Тема: Біогенні p – елементи

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

Забезпечення заняття: періодична система хімічних елементів Д.І.Менделєєва; таблиця розчинності кислот, основ і солей у воді; розчини HCl, Na₂SO₄, Ca(OH)₂, Na₂CO_3,BaCl₂, Na₃PO₄, AgNO₃; штатив з пробірками, газовідвідна трубка.

Конкретні цілі:

- знати електронну структуру та електронегативність біогенних p – елементів;

- знати типові хімічні властивості p – елементів та їх сполук;

- знати біологічну роль та медичне застосування сполук біогенних p – елементів;

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

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

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

- володіти технікою виконання якісних реакцій йонів, що містять біогенні p – елементи.

Зміст заняття

Біологічна роль хімічних елементів у організмі людини дуже багатогранна. Найважливішими є хімічні елементи, які становлять 97,5% від загальної маси організму. Це шість хімічних елементів: O, C, H, N, P, S, які називають органогенними елементами.

Елементи – органогени та їх вміст в організмі (мас. %)

Оксиген – 62,4 Нітроген – 3,1

Карбон – 21,0 Фосфор – 0,95

Гідроген – 9,7 Сульфур – 0,16.

Елементи, у яких відбувається заповнення електронами р – орбіталей, називають р – елементами, їх електронна конфігурація ns²np^1-6. Так, атому Фосфору відповідає така електронна формула:

₊₁₅Р 1s²2s²2p⁶3s²3p³.

Розглянемо детальніше біологічну роль, фізіологічну дію р-елементів та деякі хімічні властивості, пов'язані з виконанням певних функцій в організмі.

Карбон (С). Цьому хімічному елементу належить головна роль в утворенні біосистем. Атоми Карбону завдяки особливій будові зовнішнього енергетичного рівня утворюють міцні й енергоємні зв'язки - прості, подвійні й потрійні. Вони сполучаються між собою у лінійні, розгалужені та циклічні структури, причому можуть замикатися в цикли як між собою, так і за участю гетероатомів (С, N, О, S, Р), утворюючи карбоциклічні та гетероциклічні сполуки. Серед сполук Карбону є велика кількість біологічно активних речовин: біополімерів (білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи), біорегуляторів (ферменти, гормони, вітаміни) та синтетичних фізіологічно активних речовин.

У хімічних сполуках Карбон виявляє різні ступені окиснення - від -4 до +4:

-4 (СН₄, SiC), -1 (СаС₂, Ag₂C₂), 0 (С_гр, С_алмаз), +2 (CO, HCN), +4 (С0₂, Н₂С0₃та ін.).

Неорганічними сполуками Карбону є його бінарні сполуки з металами(карбіди- СаС1₂, А1₄С₃ та ін.) та неметалами (CS₂, CF₄, СН₄, SiC), оксиди (CO і СО₂), карбонатна кислота Н₂СО₃ та її солі (карбонати і гідрогенкарбонати), ціанідна HCN і тіоціанатна HCNS кислоти і солі цих кислот - ціаніди, тіоціанати (роданіди) та ін.

Карбон(ІІ) оксид, абочадний газ, CO - це безбарвний,дуже отруйний газ, який є продуктом неповного згоряння різних видів палива.

З гемовмісними білками, зокрема гемоглобіном крові, карбон(ІІ) оксид утворюєкарбоксигемоглобін - комплексну сполуку, у 200 разів стійкішу, ніж гемоглобін. На відміну від гемоглобіну, карбоксигемоглобін не здатний зв'язувати і переносити кисень від легень до тканин. Тому навіть за незначного вмісту CO в повітрі (0,07 % за об'ємом) настає отруєння людини.

Гідроген ціанід HCN (ціанистий водень) за звичайних умов існує у вигляді рідини, яка добре змішується з водою, утворюючи ціанідну, або синильну кислоту. Ця кислота та її солі (ціаніди) -дуже отруйні сполуки. Навіть у мізерних дозах (ГДК = 0,01 мг/м³) вони спричинюють летальні наслідки, що пояснюється їх високою здатністю до комплексоутворення, особливо з d-елементами. Ціанід-іони CN^- легко зв'язуються з катіонами Феруму, що входять до складу цитохромів - групи важливих ферментів у ланцюзі дихання. Оскільки вміст цитохромів в організмі менший, ніж гемоглобіну, то й зрозумілою є причина значно більшої токсичності синильної кислоти, порівняно з чадним газом (смертельна доза -0,05г).

