Озон, физико-химические свойства, применение

В медицинской практике широко применяют как саму серу, так и многие её соединения.

Порошок «серы осажденной» применяют наружно в виде мазей и присыпок при лечении кожных заболеваний. В организме образуются продукты окисления серы – политионовые кислоты с общей формулой H₂S_XO₆ (х = 3-6). Эти продукты обладают противомикробной и противопаразитарной ак­тивностью. На этом же основано применение «серы очищенной».

Тиосульфат натрия (Na₂S₂O₃∙5H₂O) применяют как детоксицирующее и противовоспалительное средство. Как детоксицирующее средство его используют при отравлениях соединениями ртути, свинца, синильной кислотой (HCN) и её солями, солями йода и брома. Механизм действия препарата, очевидно, связан с окислением тиосульфат-иона до сульфит-иона и элементарной серы:

S₂O₃^2- ® SO₃^2- S⁰.

Ионы свинца и ртути, попадающие в организм с пищей или воздухом, образуют плохорастворимые нетоксичные сульфиты:

Pb² SO₃^2- ® PbSO₃¯.

Цианид-ионы взаимодействуют с элемен­тарной серой, образуя менее ядовитые тиоцианаты:

CN^— S⁰ ® SCN^—.

Применяют тиосульфат натрия и для лечения чесотки. После втирания в кожу 60% раствора Na₂S₂O₃ делают повторные втирания 6%-ного раст­вора НС1. В результате реакции с НС1 тиосульфат натрия распадается на серу и оксид серы (IV):

Na₂S₂O₃ 2HCl ® 2NaCl SO₂↑ S H₂O,

которые и оказывают губительное действие на чесоточных клещей.

Слабительный эффект Na₂SO₄∙10H₂O  и MgSO₄∙7H₂O, так же как и других солевых слабительных, связан преимущественно с медленным всасыванием из кишечника и увеличением в полости кишечника осмотического давления: под влиянием препарата происходит накопление воды в кишечнике, содержимое его разжижается, перистальтика усиливается и каловые массы быстрее выводятся.

Применение неорганических соединений серы и селена

В медицине и фармации

Sulfur praecipitatum (сера осажденная) S. Применяют наружно в виде мазей (5-10-20%) и присыпок при лечении кожных заболеваний (себореи, сикоза, псориаза, чесотки и др.).

Sulfur depuratum (сера очищенная) S. Применяют внутрь в качестве противоглистного и легкого слабительного средства, а наружно в 5-10-20% мазях и присыпках при лечении кожных заболеваний (себореи, сикоза, псориаза, чесотки и др.). Вхо­дит в состав сложного порошка солодкового корня, применяемого в качестве легкого слабительного.

Natrii sulfas (натрия сульфат) Na₂SO₄∙10H₂O. Назначают внутрь в качестве слабительного средства, показан при пище­вых отравлениях, так как не только очищает кишечник, но и задерживает всасывание яда и поступление его в кровь.

Natrii thiosulfas (натрия тиосульфат) Na₂S₂O₃∙5H₂O. Применяют внутривенно в виде водного 30% раствора и внутрь в виде 10% раствора как противотоксическое, противовоспалительное средство, при аллергических заболеваниях, артритах, невралгиях. Наружно приме­няют для лечения больных чесоткой.

Magnesii sulfas (магния сульфат) MgSO₄∙7H₂O. Применяют в качестве успокаивающего, противосудорожного, спазмолитичес­кого, слабительного, желчегонного средства, при лечении гипертоничес­кой болезни, а также при отравлениях ртутью, мышьяком, тетраэтилсвин­цом, солями бария. Назначают внутрь в виде водных растворов, внутримышечно и внутривенно (20% или 25% растворы).

В аналитической практике широко применяется метод йодиметрического титрования. Из неорганических веществ этим методом анализируют I₂, KMnO₄, Na₃AsO₄, HgCl₂, CuSO₄ и многие органические лекар­ственные препараты — формалин, акрихин, антипирин, анальгин, аскор­биновую кислоту и др. Применяют несколько вариантов метода. Основ­ным веществом, используемым в качестве восстановителя в йодиметрии, является тиосульфат натрия, который реагирует с йодом по уравнению:

2Na₂S₂O₃ I₂ ® Na₂S₄O₆ 2NaI

Тиосульфат применяют для титрования избытка йода, добавляемого в процессе титрования некоторых восстановителей, или йода, образующегося при взаимодействии йодидов с окислителями, например:

Cl₂ 2I^— ® 2Cl^— I₂

Реакции осаждения и растворения сульфидов и сульфатов катионов используются для обнаружения многих катионов. Сульфиды могут быть получены воздействием на соли металлов серо­водорода или сульфидов щелочных металлов и аммония. Большинство сульфидов окрашено, например: РbS – черный; CdS – желтый; Ag₂S – черный; MnS – телесный; Bi₂S₃ – черный; Sb₂S₃ – оранжевый. Катионы Ba² , Сa² , Sr² осаждаются серной кислотой в виде сульфатов, нерастворимых в кислотах и щелочах.

В медицине селен в виде селенита и селената натрия, селенцистеина, селенсодержащих дрожжей применяют для профилактики и лечения различных заболеваний. Селен оказывает лечебный эффект при кардиопатиях различной этиологии, при гепатитах, панкреатитах, заболеваниях кожи, уха, горла и носа. Общеизвестна роль селена в профилактике и лечении злокачественных новообразований. Радиоактивные изотопы селена используются для диагностики болезней поджелудочной железы и др.

Очень ядовит сероводород (H₂S), так как является ингибитором фермента цитохромоксидазы – переносчика электронов в дыхательной цепи. Он блокирует перенос электронов с цитохромоксидазы на кисло­род О₂ за счет связывания атомов меди этого фермента. При вдыхании больших количеств сероводорода наступает обморочное состояние и даже смерть от паралича дыхания. Симптомами отравления сероводорода являются насморк, кашель, резь в глазах, головная боль, тошнота, рвота, возбуждение, а в тяжелых случаях – кома, судороги, отек лег­ких. Смертельная концентрация сероводорода в воздухе – 1,2 мг/л.

Как раздражитель слизистой оболочки дыхательных путей действу­ет оксид серы(IV) (SО₂). Ежегодно в атмосферу выбрасывается 2,3 миллиарда тонн вредных примесей, из которых 14,9% приходится на долю SO₂. При концентрации SO₂ в воздухе 0,5 мг/м³ заболеваемость бронхитом у населения составит 6%, при концентрации 1,0 мг/м³ – 13,2%, при 5 мг/м³ – 71,2%, а при концентрации 6,8 мг/м³ все население заболеет бронхитом. Накопление SО₂ в атмосфере сопровождается образованием сернистой и серной кислот за счет взаимодействия оксидов серы с парами воды и кислородом воздуха:

SO₂ H₂O Û H₂SO₃

SO₂ O₂ ® SO₃ H₂O ® H₂SO₄

H₂SO₃  и H₂SO₄ являются причиной кислотных дождей, наносящих огромный вред окружающей среде.

К источникам избыточного поступления серы в организм человека относятся серосодержащие соединения (сульфиты), которые добавляются во многие пищевые продукты и напитки в качестве консервантов. Токсичность соединений серы при попадании в желудочно-кишечный тракт связана с их превращением микрофлорой кишечника в сероводород.

Для качественного обнаружения сероводорода в растворе исполь­зуют реакции образования малорастворимых сульфидов РbS (черного цвета), CdS (желтого цвета).

Для обнаружения SO₂ в растворе используют реакции обес­цвечивания растворов йода или перманганата калия:

SO₂ I₂ 2H₂O ® 2HI H₂SO₄

5SO₂ 2KMnO₄ 2H₂O ® 2MnSO₄ K₂SO₄ 2H₂SO₄

Токсическая доза селена для человека составляет 5 мг. Соединения селена со степенью окисления 4 (селениты) более токсичны, чем цианиды. Распад соединений селена в организме приводит к выделению высокотоксичного диметилселена CH₃-Se-CH₃, имеющего чесночный запах.

Установлен механизм этой реакции. При взаимодействии селенистой кислоты H₂SеO₃ с тиолсодержащими белками (R−SH) происходит их превращение в белки, содержащие группы –S–Se–S–:

H₂SеO₃ 4R–SH ® R−S−Se−S−R R–S–S–R 3Н₂О

Наличие такой группы может привести к изменению третичной структуры белков и нарушению их биологической функции. Под действием ферментов соединения, содержащие группу –S–Se–S–, восстанавливаются до селеноводорода, который затем присоединяет метильные группы, образуя высокотоксичный диметилселен Н₃С–Se–СН₃.

Избыточное поступление селена и его соединений в организм отмечается у рабочих, занятых в электронной, литейной, медеплавильной, стекольной, лакокрасочной, нефтеперерабатывающей, химической (производство пестицидов) и фармацевтической (производство сульфида селена, селенита натрия) промышленностях.

