как правило, резко нарастает (уремия вследствие дефицита соли) в отличие от лишь умеренного повышения его при дефиците воды; содержание натрия и хлора уменьшено — также в отличие от дефицита воды, при котором содержание этих электролитов нормально или повышено.