Основы химии биогенных элементов. Биоэлементы неметаллы. Кислород. Азот. Сера. Углерод. Йод. Кремний

Углерод широко распространен в космосе; на Солнце он занимает 4-е место после водорода (H), гелия (He) и кислорода (O).

Биологическая роль углерода

Углерод - биогенный элемент. Его соединения играют особую роль в жизнедеятельности растительных и животных организмов (среднее содержание углерода 18%).

Атомы углерода обладают способностью образовывать цепи типа "углерод-углерод" любой длины и различной степени разветвленности; эти цепи могут замыкаться в кольца (циклические разновидности углеводородов). Углерод способен к образованию неограниченного количества структурных и пространственных соединений с электронположительными и электронотрицательными элементами. В настоящее время известно несколько миллионов органических соединений; на углеродной основе построена вся жизнь на земле.

Соединения углерода (углеводы, белки, жиры, ДНК и РНК, гормоны, амино- и карбоновые кислоты ) участвуют в построении всех тканей организма, обеспечении жизнедеятельности животных и растений.

Главной функцией углерода является формирование разнообразия органических соединений, тем самым обеспечивая биологическое разнообразие, участие во всех функциях и проявлениях живого. В биомолекулах углерод образует полимерные цепи и прочно соединяется с водородом, кислородом, азотом и другими элементами. Столь существенная физиологическая роль углерода определяетсятем, что этот элемент входит в состав всех органических соединений и принимает участие практически во всех биохимических процессах в организме.

Окисление соединений углерода под действием кислорода приводит к образованию воды и углекислого газа; этот процесс служит для организма источником энергии.

Двуокись углерода CO₂ (углекислый газ) образуется в процессе обмена веществ, является стимулятором дыхательного центра, играет важную роль в регуляции дыхания и кровообращения.

Метаболизм углерода

В организм человека углерод поступает с пищей (в норме около 300 г в сутки). Общее содержание углерода достигает около 21% (15 кг на 70 кг общей массы тела). Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани. Выводится из организма преимущественно с выдыхаемым воздухом (углекислый газ) и мочой (мочевина).

Токсичность углерода

В свободном виде углерод не токсичен, но многие его соединения обладают значительной токсичностью. К таким соединениям следует отнести окись углерода СО (угарный газ), четыреххлористый углерод CСl₄, сероуглерод СS₂, соли цианистой кислоты HCN, бензол С6Н6 и другие. Углекислый газ в концентрации свыше 10% вызывает ацидоз (снижение рН крови), одышку и паралич дыхательного центра.

Длительное вдыхание каменноугольной пыли может привести к антракозу, заболеванию, сопровождающемуся отложением угольной пыли в ткани легких и лимфатических узлах, склеротическими изменениями легочной ткани. Токсическое действие углеводородов и других соединений нефти у рабочих нефтедобывающей промышленности может проявиться в огрубении кожи, появлении трещин и язв, развитии хронических дерматитов.

Для человека углерод может быть токсичен в форме окиси углерода (СО) или цианидов (CN-).

Концентрация углерода над источниками горения 100--400 мкг/мі, крупными городами 2,4--15,9 мкг/мі, сельскими районами 0,5 -- 0,8 мкг/мі.

Токсическое действие 14С, вошедшего в состав молекул белков, определяется радиационным воздействием бета частиц и ядер отдачи азота (14С (в) > 14N) и трансмутационным эффектом -- изменением химического состава молекулы в результате превращения атома С в атом N.

Применение соединений углерода

Соединения углерода используются в виде топлива (уголь, нефть, газ, горючие сланцы), применяются в химической и сталелитейной промышленности, в полиграфии, в пищевой промышленности и во многих других областях человеческой деятельности.

В фармакологии и медицине широко используются различные соединения углерода - производные угольной кислоты и карбоновых кислот, различные гетероциклы, полимеры и другие соединения. Так, карболен (активированный уголь), применяется для абсорбции газов и выведения из организма различных токсинов; графит (в виде мазей) - для лечения кожных заболеваний; радиоактивные изотопы углерода - для научных медицинских исследований и т.д.

Йод

Общие сведения

Йод - элемент VII группы периодической системы, ат. н. - 53, ат. м. - 127. Название происходит от греч. iodes (фиолетовый), поскольку такой цвет имеют пары йода. Открыт в 1811 г. Б. Куртуа (Франция).

Йод это твердый, черный, блестящий неметалл. Йод испаряется при обычной температуре, а при нагревании возгоняется. Йод плохо растворим в воде, значительно лучше он растворяется в органических растворителях. Обладает высокой химической активностью и способностью к перемене валентности.