Тема VI . р-Элементы VII группы: фтор, хлор, бром, йод

Биологическая роль фтора, хлора, брома и йода

По содержанию в организме человека хлор (0,15%) относится к макроэлементам, а остальные элементы этой группы (содержание 10^-5%) являются микроэлементами. Хлор и йод относятся к незамени­мым элементам, а остальные являются постоянными составными частями тканей.

В организме все галогены находятся в степени окисления -1, хлор и бром – в виде гидратированных ионов, а фтор и йод, глав­ным образом, в связанной форме входят в состав некоторых биоорганических соединений. Вследствие уменьшения электроотрицательности в ряду F — С1 — Br — I связь углерода с йодом наименее полярна, поэтому йод находится в живых организмах в виде элементооргани­ческих соединений (со связью С–I).

Фтор. В организме человека масса фтора составляет около 7 мг (10^-5%). Соединения фтора концентрируются в костной ткани, ногтях, зубах.

Недостаток фтора в организме приводит к кариесу зубов. В состав эмали зубов входит труднорастворимый фторапатит Ca₃(PO₄)₂∙CaF₂. Минеральную основу дентина составляют гидроксоапатит 3Ca₃(PO₄)₂∙Ca(OH)₂, хлорапатит 3Ca₃(PO₄)₂∙CaCl₂ и фторапатит 3Ca₃(PO₄)₂∙CaF₂.

Фторид ионы способствуют осаждению фосфата кальция, образуя защитный слой на поверхности зубов.

Под действием кислот, вырабатываемых бактериями, происходит растворение одной из минеральных основ тканей зубов – гидроксоапатита:

3Ca₃(PO₄)₂∙Ca(OH)₂ 10H ® 10Ca² 6H₂PO₄^— 2H₂O

Причем очень часто разрушению подвергается не внешняя поверхность зуба, покрытая слоем эмали, а внутренние участки дентина. Пока эмаль повреждена незначительно (имеются предположения), введение NаF способствует образованию фторапатита, который облегчает реминерали­зацию начавшегося повреждения.

Хлор. Хлорид-ионы играют важную биологическую роль. Они акти­вируют некоторые ферменты, создают благоприятную среду для действия протеолитических ферментов желудочного сока. Для выработки соляной кислоты в желудке необходим NаСl. Помимо важной роли соляной кис­лоты в процессе пищеварения, NаС1 уничтожает различные болезне­творные бактерии (холеры, тифа). В форме соляной кислоты хлорид-ион является необходимым компонентом желудочного сока. Выделение соля­ной кислоты из клеток слизистой оболочки желудка можно описать следующим уравнением:

H₂CO₃(кровь) Cl^— ® HCO₃^—(кровь) HCl(желудок)

Соляная кислота желудочного сока необходима для перехода фермента пепсина в активную форму. Пепсин обеспечивает переваривание белков путем гидролитического расщепления пептидных связей:

R–CO–NH–R₁ H₂O ® R–COOH R₁–NH₂

Хлорид-ионы, образуя ионные слои по обеим сторонам клеточных мембран, участвуют в создании электрического мембранного потенциала, который регулирует ионные потоки через клеточные мембраны, перенос неоргани­ческих и органических веществ сквозь мембраны, участвуют в поддер­жании осмотического равновесия. Имея оптимальный радиус для проник­новения через мембрану клеток, хлорид-ионы совместно с ионами калия и натрия участвуют в создании определенного осмотического давления и регуляции водно-солевого обмена.

Бром локализуется преимущественно в железах внутренней секреции, в первую очередь в гипофизе. Биологическая роль соединений брома в нормальной жизнедеятельности организма еще недостаточно выяснена. Экспериментально установлено, что соединения брома угнетают функцию щитовидной железы и усиливают активность коры надпочечников.

Йод относится к числу незаменимых биогенных элементов, и его соеди­нения играют важную роль в процессах обмена веществ. Он влияет на синтез некоторых белков, жиров, гормонов. В организме человека йода содержится 25 мг (4´10^-5 %) и большая его половина находится в щитовидной железе (в виде гормонов). Щитовидная железа секретирует гормоны тироксин и трийодтиронин. Пониженная активность щитовидной железы (гипотиреоз) может быть связана с уменьшением её способности накапливать йодид-ионы, а также с недостатком в пище йода (эндеми­ческий зоб).

Таким образом, все р-элементы VII группы физиологически активны, хлор и йод незаменимы для нормальной жизнедеятельности организма. В организме галогены взаимозамещаемы, при этом наблюдаются как случаи синергизма, так и антагонизма. Антагонистами йода являются фтор и бром. Конкурируя с йодом, фтор может вытеснять его из йодорганических соединений и подавлять транспорт йода в организме. Поглощению йода щитовидной железой препятствует бром. К синергистам йода относится селен – при дефиците селена йод не усваивается.

Обогащение питьевой воды фтором, т.е. фторирование воды с целью доведения содержания в ней фтора до нормы (1 мг/л) приводит к значительному снижению заболеваемости населения кариесом зубов. Фторирование питьевой воды осуществляется добавлением к ней опре­деленного количества фторида натрия.

В медицинской практике фторид натрия применяют в качестве местно действующего наружного средства. Его применение основано на образовании фторапатита в составе зубной пасты:

NaF 3Ca₃(PO₄)₂∙Ca(OH)₂ ® 3Ca₃(PO₄)₂CaF₂ NaOH

При этом происходит одновременно и подщелачивание среды ротовой полости, что способствует нейтрализации кислот, вырабатываемых бактериями.

Водные растворы натрия хлорида изото­нический (0,9%) и гипертонические (3-5-10%) широко применяют в медицинской практике. Использование гипертонических растворов основано на законах осмоса. Изотонический раствор хлорида натрия изотоничен плазме крови человека; его часто называют «физиологичес­ким». Раствор быстро выводится из сосудистой системы и лишь временно увеличивает объем жидкости, циркулирующей в сосудах, поэтому при кровопотерях и шоке он недостаточно эффективен. Основное применение изотонический раствор натрия хлорида имеет при обезвоживании орга­низма и как дезинтоксикационное средство. Кроме того, его применяют для промывания ран, глаз, слизистой оболочки носа, а также для растворения различных лекарственных препаратов.

Компрессы, смоченные гипертоническим раствором в связи с его осмотическим влиянием, способствуют отделению гноя из раны. Гипер­тонические растворы (местно) оказывают также противомикробное дей­ствие. Хлорид натрия оказывает умеренное диуретическое действие.

Препараты брома обладают способностью концентрировать и усиливать процессы торможения в коре головного, мозга: по данным И.П. Павлова и его учеников, они могут восстанавливать равновесие между процес­сами возбуждения и торможения, особенно при повышенной возбудимости центральной нервной системы.

При эндемическом зобе назначают препараты иода: калия йодид КI или натрия йодид NаI в дозах, соответствующих суточной потребности человека в йоде (0,001 г йодида калия). В районах, где имеется дефицит йода, для профилактики эндемического зоба добавляют к поваренной соли NаI или КI. При повышенной активности щитовидной железы (гипертиреоз) вследствие избыточного синтеза тиреоидных гормонов наблюдается ненормально увеличенная скорость метаболических процессов. При эндемическом зобе йодид-ион исполь­зуют для синтеза гормонов, в то время как при гипертиреозе йодид-ион тормозит йодирование тирозина.

При неэффективности препаратов для лечения гипертиреоза применяют препарат радиоактивного йода ¹³¹I, излучение которого разрушает фолликулы щитовидной железы и уменьшает тем самым избыточный синтез гормонов.

Препараты, содержащие йод, обладают различными свойствами. Элементарный йод оказывает противомикробное действие, его растворы широко применяют для обработки ран, подготовки операционного поля, при нанесении на кожу и слизистые оболочки оказывают раздражающее действие и могут вызвать рефлекторные изменения в деятельности организма. Всасываясь, йод оказывает активное влияние на обмен веществ, усиливает процессы диссимиляции. Особенно выражено его влияние на функцию щитовидной железы, так как он участвует в синтезе тироксина. Суточная потребность организма в йоде состав­ляет около 200-220 мкг. При недостаточности йода происходит нару­шение синтеза тироксина и угнетение функции щитовидной железы, введение йода усиливает в этих случаях синтез тироксина.

Малые дозы йода (Микройод) оказывают тормозящее влияние на образование тиреотропного гормона в передней доле гипофиза. Йод влияет на липидный и белковый обмен. При применении препарата йода у больных атеросклерозом наблюдается тенденция к снижению холестерина в крови, уменьшается содержание b-липопротеидов. Под влиянием препаратов йода несколько уменьшается свертываемость крови. Рефлекторным повышением секреции слизи железами дыхатель­ных путей и протеолитическим действием объясняется применение препаратов йода в качестве отхаркивающих и муколитических средств.

В медицине и фармации

Из-за высокой токсичности соединения фтора в медицине не применя­ются. Однако имеются некоторые лекарственные препараты, в которых атомы фтора входят в состав радикалов.

