5.5. Закономерности распределения биогенных элементов по 5-, р-, д-, Яблокам периодической системы элементов д. И. Менделеева

Основой для изучения свойств элементов и, в частности, их биологической роли является периодический закон Д. И. Менде­леева. Физико-химические свойства, а следовательно, их физио-

логическая и патологическая роль, определяются положением . этих элементов в периодической системе Д. И. Менделеева.

Как правило, с увеличением заряда ядра атомов увеличива­ется токсичность элементов данной группы и уменьшается их содержание в организме. Уменьшение содержания, очевидно, связано с тем, что многие элементы длинных периодов из-за больших атомных и ионных радиусов, высокого заряда ядра, сложности электронных конфигураций, малой растворимости со­единений плохо усваиваются живыми организмами. В организме в значительных количествах содержатся легкие элементы 5- и р-блоков.

К макроэлементам относятся 5-элементы первого (водород), третьего (натрий, магний) и четвертого (калий, кальций) перио­дов, а также р-элементы второго (углерод, азот, кислород) и третьего (фосфор, сера, хлор) периодов. Все они жизненно необ­ходимы. Большинство остальных 5- и р-элементов первых трех периодов (1л, В, А1, Р) физиологически активны. 5- и р-Элемен-ты больших периодов (п^4) редко выступают в качестве неза­менимых. Исключение составляют 5-элементы — калий, кальций, р-элемент — иод. К физиологически активным относят некоторые 5- и р-элементы четвертого и пятого периодов — стронций, мышь­як, селен, бром.

Среди ^-элементов жизненно необходимы в основном эле­менты четвертого периода: марганец, железо, цинк, медь, ко­бальт. В последнее время установлено, что несомненна физио­логическая роль и некоторых других ^-элементов этого периода: титана, хрома, ванадия.

^-Элементы пятого и шестого периодов, за исключением мо­либдена, не проявляют выраженной положительной физиологи­ческой активности. Молибден же входит в состав ряда окисли­тельно-восстановительных ферментов (например, ксантиноксидЗ-зы, альдегидоксидазы) и играет большую роль в протекании биохимических процессов.

Некоторые /-элементы (лантаноиды и актиноиды) в ничтож­ных количествах содержатся в организме человека, наличие мно­гих из них пока не установлено. Как правило, они высокоток­сичны, образуют устойчивые соединения с комплексонами, поли­фосфатами, р-дикетонами, полифенолами, оксикислотами и дру­гими полидентатными лигандами. Поэтому попадание их в орга­низм может изменить течение многих биохимических реакций

Сходство и различие биологического действия связано с электронным строением атомов и ионов. Близкие значения атом­ных и ионных радиусов, энергии ионизации, координационных чисел, склонность к образованию связей с одними и теми же элементами в молекулах биолигандов обусловливает эффекты замещения элементов в биологических системах. Такое замеще­ние ионов может происходить как с усилением (синергизм), так и с угнетением активности (антагонизм) замещаемого элемента.

Например, 5-элементы 1А-группы склонны образовывать связи

с атомом кислорода, все они находятся в растворе в виде гид-ратированного иона Э⁺(Н₂О)*. Сходство лития с натрием обус­ловливает их взаимозамещаемость, причем, как правило, они являются синергистами. Рубидий и цезий по физико-химическим характеристикам сходны с калием, поэтому в организме они мо­гут замещать друг друга.

5-Элементы ПА-группы входят в состав биомолекул, связы­ваясь через атом кислорода с анионами А полифосфатов, фос-

-А

фатов, карбонатов, карбоновых кислот: М<^ . Магний в ор-

\О—А

ганизме образует с белками и нуклеиновыми кислотами соеди­нения, содержащие связь Мд—N.

Сходство физико-химических характеристик ионов Ве²⁺ и М§²⁺ обусловливает их взаимозамещаемость. Это объясняет, в частности, ингибирование магнийсодержащих ферментов при попадании -в организм бериллия, т. е. бериллий — антагонист магния. Кальций по своим свойствам близок к стронцию и ба­рию, поэтому эти ионы могут замещать друг друга в биосисте­мах. При этом наблюдаются как случаи синергизма, так и анта­гонизма.