В природе йод встречается в виде солей (йодидов и йодатов) и в составе морской соли, преимущественно в виде йодистого натрия и йодистого магния. В морской воде содержится до 50 мкг/л йода. Морские водоросли, такие как ламинария и др., могут содержать до 1% йода.

Йод применяется для изготовления органических красителей, искусственных каучуков, чистых металлов, в фото и кинопромышленности.

В древнем Китае, еще за 3000 лет до н.э., сожженные морские губки и водоросли применялись для лечения зоба (заболевание щитовидной железы, вызванное дефицитом йода). В Греции, две с половиной тысячи лет назад, Гиппократ прописывал пациентам идентичное средство. Впоследствии было установлено, что недостаточное для человека содержание йода в пище и воде является причиной йододефицитных заболеваний.

В СССР было налажено производство йодированной соли, и в течение нескольких десятилетий успешно проводилась массовая профилактика йододефицитных заболеваний. В настоящее время в связи с распространением эндемического зоба, в России предпринимаются меры по снижению распространенности йододефицитных заболеваний. Однако, несмотря на активное применение йодированной соли в развитых странах, нехватка йода остается одним из наиболее распространенных минеральных дефицитов в мире. Достаточно сказать, что от этого минерального дефицита страдает более 1 млрд. человек. Согласно рекомендациям ВОЗ, в мире применяются 4 метода профилактики йододефицитных заболеваний: йодирование соли, хлеба, масла и прием обогащенных йодом биологически активных добавок к пище.

В медицинских целях йод используется в лекарственных препаратах, применяемых, в частности, при заболеваниях щитовидной железы («Йодтирокс»). Йод входит в состав "бытовой" настойки йода в спирте, раствора Люголя, ряда препаратов, таких как «Йокс», «Калий-йодид», «Йодипол». Радиоактивный йод применяется для диагностики заболеваний щитовидной железы. Некоторые препараты йода служат в качестве рентгеноконтрастных веществ при исследованиях сосудов и сердца («Йодамид»), матки и фаллопиевых труб («Йодолипол»), печени и желчного пузыря («Билигност»). Йод используют в гинекологической практике для профилактики и лечения инфекционных заболеваний как средство для местного применения.

Физиологическая роль йода

Йод является жизненно-важным элементом, не генотоксическим. Полагают, что оптимальная интенсивность поступления йода в организм составляет 100-150 мкг/день. Дефицит йода может развиться при поступлении этого элемента в организм в количестве менее чем 10 мкг/день, а порог токсичности равен 5 мг/день.

Основными источниками йода для организма человека являются морепродукты, а также применяемые в пищевой промышленности йодофоры и йодированная соль. Содержание йода в пищевых продуктах и питьевой воде значительно варьируется. Количество йода во фруктах и овощах зависит от состава почвы и удобрений, а также от того, какую обработку прошли эти продукты. Наиболее богаты йодом такие морепродукты, как треска, красные и бурые водоросли, пикша, палтус, сельдь, сардины, креветки.

Таким образом, йод поступает в организм с продуктами растительного и животного происхождения и отчасти с водой. Всасывается йод преимущественно в верхнем отделе желудочно-кишечного тракта. Прием натуральных продуктов не вызывают побочных эффектов, даже при избыточном содержании в них йода.

В норме в организме человека содержится 15-25 мг йода, причем половина от этого количества находится в щитовидной железе. В щитовидной железе концентрация йода составляет 1000-12000 мкг/г, тогда как в печени - 0,2 мкг/г, в яичниках, легких - 0,07 мкг/г, в почках - 0,04 мкг/г, в лимфоузлах - 0,03 мкг/г, в мозге, семенниках и мышцах - 0,02 мкг/г. По нашим данным, норма содержания йода в волосах человека составляет около 4 мкг/г. Вероятно, йод накапливается также в слизистой оболочке желудка, слюнных и молочных железах во время лактации. Выводится йод из организма преимущественно через почки.

Йод обладает высокой физиологической активностью и является обязательным структурным компонентом тиреотропного гормона и тиреоидных гормонов щитовидной железы. Перечислим основные функции йода в организме:

- участие в регуляции скорости биохимических реакций;

- участие в регуляции обмена энергии, температуры тела;

- участие в регуляции белкового, жирового, водно-электролитного обмена;

- участие в регуляции обмена некоторых витаминов;

- участие в регуляции дифференцировки тканей, процессов роста и развития организма, в том числе нервно-психического;

- индукция повышения потребления кислорода тканями.

Токсическая доза для человека: 2 мг.