Vitaftorum (витафтор). Применяют в комплексе лечебно-профилактических мероприятий у детей при кариесе зубов и для улучшения формирования тканей постоянных зубов. Назначают детям, проживающим в районах с недостаточным содержанием фтора (менее 1 мг/л) в питьевой воде. Аскорбиновая кислота предупреждает побочное влияние фтора. Препарат противопоказан при содержании фтора в питьевой воде свыше 1,5 мг/л и при явлениях А и D гипервитаминоза.

Acidum hydrochloricum (кислота соляная разведенная). Применяют внутрь в каплях и микстурах (часто вместе с пепсином) при недостаточной кислотности желудочного сока. При гипохромных анемиях вместе с препаратами железа обычно назначают разбавленную хлороводородную кислоту, она способствует улучшению всасывания и использования железа. Высшие дозы для взрослых внутрь: разовая 2 мл (40 ка­пель), суточная 6 мл (120 капель).

Solutio Natrii chloridi isotonica (раствор натрия хлорида изотонический 0,9% для инъекций). Применяют при обезвоживании организма. Раствор вводят капельно до 3 л в сутки. Раствор натрия хлорида изотонический не оказывает раздражающего действия на ткани, его применяют для промывания ран, глаз, слизистой оболочки носа, а также для растворения различных лекарственных препаратов.

Гипертонические растворы натрия хлорида (3-5-10%) применяют наружно в виде компрессов и примочек при лечении гнойных ран. Гипер­тонический раствор вводят (медленно 10-20 мл 10% раствора) при легочных и кишечных кровотечениях, а также для усиления диуреза. В виде клизмы применяют 5% раствор натрия хлорида для вызывания дефе­кации, 2-5% раствор назначают внутрь и для промывания желудка при отравлениях нитратом серебра, который при этом превращается в не­растворимый и нетоксичный хлорид серебра. Введение гипертонических растворов натрия хлорида под кожу не допускается (некроз тканей).

Натрия хлорид применяют также для ванн, обтираний, полосканий (1-2% раствор) при заболеваниях верхних дыхательных путей.

Solutio Ringer Loche (Solutio Natrii chloridi composita) (раствор Рингера– Локка) имеет более «физиологический» состав, чем изотонический раствор натрия хлорида. Его применяют так же, как и изотонический раствор натрия хлорида.

Kalii chloridum (калия хлорид) КСl. Применяют при гипо­калиемии, интоксикации наперстянкой, аритмиях различного происхож­дения. Принимают в виде 10% водного раствора или растворяют порошок или таблетки калия хлорида в 1/2 стакана воды или во фруктовом соке. Принимают препарат после еды.

Применение калия хлорида противопоказано при нарушении выде­лительной функции почек, в этом случае калий накапливается в плазме крови, что может привести к интоксикации.

Calcii chloridum (кальция хлорид). Применяют при различных патологических состояниях:

а) при недоста­точной функции паращитовидных желез;

б) при усиленном выделении кальция из организма;

в) при аллергических заболеваниях (крапивнице сывороточной болезни, сенной лихорадке;

г) как средство, умень­шающее проницаемость сосудов, при пневмонии, плеврите, эндометрите;

д) при кожных заболеваниях (зуде, экземе, псориазе);

е) при нефрите, паренхиматозном гепатите, токсических поражениях печени.

Применяют как противоядие при отравлении солями магния, щавелевой кислотой и её растворимыми солями, а также растворимыми солями фтороводородной кислоты. CaCl₂ назначают внутрь (5-10 % раствор) и внутривенно (10% раствор). Внутривенно препарат вводят очень медленно. Растворы CaCl₂ нельзя вводить под кожу или внутримышечно, т.к. они вызывают сильное раздражение и некроз тканей.

Calcaria chlorata (хлорная известь) СаОСl₂. Применяют как дезинфицирующее средство в сухом виде и в виде 0,2-5% растворов.

Natrii bromidum (натрия бромид) NaBr. Применяют при неврастении, истерии, неврозах, повышенной раздражительности, бессоннице, началь­ных формах гипертонической болезни, при эпилепсии и холере.

Натрия бромид назначают внутрь в микстурах, таблетках, вводят также внутривенно.

Kalii bromidum (калия бромид) KBr. Назначают только внутрь при тех же показаниях в тех же дозах, что и натрия бромид. Внутривенно не вводят из-за возможного угнетающего влияния ионов калия на прово­димость и возбудимость сердечной мышцы. Часто назначают вместе с калия йодидом.

Solutio Iodi spirituosa 5% (раствор йода спиртовый). Применяют наружно как антисептическое, раздражающее и отвлекающее средство при воспалительных и других заболеваниях кожи и слизистых оболочек. Внутрь назначают для профилактики атеросклероза.

Solutio Lugoli (раствор Люголя). Применяют наружно главным образом для смазывания слизистой оболочки горла, гортани. Внутрь назначают по 5-10 капель 2 раза в день.

Kalii iodidum (калия йодид) КI. Применяют при эндемичес­ком зобе, гипертиреозе, воспалительных заболеваниях дыхательных путей, глазных заболеваниях (катаракта и др.), бронхиальной астме.

Калия йодид – эффективное муколитическое средство, особенно у больных бронхиальной астмой. Применяют в виде 1-3% водного раствора, обильно запивая теплой водой.

Как вспомогательное средство КI назначают больным сифилисом. Препарат способствует рассасыванию инфильтрата, уменьшению болей.

Мазь, содержащая 15% калия йодида, предложена для эпиляции при грибковых поражениях кожи. Применяют также КI (внутрь) при лече­нии кандидозов.

Natrii iodidum (натрия йодид) NaI. Показания к примене­нию и дозы такие же как для калия йодида.

Tabulettae «Antistruminum» (таблетки «Антиструмин»). Применяют для предупреждения эндемического зоба.

В химическом анализе широко применяется йодометрическое титрование. Из неорганических веществ этим методом анализируют KMnO₄, Na₃AsO₄, Hg₂Cl₂, CuSO₄ и многие органические лекар­ственные препараты – формалин, акрихин, анальгин, антипирин, аскор­биновую кислоту, пенициллин и др. В основе йодометрического титрования лежат реакции восстановления свободного йода до йодид ионов и окисле­ния йодид ионов в свободный йод.

фармакопейная реакция с AgNO₃

NaCl AgNO₃ ® AgCl¯ NaNO₃

                                                                                                       ^белый

AgCl не растворяется в кислотах и щелочах, но растворяется в из­бытке раствора аммиака:

AgCl 2NH₃ ® [Ag(NH₃)₂]Cl

                                                                                                     ^{хлорид диамминсеребра (I)}

NaBr AgNO₃ ® AgBr¯ NaNO₃

                                                                                                      ^{светло- желтый}

AgBr частично растворяется в избытке раствора аммиака:

NaI AgNO₃ ® AgI¯ NaNO₃

                                                                                                       ^желтый

AgI нерастворим в растворе аммиака.

Окислители – KMnO₄, MnO₂, NaClO, хлорамин, хлорная вода – в кислой среде окисляют бромиды до свободного брома:

2KMnO₄ 16HCl 10KBr ® 12KCl 2MnCl₂ 5Br₂ 8H₂O

Выделение свободного брома можно обнаружить несколькими способами:

1) В присутствии Br₂ растворы буреют.

2) Органические растворители (хлороформ, бензол) окрашиваютcя Br₂ в оранжевый цвет. При избытке хлорной воды окраска слоя органи­ческого растворителя становится лимонно-желтой вследствие образо­вания бромхлорида BrCl.

3) При действии свободного брома на фуксинсернистую кислоту обра­зуется бромпроизводное фуксинсернистой кислоты, имеющее красно-фиолетовый цвет.

Окислители окисляют йодиды до свободного йода. Чаще всего для окисления йодидов используют хлорную и бромную воду.

Если к испытуемому раствору в присутствии слоя хлороформа добавить хлорную воду небольшими порциями, то сначала происходит окисление I^— до свободного йода и хлороформный слой окрашивается в фиолетовый цвет. При дальнейшем добавлении хлорной воды происхо­дит окисление I₂ до йодноватой кислоты HIO₃ и фиолетовая окраска исчезает:

I₂ 5Cl₂ 6H₂O ® 2HIO₃ 10HCl

Токсическое действие соединений фтора, хлора, брома и

Йода на живой организм

Вреден не только недостаток, но и избыток фтора. При содержа­нии фтора в питьевой воде выше предельно допустимой нормы (1,2 мг/л) зубная эмаль легко разрушается и появляются симптомы хронического отравления фтором — флуороз (фтороз) – повышение хрупкости костей, костные деформации и общее истощение организма.

Жизненно необходимые хлорид-ионы не обладают токсическим дей­ствием, в то время как молекулярный хлор – высокотоксичный газ, применявшийся в первую мировую войну в качестве отравляющего вещест­ва. Газообразный хлор раздражает слизистые оболочки глаз, носа, гортани, вызывает тяжелое поражение легких. Предельно допустимая концентрация газообразного хлора в воздухе 0,001 мг/л.

