Токсикологическая роль элементов и их неорганических соединений

Раздел I . Общая характеристика биоэлементов

Классификация и топография элементов

Химические элементы, необходимые для построения органов и тканей и жизнедеятельности живых организмов, называются биоэлементами или биогенными. Биоэлементы классифицируются по двум основным группам. Первая группа – органогены, они составляют основу всех живых систем. К ним относятся 6 элементов: C, H, O, N, P, S. Их доля в организме составляет 97,4%. Вторая группа – жизненно необходимые (эссенциальные) элементы – это биометаллы (металлы жизни) – Na, K, Ca, Mg, Cu, Fe, Co, Zn, Mn, Mo, V, а также неметаллы Cl, I. Основное их назначение – осуществлять жизненные процессы в живых организмах. По количественному содержанию биоэлементы делятся на макроэлементы, микроэлементы и примесные. Содержание макроэлементов в организме выше 10^-2%. К ним относятся: O, C, H, N, Ca, S, P, K, Mg, Fe, Na, Cl, Zn. Содержание микроэлементов в организме составляет 10^-3-10^-5%. К этим элементам относятся I, Cu, Mn, Mo, Co, V, B, F, Br, Ba. Примесные элементы (ультрамикроэлементы) – элементы, которые постоянно содержатся в организме человека и животных в очень малых количествах, меньших 10^-5%. К ним относятся Al, As, Sb, Be, Si, Li, Sn, Cr, Pb, Cd, Ni, Ag, Hg, Sr, Se и др.

Топография элементов в организме чрезвычайно многообразна. Органы и ткани человека по-разному концентрируют в себе различные химические элементы. Большинство микроэлементов накапливаются в печени, костной и мышечной тканях. Некоторые элементы могут концентрироваться в больших количествах в определенных органах. Например, Zn – в поджелудочной железе, I – в щитовидной, F – в эмали зубов; Al, As, V – в волосах и ногтях; Cd, Hg, Mo- в почках; Ba – в пигментной сетчатке глаза; Br, Mn, Cr – в гипофизе и т.д. Макроэлементы С, H, O, N, S, P – входят в состав белков, нуклеиновых кислот и других биологически активных соединений, Кроме того, Н и О являются составными частями воды, на долю которой приходится 65% от массы организма взрослого человека. C, H и O входят в состав углеводов и жиров. Ca концентрируется в костной ткани в виде Ca₃(PO₄)₂ и в основном содержится в неклеточных жидкостях, а K и Mg – во внутриклеточных.

Большую долю вещества живых организмов составляют элементы, которые имеют довольно высокую распространенность в биосфере и земной коре (O, H, K, Ca, Mg, Na и др). Однако есть исключения (Si, Al – много в земной коре и микроколичества в живых организмах).

Взаимосвязь между электронным строением, биологической ролью

Элементов и их токсичностью

Количественное содержание и биологическая роль химических элементов обратно пропорциональна их порядковым номерам. Поэтому основу организма человека составляют элементы первых четырех периодов Периодической системы. В основном это р-элементы (C, O, N, P, S, Cl) и s-элементы (H, Na, K, Ca, Mg). Большинство металлов жизни – d-элементы 4 периода (Fe, Co, Cu, Mn, Zn, V). Исключением являются d-элемент Mo и р-элемент I, которые расположены в 5 периоде. Большинство элементов 5, 6 и 7 периодов чужеродны и очень токсичны для организма (Hg, Ag, Cd, Sr, Ba, Tl, Pb, Sn). Существует прямая зависимость между величиной радиуса и токсичностью: чем больше эффективный радиус, тем более токсичен элемент (Hg, Tl, Pb), однако есть исключение (Be, As).

Роль биогенных элементов в организме

Основу живых систем составляют элементы-органогены (С, Н, O, N, P, S). Органогеном номер один является углерод (содержание в организме 21,15%). Как основа структуры всех органических веществ, О и Н являются носителями окислительных и восстановительных свойств органических соединений. Соотношение О и Н в биомолекулах определяет тенденцию этих соединений к диспропорционированию и взаимодействию их с водой – внутренней средой живых организмов. Остальные три органогена – N, P, S – являются активными центрами ферментов и входят в состав белков – основы жизни. Для органогенов характерно образование растворимых в воде соединений, что способствует их концентрированию в живых организмах. Характерным для органогенов, а также для некоторых биометаллов (Fe, Mg и др.) является исключительное разнообразие образуемых ими связей. Это в значительной мере определяет разнообразие биомолекул в живых организмах.

Второй группой после органогенов являются металлы жизни (Na, K, Ca, Mg, Cu, Co, Fe, Zn, Mo, Mn, V) и два неметалла (Cl и I). Они постоянно содержатся в организме человека, входят в состав ферментов, гормонов и витаминов. Их задача осуществлять жизненные процессы в организме. Однако, некоторые из них используются организмом как структурная основа тканей, например, Ca, Mg – структурная основа костной ткани. Дефицит жизненно необходимых элементов приводит к серьезным нарушениям жизненных процессов. Примесные элементы – это элементы, постоянно содержащиеся в организме человека и животных в очень малых количествах. Биологическая роль их недостаточно выяснена или неизвестна.

Биологическая роль химических элементов в организме чрезвычайно многообразна. Главная функция макроэлементов состоит в построении тканей, поддержании постоянства осмотического давления, ионного, и кислотно-основного гомеостаза. Микроэлементы участвуют в обмене веществ, процессах размножения, тканевого дыхания, обезвреживания токсических веществ, активно влияют на процессы кроветворения, окисления-восстановления и др.

Если происходит замещение одних ионов химических элементов другими с усилением их активности, то такое явление называется синергизмом, а с угнетением активности – антагонизмом (например, для Na – Li является синергистом, а K – антагонистом).

Биогенные элементы играют важную роль в жизни растений. Поэтому они нашли широкое применение в сельском хозяйстве. Добавление в почву незначительных количеств микроэлементов (B, Cu, Mg, Zn, Co, Mo) резко повышает урожайность многих культур. Микроэлементы, увеличивая активность ферментов в растениях, способствуют синтезу белков, витаминов, нуклеиновых кислот, углеводов. Некоторые элементы положительно действуют на фотосинтез, ускоренный рост и развитие растений, созревание семян. Микроэлементы добавляют в корм животных, чтобы повысить их продуктивность.

Токсикологическая роль элементов и их неорганических соединений

Токсичными в основном являются элементы с высокой величиной эффективного радиуса (Hg, Cd, Ag, Pb, Ba, Be, Ti и др.). Их токсическое действие связано с тем, что они образуют прочные комплексы с сульфгидрильными (тиоловыми) SH–группами белков:

R–S–H + Hg²⁺ + R–S–H ® R–S–Hg–S–R + 2H⁺

Большинство микроэлементов в норме характеризуется высоким биологическим значением для жизнедеятельности организма, однако при избыточном содержании они вредны и даже токсичны.

Дата добавления: 2018-09-20; просмотров: 737; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!