Летальная доза для человека: 35-350 г.

Пониженное содержание йода в организме.

Как уже было сказано, около 1 млрд. человек на земле страдают от дефицита йода. Основной причиной снижения содержания йода в организме является недостаточный уровень этого элемента в пище и воде, что, в свою очередь, приводит к развитию йододефицитных состояний и заболеваний (эндемический зоб, гипотиреоз, дистериоз, кретинизм и др.), которые сопровождаются разнообразными функциональными и структурными нарушениями.

Причины дефицита йода:

- недостаточное поступление:

- снижение потребления морепродуктов;

- прекращение йодной профилактики;

- наличие в пище струмогенных факторов, препятствующих усвоению и утилизации йода;

- прием фармпрепаратов, обладающих струмогенным действием;

- нарушение регуляции обмена;

- повышение радиационного фона;

- загрязнение окружающей среды;

- аллергизация организма.

Основные проявления дефицита йода:

- увеличение выработки и выделения гормонов щитовидной железы;

- формирование зоба;

- развитие йододефицитных заболеваний:

- гипотиреоз (нервно-психические расстройства, вялость);

- сонливость, отеки лица, конечностей и туловища;

- повышенное содержание холестерина, брадикардия;

- запоры;

- кретинизм (резкое отставание психического и физического развития, низкорослость, деформации скелета);

- глухонемота, параличи;

- снижение фертильности, мертворождения, врожденные аномалии развития;

- повышенная перинатальная смертность;

- снижение интеллектуального уровня.

Коррекция недостатка йода в организме.

Для профилактики дефицита йода в эндемичных по зобу регионах и в группах риска, к которым относятся девочки-подростки и беременные женщины, применяют йодированную соль, морепродукты. Для лечения больных с дефицитом йода используют йодид калия (100 или 200 мкг/сутки, часто в комбинации с L-тироксином). В качестве дополнительных средств рекомендован прием витаминно-минеральных комплексов, которые содержат Zn, Se, Cu и витамины группы В. Препараты содержащие Сo, Mn, Br, Li и F могут ухудшать усвоение йода организмом.

Йод

Йод широко используется в медицине, хотя в чистом виде он практически не применяется.

Йод - уникальное лекарственное вещество. Он определяет высокую биологическую активность и разностороннее действие лекарственных препаратов, и используют его в основном для изготовления различных лекарственных форм.

Различают четыре группы препаратов йода:

1. содержащие элементарный йод (3- или 5%-ный раствор йода спиртовой, раствор Люголя); 2) неорганические йодиды (калия и натрия йодид) - большинство выпускаемых препаратов содержат от 25 до 250 мкг микроэлемента;

2. органические вещества, отщепляющие элементарный йод (йодоформ, йодинол и др.);

3. йодсодержащие органические вещества, в молекуле которых йод прочно связан (рентгенконтрастные вещества).

Препараты, содержащие йод, обладают различными свойствами.

- Элементарный йод оказывает противомикробное и противогрибковое (фунгицидное) действие, его растворы широко применяют для обработки ран, подготовки операционного поля и т. п. Они обладают противовоспалительными и отвлекающими свойствами, при нанесении на кожу и слизистые оболочки оказывают раздражающее действие и могут вызвать рефлекторные изменения в деятельности организма.

- Препараты йода блокируют накопление радиоактивного йода в щитовидной железе и способствуют его выведению из организма, тем самым снижают лучевую дозу и ослабляют радиационное воздействие.

- При приеме внутрь препараты йода оказывают влияние на обмен веществ, усиливают функцию щитовидной железы. Малые дозы йода тормозят функцию щитовидной железы, угнетая образование ширеотропного гормона передней доли гипофиза. Данное свойство используют при лечении больных с заболеваниями щитовидной железы.

- Установлено также, что йод влияет на обмен жиров и белков. При применении йодных препаратов наблюдается снижение уровня холестерина в крови и уменьшение ее свертываемости.

- Рефлекторным повышением выделения слизи железами дыхательных путей и протеолитическим действием (расщеплением белков) объясняется применение препаратов йода в качестве отхаркивающих и муколитических (разжижающих мокроту) средств.

- Для диагностических целей используют рентгенконтрастные вещества, содержащие йод.

- Искусственно полученные радиоактивные изотопы йода 1-123, 1-125, 1-131 используются для определения функционального состояния щитовидной железы и лечения ряда ее заболеваний.

Применение радиоактивного йода в диагностике связано со способностью йода избирательно накапливаться в щитовидной железе; использование в лечебных целях основано на способности излучения радиоизотопов йода разрушать клетки железы, вырабатывающие гормоны.