Злоупотреблять препаратами брома опасно, т.к. накопление брома в организме вызывает отравление. Бромид-ионы легко всасыва­ются в желудочно-кишечном тракте. Их токсичность невысока. Однако вследствие медленного выведения из организма они могут куммулировать, что приводит к развитию хронического отравления, которое называется «бромизмом». При появлении признаков хронического отравления бромом немедленно прекращают прием препаратов брома, вводят большое количество хлорида натрия, чтобы увеличить скорость выделения бромид-ионов и назначают обильное питье.

Большие дозы элементарного йода очень опасны: 2-3 г являются смертельными. Пары йода также ядовиты. Они вызывают сильное катаральное воспаление слизистой оболочки носа и глаз (йодный насморк).

Раздел III. Биогенные элементы d-семейства

Тема I. d-Элементы VI группы: хром, молибден, вольфрам

Биологическая роль хрома, молибдена, вольфрама

Хром относится к биогенным элементам. Общая масса хрома у взрослого человека равняется 6 мг. Как микроэлемент хром изучен еще недостаточно, но его существенная биогенная роль не вызывает сомнения. Установлено, что он играет важную роль в процессе метаболизма углеводов, осуществляя, по-видимому, связывание инсу­лина с рецепторами клеточных мембран. С этим согласуется тот факт, что обычное содержание хрома в сыворотке крови, которое составляет приблизительно 0,03 мМ, резко снижается при введении в кровь глюкозы. Хром потенцирует действие инсулина в периферических клетках, влияет на гомеостаз сывороточного холестерина.

Кроме того, хром входит в состав некоторых ферментов, осу­ществляющих окислительно-восстановительные реакции в клетках. Входит в состав пепсина, расщепляющего белки в пищеварительном тракте животных.

Молибден является эссенциальным (жизненно необходимым) микроэлементом.  По содержанию в организме человека молибден относится к микроэлементам. Он входит во многие ферменты (ксантиндегидрогеназы, ксантиноксидазы, альдегидоксидазы, нитроредуктазы, сульфитоксидазы и др.), которые являются катализаторами окислительно-восстановительных процессов в растительных и живот­ных организмах. Активные центры ферментов обычно содержат молибден, связан­ный с серой. Например, ксантиноксидаза – фермент, ускоряющий обмен сложных белков (в частности, пуриновый обмен):

                                                 _{ксантиноксидаза}

ксантин О₂ H₂O  мочевая кислота H₂O₂

Если мочевая кислота не успевает выводиться из организма, то соли её скапливаются в суставах и мышечных сухожилиях, вызывая подагру. Как лекарственные препараты соединения молибдена в медицинской практике не применяются. Есть данные, что молибден играет важную роль в процессе включения фтора в зубную эмаль.

Вольфрам. В отличиеот молибдена вольфрам не относится к эссенциальным элементам. Однако, вольфрам способен замещать молибден и ингибировать молибдензависимые ферменты, например, ксантиноксидазу, что способствует снижению уровня мочевой кислоты и повышению уровня ксантина и гипоксантина. Есть данные, что вольфрам не обладает канцерогенными, тератогенными и метаболическими свойствами у человека и животных.

Проводятся исследования эффективности применения молибдата аммония для лечения новообразований головного мозга и мужского бесплодия.

Применение неорганических соединений хрома и молибдена

В медицине и фармации

В медицине в лечебных целях соединения хрома из-за высокой токсичности в настоящее время не используются. Для диагностики заболеваний крови и желудочно-ки­шечного тракта применяется pаствор Na₂CrO₄ меченый изотоп ⁵¹Сr для инъекций (Solutio Natrii chromatis chromo – 51 notati pro injectionibus).

Окислительные свойства хроматов и дихроматов широко используют в аналитической практике (хроматометрия). Метод основан на применении дихромата калия как сильного окислителя:

Хроматометрия используется для определения железа(II), урана(IV), меди(I), молибдена(III), некоторых органических веществ.

В санитарно-гигиенической практике применяют хроматометрию для анализа промышленных и сточных вод. В ходе анализа опреде­ляется так называемая окисляемость воды, которая характеризует общее содержание органических и неорганических восстановителей. В лабораторной практике для очистки химической посуды широко применяют хромовую смесь, состоящую из К₂Сr₂О₇, Н₂0 и концентрированной Н₂SО₄ в соотношении 1:6:2 (по массе), которая обладает сильными окислительными свойствами.

Некоторые соединения молибдена применяются в анализе. Молибдат аммония (NH₄)₂MoO₄∙4H₂O используется как аналитический реактив на красный фосфор в присутствии концентрированной азотной кислоты, образуется осадок аммониевой соли гетерополифосформолибденовой кислоты: (NH₄)₃H₄[P(Mo₂O₇)₆].

4. Токсическое действие соединений хрома

Соединения хрома оказывают отрицательное воздействие на организм человека: обще­токсическое, вызывают дерматиты и экземы при соприкосновении с кожей, аллергенное, канцерогенное. Причем соединения хрома(VI) значительно токсичнее, чем соединения хрома(III). Растворимые соединения хрома ядовиты: пары хромовой кислоты повреждают слизистые оболочки носа и дыхательных путей, хроматы и дихро­маты разъедают кожу и вызывают экзему, а также повышают чув­ствительность к аллергенам. При приемах внутрь наблюдаются ожоги слизистой оболочки полости рта, ожоги пищевода и желудка, отечность. В литературных источниках имеются разноречивые данные о смертельной дозе хроматов 0,2-0,5-1 г и даже 8 г.

При содержании в водоемах соединения хрома(VI) могут вызвать поражение внутренних органов при потреблении с питьевой водой, а при купании – воспалительные изменения слизистых глаз, дерматиты и экземы, а также оказать канцерогенное действие. Предельно допустимая концентрация хрома в питьевой воде 0,05 мг/л. В аналитической практике используют способность ионов тяжелых металлов образовывать труднорастворимые хроматы:

                                                                                                          ^{кирпично-красный}

Ag₂CrO₄ растворяется в растворе аммиака и азотной кислоте.

                                                                       ^желтый

Реакцию проводят в уксуснокислой среде, в которой PbCrO₄ не­растворим. В щелочной среде PbCrO₄ растворяется с образованием плюмбитов:

PbCrO₄   4OH^— → PbO₂^2- CrO₄^2- 2H₂O

Ba² CrO₄^2- → BaCrO4↓

                       ^{желтый кристаллический}

BaCrO₄ растворяется в сильных кислотах. В присутствии Н₂SO₄ желтый BaCrO₄ переходит в белый BaSO₄.

2Ba² Cr₂O₇^2- H₂O → 2BaCrO₄↓ 2H

                                                                                    ^желтый

1. Биологическая роль марганца

Марганец – один из десяти металлов жизни. Он является важным биогенным элементом, который необходим для нормального протекания процессов в организме. Марганец является эссенциальным элементом для человека и животных. Соединения марганца в основном поступают в организм с пищей. Всасывание марганца происходит в тонком кишечнике. Этому процессу способствуют витамины В₁, Е, в умеренных количествах фосфор и кальций, а препятствует – избыточное поступление в организм фосфора и кальция. Среднесуточная потребность человека в марганце около 5 мг, она удовлетворяется той пищей, которую мы едим. Биоусвояемость марганца низкая и составляет всего 3-5%. В органах и тканях взрослого человека содержится около 12 мг марганца. Концентрируется он главным образом в костной ткани (до 43% от общего количества), печени, почках, под­желудочной железе.

В организме марганец образует комплексы с белками, нуклеиновыми кислотами (РНК и ДНК) и аминокислотами. Хотя эти комплексы из-за большого радиуса катиона Mn² и его жесткости обычно мало устойчивы, но способствуют активации большого числа ферментов. Установлено, что биогенная роль ионов марганца (II) в организме разнообразна: они оказывают влияние на кроветворение, образование костей, минеральный обмен, процессы размножения и др. Так как ионные радиусы марганца и магния близки, они могут замещать друг друга в биохимических процессах. Марганец участвует в таком жизненно важном процессе, как аккумуляция и перенос энергии в организме, доказано его участие в синтезе витаминов группы В и С. В опытах на животных установлено влияние марганца на образование гемоглобина. Имеются данные, что это влияние марганца проявляется при некотором оптимальном соотношении марганца и железа. Таким образом, марганец – жизненно необходимый элемент.

Следует отметить, что в организме марганец находится в степени окисления _­ 2, но его восстановительные свойства не выражены. Участвуя в биохимических процессах, марганец, как правило, не меняет своей степени окисления. Очевидно, это связано с тем, что в организме нет сильных окислителей, а также с тем, что органические лиганды стабилизируют состояние марганца(II).

Дефицит марганца является одним из распространенных отклонений в биоэлементном обмене современного человека. Это связано с повышенной психо-эмоциональной нагрузкой, за счет повышенного расходования марганца для обеспечения основных нейрохимических процессов, протекающих в центральной нервной системе.

