16.5. Биологическая роль элементов 16-й группы

Кислород. Кислород играет важнейшую роль в большинстве биохимических процессов Содержание кислорода значительно и в растениях (70%) и в животных (62,4%).

Кислород входит в состав всех жизненно важных органических веществ - белков, жиров, углеводов. С его помощью осуществляются дыхание и окисление аминокислот, жиров, углеводов. Без кислорода могут обходиться только лишь немногие растения и бактерии, называемые анаэробными.

Проникая в кровь, кислород соединяется с ионом железа Fе²⁺ гемоглобина (комплекс железа с порфирином) и образует оксигемоглобин. Оксигемоглобин легко подвергается диссоциации. Поступая с потоком крови в капилляры различных органов, кислород отщепляется от гемоглобина и диффундирует в ткани через стенки капилляров. Для обеспечения достаточной скорости диффузии кислорода необходима высокая концентрация его в крови. За сутки человек использует около 0,1 м³ кислорода. В состоянии покоя человек вдыхает примерно 0,5 м³ воздуха в час, но лишь пятая часть вдыхаемого с воздухом кислорода удерживается в организме.

В результате реакции окисления кислородом различных веществ в тканях создается запас энергии и образуются диоксид углерода и вода.

Постоянное содержание кислорода в атмосфере поддерживается в результате круговорота этого элемента в природе. В растениях совершается регенерация кислорода. Уменьшение содержания кислорода в организме понижает его защитные свойства.

Клетки, способные захватывать и «переваривать» посторонние тела, называются фагоцитами. В них кислород восстанавливается до надперокенд-иона:

О₂ + ē  О₂¯

Затем образуется пероксидный радикал НО₂^, инициирующий радикально-цепные процессы окисления инородных органических веществ RH, захваченных фагоцитами:

О₂¯ + Н₂О  НО₂^ + ОН¯,

НО₂^ + RH  Н₂О₂ + R^.

Эти процессы замедляются при недостатке кислорода, и в результате сопротивляемость организма к инфекциям снижается. При гипоксии (кислородной недостаточности) отмечаются заболевания дыхательных путей, сердечно-сосудистой системы. При лечении острых форм таких заболеваний часто используют вдыхание кислорода. Применение кислорода под повышенным давлением (барокамеры) улучшает кислородное насыщение тканей организма, в частности, головного мозга, и защищают от гипоксии. Такой метод лечения называется гипербарической оксигенацией.

Озон - очень сильный окислитель, на этом основано его использование для дезинфекции помещений, обеззараживания воздуха и поды и плавательных бассейнах, очистки питьевой воды. При работе бактерицидных и физиотерапевтических ультрафиолетовых ламп образуется озон и чувствуется его запах. Небольшая примесь озона в воздухе создает ощущение свежести и благотворно действует на состояние человека, особенно легочных больных. Вместе с тем следует учитывать опасность, возникающую при вдыхании избытка О₂ и О₃, обусловленную интенсификацией процессов окисления в организме. Окислительное воздействие озона на органические вещества связано с образованием радикалов, инициирующих радикально-цепные реакции с липидами, белками, ДНК, что приводит к повреждению и гибели клеток. Таким образом, озон ядовит для людей, животных и растений (предельно допустимая концентрация его в воздухе составляет 0,16 мг/м³).

Сера. Сера значительно уступает кислороду по содержанию в растениях (0,05%) и животных (0,16%), тем не менее, она также относится к макроэлементам. Как и кислород, она жизненно необходима. Суточная потребность человека в сере около 5 г. В костях, нервной ткани, каротине волос сера содержится в ощутимых количествах. Такие аминокислоты, как цистин, цистеин, метионин, многие белки, гормоны (инсулин), витамины (В₁) содержат серу.

Для серосодержащих биологически важных соединений характерны гомоцепи из атомов серы. Например, в цистине имеется дисульфидный мостик —S—S —. Цепочки сульфидной серы имеются в важнейшем природном катализаторе связывания атмосферного азота - нитрогеназе. Тиоловая группа —SH присутствует в цистеине, белках и ферментах. Донором метильных групп в живых организмах служит S-аденозилметионин Ad—S—СH₂-.

В организме животных и человека образуются продукты окисления серы - политионовые кислоты обшей формулы H₂S_хO₆ (х = 3  6). Они обладают противомикробной и противопаразитарной активностью.

Сероводород H₂S часто встречается в природе. Например, его содержат серные минеральные воды. Сероводород образуется при гниении растительных и животных остатков Токсичность H₂S проявляется, в частности, в блокировании переноса электронов с цитохромоксидазы на кислород О₂

Некоторые бактерии вместо кислорода выделяют серу как продукт окисления H₂S. Биологическими (органическими) аналогами сульфидов являются меркаптаны (серосодержащие аналоги спиртов). Они образуются при взаимодействии серосодержащих ферментов Е—SH с катионами элементов-металлов, например Cu²⁺ и Ag⁺. Эти ионы блокируют тиольные группы:

E-SH + Ag⁺  Е—S—Ag + H⁺.

В результате такого блокирования фермент теряет активность.