Для с?-элементов более характерно горизонтальное сходство, чем вертикальное. Ионы двухвалентных марганца, железа, ко­бальта, никеля, меди, цинка имеют сходные физико-химические характеристики: электронную структуру, близкие радиусы ионов, координационные числа 4 и 6 (соответственно тетраэдрическое и октаэдрическое окружение лигандами), близкое значение кон­стант устойчивости с биолигандами.

Такое сходство характеристик этих элементов обусловливает их взаимозамещаемость и близость биологического действия. Так, перечисленные элементы, за исключением цинка, стимулируют процесс кроветворения. Все они усиливают обмен веществ, влияют на биосинтез. В биосистемах они выступают как в каче­стве синергистов, так и антагонистов. Синергизм 3^-элементов, например, в процессе кроветворения связан, возможно, с участием ионов этих элементов в различных этапах синтеза форменных элементов крови.

Синергизм Зс?-элементов проявляется также и в том, что введение в рацион животных солей Си²⁺, Со²⁺, Мп²⁺ и 2п²⁺ увели­чивает продуктивность и повышает качество молока. Можно отметить и другие случаи взаимозамещаемости ионов 3<^-элементов в биосистемах: так, ионы никеля, марганца и железа замещают друг друга в живых организмах, участвуя в аналогичных ферментативных процессах.

р-Элементы ША-группы входят в состав биомолекул, связываясь с атомами кислорода. Исключение составляет таллий, для которого характерно образование связи с атомами серы. Очевидно, с этим связана высокая токсичность таллия, блоки­рующего сульфгидрильные (—5Н) группы ферментов:

Е—5Н + Т1+ -v Е—5—Т1 + Н+ (Е—5Н — фермент)

Элементы 1УА-группы входят в состав биомолекул, связываясь с атомами различных элементов. Углерод образует полимерные гомоцепи и соединяется с водородом, кислородом, азо­том, серой, селеном и иодом. Остальные же элементы этой груп­пы образуют преимущественно связи через атом кислорода, а свинец и через серу. Очевидно, различный характер связи элементов этой группы обусловливает практическое отсутствие их взаимозамещаемости, а склонность свинца образовать связь, с атомами серы определяет его токсическое действие (блокирова­ние сульфгидрильных групп ферментов).

р-Элементы УА-группы также входят в состав биомолекул, образуя связи с атомами различных элементов. Для азота в биомолекулах характерны связи с углеродом и водородом. Фос­фор связывается через кислород, мышьяк, сурьма и висмут — через кислород и серу. Это обусловливает отсутствие взаимозамещаемости азота и фосфора, а также этих элементов с мышья­ком, сурьмой и висмутом. Наоборот, склонность мышьяка, сурьмы и висмута образовать связи с серой определяет их взаи-мозамещаемость в организме. Обычно они выступают как си-нергисты.

Элементы У1А-группы образуют в биомолекулах связи с раз­личными элементами, в том числе и друг с другом. Для кислоро­да характерны связи О—Н, О—С, О—М, О—Р, О—О; для серы 5—-Н, 5—С, 5—М, 5—5, 5—О, 5—5е; для селена 5е—Н, 5е—М, 5е—С, 5е—5е, 5е—О. Кислород резко отличается по физико-химическим характеристикам от серы и селена, в то время как эти элементы сходны по свойствам и могут взаимно замещаться в биохимических реакциях, например в процессах белкового обмена. Обычно они выступают в качестве синер-гистов.

р-Элементы УПА-группы — бром и хлор обычно находятся в организме в виде гидратированных ионов Г~, а фтор и иод — в связанном состоянии. Иод в организме образует соединения со. связью С—I. Фтор связывается с металлами (Са, Мд, Ре). По физико-химическим характеристикам и склонности к коорди­нации с биогенными элементами фтор резко отличается от дру­гих галогенов, поэтому он мало участвует в замещении ионов хлора, брома и иода. Три последних элемента близки по свой­ствам и замещают друг друга в организме. При этом они про­являют как синергизм, так и антагонизм.

Синергизм и антагонизм элементов изучен еще недостаточно. Исследование этого вопроса чрезвычайно важно, так как реше­ние его позволяет раскрыть биологическую роль элементов, со­здавать новые лекарственные препараты.

Взаимосвязь между физико-химическими характеристиками элементов и их биологическим действием позволяет прогнозировать результат поступления различных соединений этих элементов в организм человека.