2. Лечебное действие неорганических соединений марганца

Из соединений марганца в медицинской практике используют перманганат калия. Применяют растворы различных концентраций (в зависимости от заболевания). В целом растворы КМnO₄ обладают антисептическими и прижигающими свойствами и используются для обработки поверхности кожи и слизистых оболочек, что обусловлено окислительным и коагулирующим действием его на белки. Лечебное действие KMnO₄ основано на реакции:

4KMnO₄  2H₂O → 4MnO₂↓ O₂↑ 4KOH

Образующийся MnO₂ оказывает вяжущее, раздражающее и прижигающее действие, а выделяющийся кислород обладает антимикробным и дезодорирующим действием. Кислород выделяется без образования пузырьков, поэтому растворы KMnO₄ можно вводить в глубокие раны при анаэробной инфекции.

Перманганат калия является препаратом наружного действия. Иногда раствор КМnО₄ применяют внутрь для окисления токсичных органических веществ, переводя их в менее токсичные формы. Например, морфин окисляется в мало токсичный оксиморфин.

Кроме того, в комплексе с другими компонентами используют сульфат и хлорид марганца(II) для лечения анемии. При больших кровопотерях также применяют соединения марганца в сочетании с солями меди(II) и кобальта(II).

3. Применение неорганических соединений марганца в медицине

и фармации

Kalii perm a nganas (калия перманганат) КМnO₄. Применяют как антисептическое средство наружно в водных растворах для промывания ран (0,1-0,5%), для полоскания полости рта и горла (0,01-0,1%), для смазывания язвенных и ожоговых поверхностей (2-5%), для спринцеваний и промываний в гинекологической и урологической практике (0,02-0,1%). Растворы

(0,02-0,1%) применяют также для промывания желудка при отравлениях морфином, аконитином и другими алкалоидами, а также фосфором.

Для анализа ряда химических соединений и лекарственных препаратов, обладающих свойствами восстановителей, Н₂О₂, NaNО₂, FеSО₄ и др. применяют растворы перманганата калия, который и дал название методу – перманганатометрия. Определение проводят в кислой среде в присутствии серной кислоты:

MnO₄^–  8H   5e^— → Mn²   4H₂O

Используют также восстановление перманганат-ионов в нейтральной среде до МnО₂ (бурого осадка) по полуреакции:

MnO₄^–  2H₂O  3e^— → MnO₂¯  4OН^–

Перманганатометрию используют в клиническом и биохимическом анализе для определения некоторых ферментов, а также для определения мочевой кислоты в крови. В санитарно-гигиенической практике используют перманганат калия для определения окисляемости воды в промышленных и сточных водах.

4. Токсическое действие соединений марганца на живой организм

При действии на организм через органы дыхания соединения марганца приводят к тяжёлым поражениям центральной нервной системы, а также действуют на почки, органы кровообращения и легкие. Предельно допустимая концентрация его соединений в воздухе равна 0,0003 мг/л в пересчёте на марганец. Описаны случаи острого отравления марганцевой пылью на производстве, с последующим быстрым развитием «марганцевого психоза» и других патологических проявлений.

Всемирная организация здравоохранения установила предельно до­пустимую концентрацию в питьевой воде марганца 0,5 мг/л и желательную – 0,1 мг/л.

При попадании в организм перманганаты токсичны из-за сильных окислительных свойств. При полосканиях, спринцеваниях концентрированными растворами перманганата калия наблюдается отёк слизистых оболочек с последующими воспалительными явлениями, приводящими иногда к общему отравлению организма.

Независимо от способа введения марганец выводится из организма через желудочно-кишечный тракт и почки. Основным органом, задерживающим марганец, является печень.

Для лечения острых отравлений перманганатами используют 3%-й раствор пероксида водорода в уксуснокислой среде:

2KMnO₄ 5H₂O₂ 6CH₃COOH → 2Mn(CH₃COO)₂ 2CH₃COOK 8H₂O 5O₂↑

Биологическая роль железа, кобальта, никеля

Железо. По содержанию в организме человека железо относится к жизненно необходимым микроэлементам. Большая часть железа (”70%) сосредоточена в гемоглобине крови. Железо входит в состав ферментов, например, цитохромов, каталазы и др. В связанной форме железо находится в белках, которые выполняют роль переносчиков железа.

Комплексы железа:

а) Гемоглобин

Наиболее важным внутрикомплексным соединением железа является гемоглобин, который представляет собой белок, содержащий небелковую группу – гем. Гем – это бионеорганический комплекс железа (II) с органическим веществом – порфирином.

Физиологическая функция гемоглобина заключается в способности обратимо связывать кислород и переносить его от легких к тканям. Если гемоглобин условно обозначить HbFe² , то реакцию обратимого присоединения кислорода можно выразить схемой:

                                               ^{дезоксигемоглобин                     оксигемоглобин}

Гемоглобин, присоединивший кислород, называется оксигемоглобином, а без кислорода – дезоксигемоглобином. Гемоглобин взаимодействует также с оксидом углерода(II) (угарным газом). При этом образуется макроциклический комплекс с железом – карбоксигемоглобин:

                                                                                                  ^{карбоксигемоглобин}

Константа устойчивости этого комплекса приблизительно в 200 раз больше, чем оксигемоглобина. Поэтому при вдыхании оксида углерода(II) большая часть гемоглобина переходит в карбоксигемоглобин, что нарушает перенос кислорода от легких к тканям и вызывает отравление организма. При значительном увеличении парциального давления кислорода равновесие реакции может сместиться в сторону разрушения [Hb ∙ Fe² ∙ CO] и частичного образования оксигемоглобина.

Серьезной причиной отравления оксидом углерода(II) является курение. Содержание карбоксигемоглобина в крови курильщика, выкуривающего пачку сигарет в день, составляет в среднем 4,7%, а у некурящих всего – 0,3-0,5%.

б) Миоглобин (Mb)

Комплексообразователем в миоглобине является ион Fe² , который, предоставляя 6 свободных атомных орбиталей, образует 6 связей по донорно-акцепторному механизму. Из них 4 связи железо образует с порфириновым лигандом, пятая занята белком глобином, а шестая связь – молекулой воды, которая связана лабильно с комплексообразователем. Миоглобин связывает часть кислорода, поступающего в ткань, за счет замещения молекулы воды на молекулу кислорода, образуя оксигемоглобин [Mb ∙ Fe² ∙ O₂]:

Миоглобин достаточно прочно удерживает кислород. Это позволяет тка­ням запасать кислород для его использования только при острой кислородной недостаточности.

в) Цитохромы – группа окислительно-восстановительных ферментов, представ­ляющих собой гемсодержащий комплекс с белком. Функция комплекса заключается в переносе электрона за счет обратимого изменения степени окисления комплексообразователя:

г) Каталазы и пероксидазы– группа железосодержащих ферментов, активные центры которых содержат Fe³ . Каталаза ускоряет разложение H₂O₂:

Пероксидаза ускоряет реакции окисления субстратов RH₂ пероксидом водорода:

RH₂ H₂O₂ R∙ 2H₂O

Таким образом, эти ферменты защищают клетку от Н₂О₂ — продукта свободного окисления.

д) Ферритин

В органах и тканях имеется депонированное (запасенное) железо, которое используется, если возникает дефицит железа. Депонируется оно с помощью белка – ферритина, который представляет собой биокластер с высокой молекулярной массой.

Кобальт относится кжизненно необходимым (эссенциальным) элементам. В организме содержится 1,2 мг кобальта в основном в составе витамина В₁₂, центральным атомом которого является Со³ . Витамин В₁₂ необходим для нор­мального кроветворения и созревания эритроцитов, синтеза аминокис­лот, белков, РНК, ДНК.

Никель. В организме человека никель содержится в количестве 5-13,5 мг, около 49% микроэлемента в мышечной ткани, кроме того в лёгких, коже, печени. В организме человека он входит в состав ряда ферментов. Установлено, что никель пролонгирует действие инсулина, что увеличивает его гипогликемическую активность. Никель оказывает влияние на ферментативные процессы, окисление аскорбиновой кислоты, ускоряет процесс перехода сульфгидрильных групп в дисульфидные. Он угнетает действие адреналина и снижает артериальное давление.

2. Лечебное действие соединений железа и витамина В₁₂

Соединения железа(II) используются при различных заболеваниях, сопровождающихся анемией. Механизм терапевтического действия соединений железа(II) связан с образованием гемоглобиновой буферной системы. Гемоглобиновая буферная система является буферной системой эритроцитов, которая включает в качестве донора протона две слабые кислоты: гемоглобин HHb (рК_a=8,20) и оксигемоглобин HHbO₂ (рК_a=6,95). Роль акцепторов протона играют сопряженные этим кислотам основания, т.е. их анионы Hb^– и HbO₂^–. Механизм буферного действия гемоглобиновой буферной системы основан на следующих реакциях. При добавлении кислоты:

Поглощать ионы Н в первую очередь будут анионы гемоглобина, который имеет большое сродство к протону. При действии основания наибольшую активность будет проявлять оксигемоглобин по сравнению с гемоглоби­ном:

Таким образом, гемоглобиновая система крови играет очень значительную роль сразу в двух важнейших физиологических процессах – дыхании и поддержании постоянства рН внутри эритроцитов, а в конечном итоге – крови. Гемоглобиновая буферная система в организме эффективно функционирует только в сочетании с гидрокарбонатной системой.