Проте ціанід-іони утворюються в організмі у мікрокількостях і використовуються ним для побудови деяких біокомплексів, зокрема ціанокобаламіну (вітаміну В₁₂).

Важливою сполукою Карбону(ІV) є діоксид карбону СO₂, або вуглекислий газ, що є кінцевим продуктом біологічного окиснення в клітинах різних біосубстратів - глюкози, ліпідів та, меншою мірою, білків. У хімічному відношенні СO₂ - кислотний оксид, ангідрид карбонатної кислоти Н₂СO₃. Ця кислота при взаємодії з лугами може утворювати середні та кислі солі - карбонати MeСO₃та гідрогенкарбонати МеНСO₃. Питну соду NaHCO₃ використовують для корекції кислотно-основного стану організму.

Гідроген (Н) таОксиген (О). В організмі людини масова частка Гідрогену становить близько 10 % , Оксигену - 62,4 % . Основна маса цих елементів перебуває в ковалентно зв'язаному стані з іншими неметалами - Карбоном, Нітрогеном, Фосфором, Сульфуром - у складі біологічно активних речовин. Клітини використовують сильно відновлені речовини (вуглеводи, ліпіди і частково білки), що містять у молекулах атоми Гідрогену, як енергетичний матеріал. Оскільки в окисно-відновних процесах, що відбуваються у біосистемах, атоми Гідрогену є донорами електронів, то вони переміщуються від однієї молекули до іншої і віддають електрони в ланцюг білкових молекул-носіїв, зокрема цитохромів. Енергія цих електронів витрачається на утворення високоенергетичних сполук, наприклад, молекул АТФ, АДФ та ін.

Атоми Гідрогену можуть втрачати електрон, утворюючи протон Н⁺ за схемою Н - е^- →Н⁺.

Протони у водних розчинах біологічних систем відіграють важливу роль. Вони беруть участь в окисно-відновних процесах, визначають кислотні властивості речовин, підтримують кислотно-основну рівновагу організму, каталізують реакції гідролізу молекул харчових продуктів. Важливою є їхня роль і в процесах метаболізму, зокрема, участь у перетравлюванні їжі у вигляді хлорид- ної кислоти НС1, яка входить до складу шлункового соку.

Особливо велике значення для функціонування біосистем має Оксиген. Як елемент-органоген він входить до складу переважної більшості оксигеновмісних органічних біомолекул - білків, жирів, вуглеводів, фосфоліпідів, нуклеїнових кислот, ферментів, вітамінів та ін.

Без молекулярного кисню не може функціонувати жодна клітина живого організму людини і тварин, оскільки він бере участь в усіх видах обміну речовин. Кисень O₂ є окисником в окисно-відновних процесах, що відбуваються в організмі, тобто виступає акцептором електронів. Реакція його взаємодії з ліпідами, білками і передусім з глюкозою є джерелом енергії, необхідної для виконання організмом різних видів роботи.

Кисень незамінний для здійснення одного з найважливіших життєвих процесів -дихання. Це складний багатоступінчастий біохімічний процес, який детально розглядають у курсах фізіології та біохімії. Ми проаналізуємо тільки його хімічний аспект.

Спочатку кисень, який людина вдихає з повітрям, потрапляє у легені, звідки швидко дифундує в кров, зв'язується з гемоглобіном і розноситься кров'ю до всіх органів і тканин. Основна маса кисню, що потрапила в клітину, сполучається з органічними субстратами окиснення St (вуглеводами, ліпідами, білками) і під дією ферменту оксидази перетворюється на воду і частково на гідроген пероксид.

Таким чином, дихання - це ланцюг послідовних ферментативних перетворень, що відбуваються з перенесенням електронів і протонів від субстрату до кисню.