Препараты йода применяют наружно и внутрь: наружно используют как обеззараживающие, раздражающие и отвлекающие средства при воспалительных и других заболеваниях кожи и слизистых оболочек, внутрь - при атеросклерозе, хронических воспалительных процессах в дыхательных путях, при третичном сифилисе, для профилактики и лечения эндемического зоба, при хроническом отравлении ртутью и свинцом.

В экспериментах высокие дозы йода использовались для лечения полиомиелита, вирусных заболеваний и некоторых болезней центральной нервной системы.

К числу немногих специфически женских нарушений здоровья, вызванных гормональными расстройствами, при которых могут помогать препараты йода, правда, в большой дозировке, относятся фиброзно-кистозная мастопатия (заболевание молочной железы), эндометриоз (занос слизистой оболочки тела матки в различные ткани и органы) и фиброма матки (доброкачественная опухоль).

Лечебное действие минерала обусловлено тем, что он помогает превращению эстрадиола -более активной и, возможно, вызывающей рак разновидности эстрогена (женского полового гормона), - в менее активный и более безопасный эстриол.

В случае длительного применения препаратов йода, их передозировки и повышенной чувствительности к ним возможны явления йодизма (о нем речь пойдет ниже).

Противопоказаниями к применению препаратов йода внутрь являются туберкулез легких, заболевания почек, фурункулы, угревая сыпь, хроническая пиодермия (гнойнички на коже), геморрагические диатезы, крапивница, хронический ринит, повышенная чувствительность к йоду.

Препараты йода, относительно дешевые и доступные, применяемые с давних времен в качестве высокоэффективных лечебно-профилактических средств с самыми разными показаниями, не потеряли своей актуальности и сегодня.

Йодом интересуются не только медики. Он нашел свое применение во многих отраслях человеческой деятельности.

- В аналитической химии и органическом синтезе йод и его соединения используются в лабораторной практике для анализа и в хемотронных приборах, действие которых основано на окислительно-восстановительных реакциях йода. Как катализатор (ускоритель реакций) йод используется в производстве всех видов искусственных каучуков. Подобно другим галогенам йод образует многочисленные йодоорганические соединения, которые входят в состав некоторых синтетических красителей.

- В фотографии и кинопромышленности соединения йода используют для приготовления специальных фотоэмульсий и фотопластинок.

- В промышленности на термическом разложении йодидов основано получение высокочистых металлов - кремния, титана, гафния, циркония (йодидный способ).

Йодные препараты используют в качестве сухой смазки для трущихся поверхностей из стали и титана. В Венгрии работает предприятие по изготовлению ламп накаливания мощностью до 10 кВт. Стеклянная колба ламп наполнена не инертным газом, а парами йода, которые сами излучают свет при высокой температуре.

Ученые раскрыли много тайн йода. Но, чтобы узнать все его свойства, нужна длительная исследовательская работа.

Кремний

Общие сведения

Кремний - элемент IV группы периодической системы с атомным номером 14.

В чистом виде креммний был выделен в 1811 году французскими учеными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром.

В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF4 получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex -- кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российский химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе в греческого kremnos -- «утес, гора».

Кремний устойчив к химическим воздействиям. Занимает 2-е место среди других элементов по распространенности в земной коре. Природным источником кремния служит кремнезем, кварц имножество разнообразных силикатов. Черный аморфный кремний можно получить при восстановлении песка SiO2 углеродом. Аморфный кремний не реагирует с кислородом, водой и кислотами (за исключением плавиковой кислоты).

Биоиологическая роль кремния

Кремний относится к числу эссенциальных для человека и животных элементов. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных -- у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы -- диатомовые водоросли, радиолярии, губки. Мышечная ткань человека и костная ткань содержат достаточно много кремния, в крови содержится 3,9 мг/л кремния.

Предполагается, что кремний функционирует как биологический структурообразующий фактор соединений, которые вносят вклад в архитектуру и упругость соединительной ткани. Соединительные компоненты ткани, в которых кремний вероятно играет фундаментальную роль - это коллаген, эластин и мукополисахариды.

Концентрация кремния в аорте с возрастом снижается, что косвенно указывает на значимость биоэлементного статуса кремния в патогенезе атеросклероза.

Метаболизм кремния

О метаболизме кремния известно немного. Хотя кремний является одним из наиболее распространенных в земной коре химических элементов, в обычных условиях он усваивается организмом в очень малых количествах.