Лечебное действие витамина В₁₂ заключается в том, что некоторые его формы образуют в качестве кофермента соединения с витамином В₆ или с некоторыми ферментами. В этих случаях он выполняет две основные функции: 1) роль метилирующего агента; 2) взаимный перенос атомов водорода и различных групп между соседними атомами углерода биосубстрата, при этом кобальт восстанавливается:

3. Применение соединений железа и кобальта в медицине и фармации

Ферковен Fercovenum (содержит железа сахарат, кобальта глюконат и раствор углеводов) – применяется при анемии.

Железа лактат (Ferri lactas) – применяется при гипохромных анемиях.

Железа закисного сульфат (Ferrosi sulfas) – применяется при анемии.

Ферроплекс (FeSO₄ с аскорбиновой кислотой) (Ferroplex) – применяется при анемии.

Железа глицерофосфат (Ferri glycerophosphas) – применяется при анемии, астении.

Железа (III) хлорид (Ferri chloridum) – дезинфицирующее и кровоостанавливающее средство.

Железо восстановленное (Ferrum reductum) – при анемии.

Феррум Лек (Ferrum Lek) – применяется внутримышечно и внутривенно при лечении гипохромной анемии.

Радиоактивные изотопы железа (⁵⁹Fe) – применяют при исследованиях обмена железа в организме.

Коамид Coamidum – содержит кобальт – применяется для лечения анемии.

Витамин В₁₂ или цианокобаламин Cyanocobalaminum – применяется при лечении анемии, нервных заболеваний.

Изотоп радиоактивного кобальта ⁶⁰Со – применяют для диагностики и лечения злокачественных опухолей.

На живой организм

Железо. Порог токсичности железа для человека составляет 200 мг/сутки. Летальная доза для человека: 7-35 г. Летальным исходом для ребенка может стать прием сульфата железа в дозе 3 г и выше. Недостаток содержания железа в организме является одной из самых распространенных причин возникновения анемии, обильных кровотечений, нарушения нервно-психических функций и снижения интеллекта у детей. Люди с избыточным содержанием железа страдают от физической слабости, теряют вес, чаще болеют. При этом избавиться от избытка железа намного труднее, чем устранить его дефицит. Необходимо помнить, что железо является окисляющим агентом (т.е. может явиться причиной возникновения свободных радикалов, способных разрушать ткани), поэтому не следует применять препараты железа в избыточных количествах.

Кобальт. Токсическая доза для человека 500 мг. Летальная доза для человека не определена. Летальная доза кобальта для животных составляет 25-30 мг/кг. Недостаток В₁₂ в организме вызывает злока­чественную анемию. Дефицит кобальта часто встречается у вегетарианцев, лиц с нарушениями функций органов желудочно-кишечного тракта, спортсменов, испытывающих повышенные физические нагрузки; а также при кровопотерях. Основные проявления дефицита кобальта выражаются в общей слабости, повышенной утомляемости, снижении памяти, вегетососудистых нарушениях, аритмии, замедленном развитии в детском возрасте, медленном выздоровлении после заболеваний.

Несмотря на то, что избыточное поступление кобальта в организм встречается довольно редко, этот процесс сопровождается различными нарушениями здоровья.Основные проявления избытка кобальта: поражение сердечной мышцы, аллергодерматиты (контактный дерматит), гиперплазия щитовидной железы, поражение слухового нерва, повышение артериального давления и уровня липидов в крови, повышение содержания эритроцитов в крови.

Никель. Металлический никель не опасен, а вот пыль и пары его соединений – токсичны. Никель способен накапливаться в роговице, поэтому отравление им может привести к значительному ухудшению зрения. Отравление никелем также негативно сказывается на пищеварительном тракте и на нервной системе. Никель – канцерогенное вещество. Особенно вредны летучие соединения никеля, в частности, его тетракарбонил [Ni(CO)₄]. Предельно допустимая концентрация никеля в воздухе составляет от 0,0002 до 0,001 мг/м³ (для различных соединений). Согласно ГОСТ 12.1.005-88 никель и его летучие соединения относятся к I классу опасных веществ.

Недостаточность никеля приводит к ингибированию нескольких печеночных энзимов, дезорганизует функционирование эндоплазматического ретикулума гепатоцитов, дыхательные процессы в митохондриях, изменяет содержание липидов в печени. Подобно кобальту, никель участвует в регуляции метаболизма гема в печени и почках, индуцируя активность гемоксигеназы. Повышенное содержание никеля в организме человека вызывает аллергические реакции (контактный дерматит).

Тема IV. d-элементы I, II группы: медь, серебро, цинк, ртуть

Биологическая роль меди, серебра, цинка, ртути

Медь. По содержанию в организме медь относится к микроэлементам, является металлом жизни и концентрируется в печени, головном мозге и в крови.

В настоящее время известно около 25 медьсодержащих белков и ферментов. Эти ферменты активируют молекулу кислорода, которая участвует в процессе окисления органических соединений. Они состав­ляют группу так называемых оксигеназ и гидроксилаз. Имеется большая группа медьсодержащих белков, которые катализируют окислительно-восстановительные реакции с переносом протона или электронов от окисляемого вещества непосредственно на молекулярный кислород – это так называемые оксидазы. К оксидазам относится такой важнейший дыхательный фермент, как цитохромоксидаза (ЦХО), которая катали­зирует завершающий этап тканевого дыхания. Все ферменты тканевого дыхания связаны с внутренними мембранами митохондрий. В ходе ката­литического процесса степень окисления меди цитохромоксидазы обратимо изменяется:

Окисленная форма цито­хромоксидазы (Сu² ) принимает электроны, переходя в восстановитель­ную (Сu ) форму, окисляющуюся молекулярным кислородом, который сам при этом восстанавливается. Затем кислород присоединяет протоны из окружающей среды и превращается в воду. Механизм действия цитохромо­ксидазы не полностью расшифрован. Однако доказано, что на заверша­ющем этапе тканевого дыхания ЦХО осуществляет перенос электронов на кислород.

Одним из медьсодержащих белков, обратимо присоединяющих молекулярный кислород, является гемоцианин (НС).

Медь вместе с железом участвует в кроветворении. Известно, что при дефиците меди в организме нарушается обмен железа между плазмой крови и эритроцитами, это может привести к разрушению эритроцитов. Потребность человека в меди 2-3 мг в сутки. Она полностью обеспечивается потребляемой пищей.

Серебро − примесный микроэлемент. В организме человека содержится приблизительно 7,3 ммоль серебра. Концентрируется серебро в печени, в гипофизе, эритроцитах, в пигментной оболочке глаза.

Цинк является микроэлементом и относится к металлам жизни. В организме концентрируется главным образом в мышцах, печени, поджелудочной железе, тестикулах.

Цинк входит в состав более 40 металлоферментов, которые катализируют гидролиз пептидов, белков, некоторых эфиров и альдегидов. По-видимому, эта роль в определенной степени обусловлена тем, что цинк не проявляет разных степеней окисления. Постоянная степень окисления определяет его участие в реакциях гидролиза, идущих без переноса электронов.

Одним из ранее открытых и наиболее изученных является цинксодержащий фермент – карбоангидраза. Этот фермент крови, содержа­щийся в эритроцитах, встречается в трех формах, которые отличают­ся активностью. Фермент состоит приблизительно из 260 аминокислот­ных остатков и представляет собой бионеорганический комплекс.

Цинк, расположенный в полости комплекса является важнейшим и незаменимым компонентом активного центра фермента. При удалении Zn фермент теряет каталитическую активность. Содержание цинка в фер­менте порядка 0,33%. Хотя доля металла невелика, его роль трудно переоценить. Именно благодаря этому небольшому количеству цинка образующийся в тканях оксид СО₂ превращается в кислоту Н₂СО₃. Затем в легких идет процесс дегидратации Н₂СО₃. Таким образом, эта обратимая реакция влияет на процесс дыхания, на его скорость, на газообмен в организме.

Существуют ферменты, которые участвуют в гидролизе дипептидов, они называются дипептидазами, в их состав обязательно входит цинк. Цинк входит в состав гормона инсулина, который влияет на содержа­ние сахара в крови. Другими словами, цинк участвует в углеводном обмене.

Ртуть обнаруживается во всех органах и тканях организма человека. Биологическая роль ртути не ясна.

2. Лечебное действие неорганических соединений меди, серебра и ртути

Медь. Высокое сродство металлов I группы к сере определяют большую энергию связи Ме–S, а это, в свою очередь, обусловило определенный характер их поведения в биологических системах. Катионы этих металлов легко взаимодействуют с веществами, в состав которых входят группы, содержащие cеру. Например, ионы Cu² реагируют с дитиоловыми ферментами микроорганизмов по схеме:

Включение ионов металлов в состав белка инактивирует ферменты, разрушает белки. Такой же механизм лежит и в основе действия лекарственных препаратов, содержащих медь и серебро, применяемых в дерматологии.