Нітроген (N) входить до складу молекул багатьох біологічно активних речовин — білків, вітамінів, гормонів, нуклеїнових кислот та ін. Загальна масова частка Нітрогену в організмі людини становить 3,1% . Він є обов'язковою складовою всіх білків (від 15,0 до 17,6 %), відіграє важливу роль в обміні речовин, входить до складу гетероциклічних сполук, які є компонентами амінокислот - триптофану, проліну, гістидину - та нуклеїнових кислот - ДНК, РНК.

Нітроген утворює ковалентні зв'язки з іншими елементами-органогенами, які легко розщеплюються під дією ферментів. У сполуках виявляє ступені окиснення від -3 (амоніак, солі амонію, аміни) до +5 (нітроген(V) оксид, нітратна кислота, нітрати).

Молекулярний азот N₂ характеризується високою термодинамічною стійкістю. За звичайних умов він реагує тільки з літієм. У взаємодію з воднем азот вступає лише за температури 450 °С і тиску 30 МПа, а з киснем - тільки під дією електричного розряду.

Важливими сполуками Нітрогену, що викликають інтерес з погляду їх участі в біохімічних процесах, є аніони нітритної HNО₂ та нітратної HNО₃ кислот. Солі цих кислот потрапляють в організм із продуктами харчування і в надмірних кількостяхтоксичні. Це пояснюють їх взаємодією з йонами Fe(II), що входять до складу гемоглобіну та метгемоглобіну, за такими рівняннями:

Fe²⁺ + NО₂ + 2Н⁺ = Fe³⁺ + NO + Н₂О; Fe²⁺ + 2NО₃ + 8H⁺ = Fe³⁺ + 2NO+4H₂О.

Фосфор (Р) в сполуках буває три- і п'ятивалентним. Найстійкішими є сполуки Фосфору(V), серед яких біологічне значення мають солі ортофосфатної кислоти Н₃Р0₄. У водному розчині фосфатна кислота дисоціює ступінчасто, а з лугами утворює дві кислі МеН₂РО₄, Ме₂НРО₄ і середню Ме₃РО₄ солі, де Me - одновалентний метал. Гідроген- і дигідрогенфосфати входять до складу фосфатної буферної системи організму, яка в комплексі з іншими буферними системами підтримує стале значення рН крові та інших фізіологічних рідин.

Фосфор називають елементом життя і мислення, оскільки він відіграє істотну роль в обміні речовин та енергії. У вигляді фосфат-іонів входить до складу нуклеотидів, які є мономерними одиницями нуклеїнових кислот (РНК і ДНК). Нуклеїнові кислоти - це біологічні полімери, які забезпечують зберігання і передавання інформації. Фосфор є основним компонентом мінеральної основи тканин кісток і зубів, до яких він входить у вигляді важкорозчинних солей. Емаль зубів містить також фторапатит Са₅(PО₄)₃F - нерозчинний у кислотах і механічно стійкіший за гідроксоапатит.

В організмі міститься в середньому 650 г фосфатів, з них понад 80 % знаходяться у скелеті, решта - у внутрішньоклітинній та позаклітинній рідинах. Добова потреба організму у Фосфорі становить 1,3 г. У разі його нестачі, особливо в комплексі з Кальцієм та вітаміном D, розвивається рахіт.

Сульфур (S) у сполуках має валентності IV і VI, від'ємні і додатні значення ступенів окиснення: -2, 0, +2, +4, +6.

Неорганічною сполукою Сульфуру із с. о. -2 є гідроген сульфід H₂S (сірководень). Цеотруйний газ із неприємним запахом тухлих яєць, розчинний у воді. Його водний розчин називають сульфідною кислотою, яка належить до слабких двохосновних кислот. Сульфідна кислота утворює два типи солей - сульфіди MeS і гідрогенсульфіди MeHS.

Сульфід-іони належать до сильних відновників. Тому сірководень реагує з багатьма окисниками, зокрема, з киснем, галогенами, нітратною кислотою, гідроген пероксидом, калій перманганатом та ін., наприклад:

H₂S+C1₂ =S+2HC1; H₂S+4H₂О₂ = H₂SО₄+4H₂О;

H₂S+2HNО₃ =S+2NО₂ +2H₂0.