Всего в организме взрослого человека содержится около 1 г кремния. В организме усваивается около 4% от общего количества поступившего кремния. Несмотря на существенные колебания в количестве поступающего в организм кремния, его содержание в крови остается стабильным. В наиболее высоких концентрациях кремний содержится в соединительной ткани: стенках аорты, трахеи, связках, костях, коже (особенно в эпидермисе), волосах и лимфоузлах. В мышцах и паренхиматозных органах содержание кремния существенно ниже.

Увеличение потребления кремния повышает экскрецию у людей с мочой до довольно четких пределов.

Суточная потребность в кремнии

Суточная потребность в кремнии находится в диапазоне от 5 до 20 мг. Некоторые ученые полагают, что оптимальная интенсивность поступления кремния составляет 50-100 мг/день.

Дефицит кремния может развиваться при недостаточном поступлении этого элемента в организм (5 мг/день и менее).

Пищевые источники кремния

Потребление кремния очень изменяется в зависимости от количества и доли в рационе продуктов животного (кремний-низких) и растительного (кремний-высоких) происхождения и от количества очищенных и обработанных пищевых продуктов в рационе. Обычная диета поставляет 21-46 мг кремния в день.

Самые богатые источники кремния - неочищенное зерно с высоким содержанием волокон, продукты из хлебных злаков и корнеплоды овощей. Много кремния в топинамбуре, водорослях, отрубях, лесных ягодах, зелени.

Токсичность кремния

Кремний - по существу не яд в случае перорального приема. Соединения кремния относительно не токсичны. Так, антацид магний трисиликат использовался в течение десятков лет без вредных эффектов.

Порог токсичности для кремния составляет 500 мг/день.

Очень опасно вдыхание высокодисперсных частиц как силикатов, так и диоксида кремния, образующихся, например, при взрывных работах, при долблении пород в шахтах, при работе пескоструйных аппаратов и т. д. Микрочастицы SiO2, попавшие в лёгкие, кристаллизуются в них, а возникающие кристаллики разрушают лёгочную ткань и вызывают тяжёлую болезнь -- силикоз. Чтобы не допустить попадания в лёгкие опасной пыли, следует использовать для защиты органов дыхания респиратор.

Индикаторы элементного статуса кремния

Содержание кремния в организме определяют по его составу в крови и моче.

Пониженное содержание кремния в организме

Большинство симптомов кремниевого дефицита у лабораторных животных указывает на ненормальный метаболизм соединительной ткани и кости. Признаки дефицита более выражены при низком диетическом потреблении кальция и высоком уровне пищевого алюминия. Кремниевые добавки предотвращают увеличение концентрации алюминия в мозге. Считается, что серьезный недостаток диетического кремния у человека может иметь вредные эффекты на мозг и функцию костей и суставов.

Причины дефицита кремния

Недостаточное поступление кремния в организм.

Усиленное расходование кремния (быстрый рост, физические перегрузки).

Нарушение регуляции обмена кремния.

Основные проявления дефицита кремния

Слабость соединительной ткани (бронхо-легочная система, связки, хрящи).

Слабость костной ткани (остеопороз, наклонность к переломам).

Истончение, ломкость, выпадение волос.

Наклонность к воспалительным заболеваниям желудка и кишечника.

Гиперхолестеринемия, раннее развитие атеросклероза.

Повышенное содержание кремния в организме

Повышенное содержание кремния в организме встречается у рабочих добывающей промышленности при контактах с асбестом, кварцем, аэрозолями, цементом, стеклом и т.п., а также в местностях с избытком соединений кремния в воде и в воздухе. Систематическое вдыхание пыли, содержащей свободную двуокись кремния в высоких концентрациях, приводит к развитию силикоза.

Причины избытка кремния

Избыточное поступление кремния.

Нарушение регуляции обмена кремния.

Основные проявления избытка кремния

Фиброз легких.

Мочекаменная болезнь.

Злокачественные опухоли плевры и брюшной полости.

Синергисты и антагонисты кремния

Избыток алюминия в организме может вызывать снижение содержания кремния. При потреблении рафинированных пищевых продуктов уровень кремния в организме снижается, а при рационе, богатом пищевыми волокнами - возрастает.

Коррекция недостатка и избытка кремния в организме

Восполнение дефицита кремния достигается использованием рационов, богатых кремнийсодержащими продуктами, а также БАД к пище и лекарственных препаратов с кремнием и кремнеземом.

При избытке в организме кремния и силикозе необходимо ограничить его поступление и проводить симптоматическое лечение.

Применение соединений кремния

Кремний является одним из важнейших металлов, используемых для производства полупроводников, различных сплавов и полимеров.

Размещено на Allbest.ru

...