Серебро. Как и большинство тяжелых металлов, этот элемент не играет важной роли. Но как все тяжелые металлы, попадая в организм, оказывает токсическое действие, которое обусловлено тем, что, соединяясь с белками, содержащими серу, серебро инактивирует фер­менты, разрушает и свертывает белки, образуя нерастворимые альбуминаты. Эта же способность серебра образовывать нерастворимые альбуминаты с белками определяет бактерицидные свойства серебра и его соединений. Уже при содержании серебра порядка 10^-8 ммоль/л вода обладает бактерицидным действием. В настоящее время доказано, что бактерицидное действие ионов серебра выше таких известных дезинфицирующих средств, как карболовая кислота, хлор, хлорная известь.

Как правило, все используемые в медицине соединения серебра -препараты наружного действия. Их использование основано на вяжущих, прижигающих и бактерицидных свойствах этих соединений.

Некоторые соединения цинка и ртути в небольших концентрациях нашли применение в медицинской практике. Использование их основано на вяжущем, при­жигающем и антисептическом действии. Так, цинка сульфат применяют для изготовления глазных капель (0,25%), цинка хлорид используют в стоматологической практике для прижигания папилом, для лечения воспаленных слизистых тканей. В стоматологической практике используют также цинка оксид и цинка сульфат.

3. Применение неорганических соединений меди, серебра, цинка и ртути в медицине и фармации

Cupri sulfas (меди II сульфат) CuSO₄∙5H₂O – антисептическое и вяжущее средство в виде 0,25% раствора при коньюнктивитах, для промывания мочевого пузыря, при уретритах и вагинитах.

Аrgenti nitras (серебра нитрат) AgNO₃ – вяжущее, прижигающее и противовоспалительное средство. Назначают в виде водных растворов, мазей, а также в виде ляписных карандашей.

Stillius Lapidis (карандаш ляписный ) – для прижиганий.

Protargoli (протаргол) – вяжущее, антисептическое противовоспалительное средство для смазывания слизистых оболочек верхних дыхательных путей, для промывания моче­испускательного канала и мочевого пузыря, в глазных каплях при коньюнктивите, блефарите.

Collargolum (колларгол) – коллоидный раствор серебра применяют в виде 0,2-1% раствора для промывания гнойных ран.

Zinci sulfas (цинка сульфат) ZnSO₄∙7H₂O – антисептическое и вяжущее средство при коньюнкти­витах и хроническом катаральном ларингите, в редких случаях назначают внутрь как рвотное.

Zinci oxуdum (цинка оксид) ZnO – применяют наружно в виде присыпок, мазей, паст, как вяжущее, подсушивающее и дезинфицирующее средство при кожных заболеваниях.

Hydrargyri dichloridum (ртути II хлорид) HgCl₂ − обладает антисептическим действием.

Hydrargyri amidochloridum  (ртути амидхлорид) HgNH₂Cl – обладает антисептическим действием.

В настоящее время лекарственные препараты ртути в виду токсичности не применяются.

5. Токсическое действие соединений меди, серебра и ртути

 на живой организм

Медь. В больших концентрациях растворимые соли меди токсичны. Так например, сульфат меди массой до 2 г вызывает сильное отравление с возможным смертельным исходом. Токсическое действие меди объяс­няется тем, что медь образует с белками нерастворимые бионеоргани­ческие хелаты − альбуминаты, что приводит к коагуляции белков. Ионы меди обра­зуют прочную связь с аминным азотом и с группой –SН белков, что приводит к инактивации тиоферментов.

Серебро, попадая в организм оказывает токсическое действие, обусловленное тем, что соединяясь с белками, содержащими серу, инактивирует, разрушает и коагулирует белки, образуя нерастворимые альбуминаты.

При попадании в организм больших доз растворимых солей серебра может наступить острое отравление, которое сопровождается отмиранием слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта. Раство­римые соединения цинка и ртути оказывают раздражающее действие на кожу, а при попадании внутрь организма вызывают отравление.

Ртуть является самым токсичным элементом Периодической системы. Отравления могут вызывать даже пары металлической ртути. Признаки отравления проявляются уже при содержании ртути в помещении в количестве 0,0002-0,0003 мг/л. Соединения ртути способны вступать во взаимодействие с сульф­гидрильными группами белков, ферментов и некоторых аминокислот. При этом образуются нерастворимые соединения. Происходит подавление активности ферментов и свертывание белков.

Ионы ртути блокируют одно­временно две SН–группы:

Тема I . s–Элементы I и II групп: литий, натрий, калий,

Магний, кальций, стронций, барий

1. Биологическая роль s-элементов I и II групп

По содержанию в организме человека Na, K, Mg, Ca относятся к макроэлементам, Li – к микроэлементам.

Литий. По содержанию в организме человека (10^-4%) литий относится к микроэлементам. Он концентрируется в лимфоузлах, легких, печени, головном мозге, в мышцах. Биологическая роль лития выяснена недостаточно. Имеются сведения, что литий способствует высвобождению ионов магния и тормозит передачу нервных импульсов, снижая этим возбудимость центральной нервной системы. Установлено, что литий влияет на нейроэндокринные процессы, жировой и углеводный обмен. Синергистом лития является натрий.

Натрий. В организме человека содержится около 60 г (0,08%) натрия. Из этого количества 44% приходится во внеклеточной жидкости и 9% – во внутриклеточной. Остальное – в костной ткани, в сыворотке крови, спинно-мозговой, глазной жидкостях, пищеварительных соках, желчи, почках, легких, мозге.

Ионы натрия играют важную роль в обеспечении постоянства внутренней среды организма, участвуют в поддержании постоянного осмотического давления биожидкостей (осмотический гомеостаз).

Фосфатная буферная система (Nа₂НРО₄–NaH₂PO₄) обеспечивает кислотно-основное равновесие. Ионы Nа участвуют в регуляции водного обмена и влияют на работу ферментов. Вместе с ионами К , Mg² и Са² ионы Na участвуют в передаче нервных импульсов через мембраны нервных клеток и поддерживают нормальную возбудимость мышечных клеток. NаС1 – основной источник соляной кислоты для желудочного сока.

В организме натрий поступает в основном в виде поваренной соли, ежедневная потребность – 1 г, хотя среднее потреб­ление достигает 4-7 г. Избыточное потребление NаС1 способствует появлению гипертонии.

Концентрация ионов Nа внутри клетки в 15 раз меньше, чем во внеклеточной жидкости, а концентрация ионов К в 35 раз выше внутри клетки, чем вне её.

Чтобы поддержать такое распределение, ионы Nа и К должны непрерывно перемещаться, что обеспечивается работой натрий-калиевых насосов. Эти насосы, обеспечивающие перенос ионов через плазматичес­кую мембрану против градиента концентрации, требуют большой затраты энергии. Поэтому перенос ионов Nа и К через клеточные мембраны сопряжен с экзоэргонической реакцией гидролиза АТФ. Натрий-калиевый градиент обусловливает возникновение разности потенциалов на клеточ­ной мембране.

Рис. 1. Схема действия ионов Na , K – АТФ-азы и возникновения разности потенциалов на клеточных мембранах

За счет энергии гидролиза одной молекулы АТФ три иона Nа выводятся из клетки, а два иона К поступают внутрь клетки (рисунок 2).

Такой дисбаланс электрических зарядов и служит причиной возникно­вения разности потенциалов на мембране, в частности, нервных волокнах.

Калий. В организме человека содержится 160 г (0,23%) калия. Калий –основной внутри­клеточный катион (2/3 от общего количества активных клеточных катионов). Из общего количества калия – 98% находится внутри клеток; 2%– во внеклеточной жидкости. Его топография – печень, почки, сердце, костная ткань, мышцы, кровь, мозг и т.д.

Ионы К играют важную роль в физиологических процессах, сокращении мышц, нормальном функционировании сердца, проведении нервных импульсов, обменных реакциях. Ионы калия – важные активаторы ферментов, находящихся внутри клеток. Ионы Nа и К принимают участие в биокатализе, образуя смешанные комплексы типа фермент–катион–субстрат. Калий образует комплексы с ферментами и субстратами, что играет важную роль в транспорте ионов. Как уже отмечалось, антибиотик валиномицин избирательно взаимодействует с ионом К , образуя прочный комплекс (с ионами натрия в очень незначительной степени). В связи с этим, валиномицин можно рассматривать как биологическую модель переносчика ионов К через плазматические мембраны в клетку.

С пищей обычно потребляется 2-3 г калия в сутки. При калиевом истощении применяют КСl.

Магний. В организме человека содержится около 20 г (0,027%) магния. В наибольшей степени магний концентрируется в дентине и эмали зубов, костной ткани, поджелудочной железе, скелетных мышцах, почках, мозге, печени и сердце. Концентрация ионов Мg² внутри клеток в 2,5-3 раза выше, чем во внеклеточных жидкостях.