У живих організмах Сульфур входить до складу амінокислот (цистеїн, цистин, метіонін), ліпідів, а також деяких вітамінів (В₁, Н) та біорегуляторів (інсулін) у ступені окиснення -2. Масова частка Сульфуру в організмі людини становить 0,16 % , найбільше його в кератині, волоссі, кістках та нервовій тканині.

Зі сполук Сульфуру із с. о. +4 слід назвати сульфур(ІV) оксид (сірчистий газ) SО₂, сульфітну кислоту H₂SO₃ та її солі - сульфіти. Оскільки с. о. Сульфуру в цих сполуках має проміжне значення, то в ОВР вони можуть бути як відновниками (реакції (1)-(3)), так і окисниками (реакції (4)-(5)):

2SO₂ +O₂ +2H₂O = 2H₂SO₄ (1);

5SO₂ +2КМnO₄ + 2Н₂O = 2MnSO₄ +2H₂SO₄ +K₂SO₄ (2);

Na₂SO₃ +C1₂ +H₂O = Na₂SO₄ +2HC1 (3);

SO₂ +2H₂S = 3S+2H₂O (4); H₂SO₃+4HI = S+2I₂+3H₂O (5).

Крім того, сполуки Сульфуру (IV) вступають у реакції диспропорціонування, наприклад: 4Na₂SO₃ = 3Na₂SO₄ + Na₂S.

Наведемо приклади деяких лікарських засобів, що містять ці елементи, і коротко розглянемо застосування їх у медичній практиці.

Сполуки Гідрогену та Оксигену. Найважливішою й дуже поширеною в природі сполукою Гідрогену євода Н₂О, яка є добрим розчинником полярних неорганічних та органічних речовин.

У медичній практиці використовують очищену (дистильовану) воду для приготування лікарських форм у розчинах та воду для ін'єкцій.

Другою важливою сполукою Гідрогену є гідроген пероксид. Цю речовину у вигляді концентрованого розчину з масовою часткою Н₂О₂ 30 % (пергідроль) застосовують для лікування гнійних ран, а розчин пероксиду з масовою часткою Н₂О₂ 3 % використовують як дезінфекційний засіб для промивання ран та полоскань при ангіні, стоматитах тощо.

Збагачені киснем газові суміші застосовують при кисневій недостатності, отруєнні хлором, синильною кислотою, фосгеном та ін. В анестезіології кисень використовують у суміші із засобами для наркозу, а також у післяопераційний період. Кисневу суміш для інгаляції, що містить 5 % за об'ємом вуглекислого газу для подразнення центру дихання, називають карбогеном.

Сполуки Сульфуру і сірка. Очищена сірка має протимікробну і протигель- мінтну дію, пригнічує життєдіяльність глистів і сприяє виведенню їх з організму. Знаходить застосування в дерматології для лікування деяких шкірних захворювань.

Сполуки Нітрогену використовують у вигляді естерів нітратної кислоти, наприклад, нітрогліцерин, нітросорбід. Це коронаролітики, які розширюють спазмовані судини серця, і тому їх використовують для лікування серцевих захворювань. Із неорганічних сполук Нітрогену в медичній практиці використовують нітроген(І) оксид N₂О, або «веселильний газ». У малих дозах він викликає стан сонливості й сп'яніння, а в більших - наркоз. Водний розчин амоніаку NH₄OH, або нашатирний спирт використовують як засіб для виведення людини з непритомного стану.

Сполуки Фосфору, зокрема, аденозинтрифосфат(АТФ) та креатинфосфат (неотон), широко використовують як енергетичні препарати при дистрофії м'язів, атонії внутрішніх органів. Кальцій гліцерофосфат - загальнозміцнювальний і тонізуючий засіб - застосовують при перевтомах, виснаженні нервової системи, рахіті.

Добре стимулює кровотворення, посилює ріст і розвиток кісткової тканини, поліпшує функцію нервової системи складний органічний препарат Фосфору, який називають фітином.

Завдання для самостійної роботи

1. Виконати якісну реакцію йона CO₃^2-.

2. Виконати якісну реакцію йона SO₄^2-.

3. Виконати якісну реакцію йона PO₄^3-.