Имея меньший радиус иона и, соответственно, больший ионный потенциал, ион Мg² образует более прочные связи с биолигандами, чем ион Са² , поэтому явля­ется более активным катализатором ферментативных процессов. Ион Мg² входит в состав различных ферментативных систем, являясь активатором и незаменимым компонентом (в карбоксипептидазу, холинэстеразу и др.) Только избыток ионов Мg² может обеспечить гидролиз АТФ, сопряженный с рядом ферментативных реакций, образует гидрофостфат-ион HPO₄^2- с выделением большого количества энергии.

Кальций. Общее содержание кальция в организме 1,4%. Основная масса кальция находится в костной и зубной тканях.

Ионы Са² принимают участие в передаче нервных импульсов, сокращении мышц и регулировании работы сердечной мышцы. Кальций практически не используется внутри клетки, он выступает в качестве строительного материала в организме. В костях и зубах он находится в виде нерастворимого гидроксоапатита – Са₅(РО₄)₃(ОН). Минеральную основу зубных тканей (дентина) составляют также фтор-апатит Са₅(РО₄)₃F и хлорапатит Са₅(РО₄)₃Cl.

Стронций. Общее содержание стронция в организме человека 10^-3%. Находится он главным образом в костной ткани, частично замещая кальций. Играет важную роль в процессах остеогенеза.

Барий. По содержанию в организме человека (10^-5%) относится к примесным элементам. Он накапливается преимущественно в сетчатке глаза. Барий является токсичным для организма. Он оказывает нейротоксическое, кардиотоксическое и гемотоксическое действие. Механизм токсического действия ионов бария заключается в том, что они, имея одинаковый радиус с ионами калия, конкурируют с ними в биохимических процессах и замещают их, что приводит к гипокалиемии. 

В медицине и фармации

Litii с arbonas (лития карбонат) Li₂CO₃. Соли лития предложены давно для лечения подагры и растворения почечных камней. Установлено, что препараты лития обладают способностью купировать острое маниакальное возбуждение у психически больных. Дозы Li₂CO₃ устанавливаются индивидуально, постоянно проводя лабораторные исследования содержания лития в сыворотке крови. Во время лечения карбонатом лития возможно временное увеличение массы тела и формирование зоба, возможны нарушения функции почек, увеличение концентрации лития в крови. Выпускают Li₂CO₃ в форме таблеток, покрытых оболочкой по 0,3 г.

Natrii chloridum (натрия хлорид) NaCl. Натрия хлорид содержится в крови и в тканях, жидкостях организма. В крови массовая доля NaCl равна 0,5%, его содержанием обеспечивается постоянство осмотического давления крови. Изотонический (физиологический) раствор для инъекций – Solutio Natrii сhloridum isotonica pro injectionibus – водный раствор натрия хлорида 0,9%. Его вводят под кожу, внутривенно при больших потерях жидкостей и при интоксикациях. Условное название «физиологический» – он получил в связи с тем, что его раствор изотоничен плазме крови человека. Его применяют для растворения различных лекарственных препаратов и для капельных вливаний. Гипертонические растворы натрия хлорида (3-5-10%) – применяют наружно в виде компрессов и примочек при лечении гнойных ран. Введение этих растворов под кожу не допускается, т.к. вызывает некроз тканей.

Kalii chloridum  (калия хлорид) KCl. Применяется как источник ионов калия при гипокалиемии и как антиаритмическое средство, оказывает умеренное диуретическое действие. Внутрь назначают по 1 г, или внутривенно 4% растворы.

Magnesii oxydum (магния окись) MgO. Применяется как антацидное средство, нейтрализует соляную кислоту желудочного сока:

MgO 2HC1 ® MgCl₂ H₂O

В отличие от NaHCO₃ антацидное действие MgO не сопровождается вторичной гиперсекрецией. Образующийся MgCl₂, переходя в кишечник, оказывает послабляющий эффект. Магния окись (MgO) входит в состав комбинированного препарата альмагель. 

Magnesii sulfas (магния сульфат) MgSO₄∙7Н₂О. Магния сульфат при парентеральном применении оказывает успокаивающее действие на центральную нервную систему. В зависимости от дозы наблюдаются различные эффекты лечебного действия, такие как седативный, снотворный или наркотический. Магния сульфат как наркотическое средство не применяется, так как при малейшей передозировке легко вызывают паралич дыхательного центра. Он оказывает также желчегонное действие, что связано с рефлекторным раздражением нервных окончаний слизистой оболочки двенадцатиперстной кишки. Таким образом сульфат магния применяют в качестве противосудорожного, спазмолитического и слабительного средства.   

Magnesii peroxydum (магния перекись) – смесь MgO (85%) и MgO₂ (15%). Применяют при диспепсии, брожении в кишечнике, поносах. Лечебный эффект частично связан с действием MgO и частично – с образованием Н₂О₂ в желудке:

MgO₂ 2HCl ® MgCl₂ H₂O₂

Magnesii subcarbonas (магния карбонат основной) Mg(OH)₂∙4MgCO₃∙H₂O. Применяют наружно как присыпку, внутрь – при повышенной кислотности желудочного сока и как лёгкое слабительное. Входит в состав таблеток «Викалин» и «Викаир».

Calcii chloridum (кальция хлорид) СаС1₂∙6H₂O. Применяют при различных патологических состояниях: при недостаточной функции паращитовидных желез, при усиленном выделении кальция из организма, при аллергических заболеваниях, как средство, уменьшающее проницаемость сосудов, при кожных заболеваниях (зуде, экземе, псориазе и др.), при токсических поражениях печени, как кровоостанавливающее средство, как противоядие при отравлении солями магния, щавелевой кислотой и солями фтороводородной кислоты.

Растворы кальция хлорида вводят внутривенно, так как они обладают сильным раздражающим действием и вызывают некроз тканей.

Calcii sulfas ustus (кальция сульфат жженый, гипс) CaSO₄∙2H₂O. Применяют в травматологии для наложения гипсовых повязок и стоматологической практике.

Barii sulfas pro roentgeno (бария сульфат для рентгеноскопии) BaSO₄. Применяют внутрь в виде водной суспензии как контрастное средство при рентгенологическом исследовании пищевода, желудка и кишечника.

Некоторые соединения s-элементов I и II групп применяются в качестве реактивов при анализе лекарственных веществ в фармацевтическом анализе, а также при анализе лекарственного растительного сырья. Например: NaOH, KOH, Ca(OH)₂ и др.

3. Токсическое действие соединений s-элементов на живой организм

Биогенные элементы в избытке могут оказывать токсическое действие, так как при этом нарушается химический гомеостаз. Например, избыток калия угнетающе действует на сердечную деятельность, поэтому прием препаратов калия строго дозируется. При повышенном содержании натрия в организме происходит нарушение функций нервной, сердечно-сосудистой и других систем, гладких и скелетных мышц.

Один из s-элементов бериллий не относится к биогенным элементам, но обладает высокой токсичностью.

Ионы бериллия подавляют активность многих ферментов, активируемых ионами Мg² в результате замещения ионов Мg² в его комплексах с ферментами. Это объясняется тем, что ион Ве² , попадая в организм, образует более прочные комплексы чем ион Мg² с кислородсодержащими и другими лигандами, которые присут­ствуют в живых организмах, оказывая тем самым токсическое действие. Высокопрочные комплексы бериллия с фосфат-ионами хорошо растворимы по сравнению с менее проч­ными комплексами магния. Поэтому, магний и бериллий являются антагонистами:

В результате попадания бериллия в организм возникает заболева­ние – «бериллиевый рахит».

Кальций близок по физико-хими­ческим характеристикам к стронцию и барию, поэтому ионы Sr² и Ba² являются синергистами иона Са² . При избытке ионов Sr² возникает эндемическая уровская болезнь, которая была обнаружена у населения, проживающего у реки Уровы в Восточной Сибири. Анализ почвы этого района показал повышенное содержание в ней стронция. В костной ткани прои­зошло вытеснение ионов Са² ионами Sr² , который не способен выполнять функции Са² .

Избыток стронция вызывает размягчение и искривление костей, а также их ломкость – стронциевый рахит. Кроме того, избыток стронция вытесняет цинк из соединений с белками.

Соединения бария очень токсичны. Механизм токси­ческого действия этих солей заключается в том, что ионы Ва² , имея одинаковый радиус с ионом К , конкурируют с ним в биохимических процессах. В результате такой замены возникает гипокалиемия. Ионы Ba² могут проникать и в костные ткани, замещая в ней ионы Са² , вызывая эндемические заболевания. Такое замещение имеет место вследствие того, что растворимость фосфатов щелочно-земельных металлов уменьшается в ряду Са – Sr – Ва и равно­весие смещается вправо:

3SrX_2(p-р) Ca₃(PO₄)_2(т) Û Sr₃(PO₄)_2(т) 3CaX_2(p-р)

где X = Cl^—, HCO₃^— и др.

Образование очень прочного и малорастворимого фосфата бария – Ва₃(РО₄)₂ в костной ткани, нервных клетках и мозговом веществе обусловливает токсичность иона Ва² .