Диоксид серы SO₂ в промышленных районах, где сжигается много угля, содержащего хотя бы небольшое количество соединении серы, переходит в атмосферу. Растворяясь в воде, диоксид серы образует H₂SO₃, которая окисляется до H₂SO₄. Атмосферная влага с растворенными SO₂ и Н₂SO₄ выпадает нередко в виде кислотных дождей, приводящих к гибели растительности.

В медицинской практике применяют порошок «серы осажденной» как лекарство наружного действия в виде мазей (5 - 20%) и присыпок при лечении кожных заболеваний (себореи, псориаза). Тиосульфат натрия Na₂S₂O₃5H₂О используют в качестве противовоспалительного и десенсибилизирующего средства. Механизм действия этого препарата связан с превращением тиосульфат-иона в сульфит-ион и серу. Против чесотки тиосульфат натрия применяют вместе с 6%-м раствором HCl:

Na₂S₂O₃ + 2HCl = 2NaCl + SO₂ + S + H₂О.

Сера и сернистый газ оказывают губительное действие на чесоточных клещей Нашли применение в медицинской практике сульфат натрия Na₂SO₄10H₂O, который используют как слабительное. MgSO₄7H₂O показан при гипертонии, а также как желчегонное и слабительное средство, медный купорос CuSO₄5H₂О и сульфат цинка ZnSO₄7H₂O - как антисептические, вяжущие, рвотные средства, сульфат бария используют как контрастное вещество при ренгенологическом изучении пищевода и желудка.

В серосодержащих аминокислотах, как правило, имеются тиоловые группы или дисульфидные связи, которые в реакциях окисления-восстановления претерпевают обратимый переход:

R₁-S-S-R₂ R₁SН + R₂SН,

что может служить, зашитой организма от радиоактивною поражения, так как под воздействием ионизирующего излучения и гидросульфидные группы превращаются в малоактивные RS -радикалы.

Сульфаты оказывают обезвреживающее действие в организме путем взаимодействия с фенолами, крезолами, индолами, ксенобиотиками. В результате образуются безвредные вещества (коныогаты), которые выводятся из организма'

С₆Н₅ОН + KHSO₄  С₆Н₅OSO₃К + Н₂О.

Селен относится к микроэлементам (10^-5 – 10^-7%). Его содержание в почве (10^-7%) незначительно. Еще меньше селена в морской воде и в животных организмах. Долгие годы селен считался ядом. Ядовитость больших доз ceлeнa не вызывает сомнений, но малые дозы селена жизненно необходимы. Для здоровья достаточно получать всего 0,00001 г селена в сутки. В организм человека селен поступает с пищей (35 - 110 мг в год). Концентрация селена в крови составляет 0,001 – 0,004 ммоль/л. В основном селен концентрируется в печени и почках. При больших дозах селен накапливается в первую очередь в ногтях и волосах. Так как селен является аналогом серы, он может замешать се в имеющихся различных соединениях в организме.

Отравляющее действие селена на скот было обнаружено в 1933 г. при кормлении пшеницей, собранной с полей, богатых селенсодержащим минералом. С этого момента селена стали опасаться как опасного яда. В то же время в 60-х годах XX века было обнаружено, что недостаток селена вызывает весьма тяжелые последствия, например внезапная гибель младенцев. Это наблюдали в Новой Зеландии и Турции, где в почве ощущается большой недостаток селена. В Шотландии, где этого элемента также мало, новорожденным телятам делают инъекцию селеновой соли или добавляют ее в корм. В результате удается значительно снизить падеж молодняка.

Селен и витамин Е - антиокислители. В живом организме они не взаимодействуют, но заменяют друг друга в биологических процессах. Селен уменьшает окисление содержимого клеток, не допуская их деформации и генетических нарушений ДНК, способствуя нормальному развитию и восстановлению клеток. Селен также предохраняет нуклеиновые кислоты от повреждений. Он необходим для работы сердечной мышцы и кровеносных сосудов. Селен предупреждает заболевание печени. Однако в случае передозировки углеводов селен выводится из организма. Врачи Мексики и Филиппин используют свойства селена и витамина Е при лечении грудной жабы. Селен и витамин Е укрепляют иммунную систему.

В любом растении есть хотя бы «следы» селена. В некоторых растениях накапливается избыток селена, но в некоторых растениях селена ровно столько, сколько нужно человеку. Источником селена могут быть кукуруза, чеснок, яйца, рыбные продукты. Интересно, что в молоке кормящей матери селена в 2 раза больше, чем в коровьем молоке. Селен уничтожает афлотоксины и плесень. Поэтому селен используют при хранении картофеля и других продуктов.

Избыток селена вреден. При повышенном его содержании люди теряют волосы и ногти - такую болезнь называют «селеноз». У животных появляются типичные симптомы болезни желудочно-кишечного тракта, выпадение зубов, воспаление десен, кожи, повреждение конечностей, выпадение шерсти. Связанные с селеном заболевания скота наблюдались в местах, где почва содержит повышенные количества селенитов и селенатов.

Свойство селена образовывать с токсичными ртутью и кадмием различные соединения используется для предотвращения отравления организма ними металлами, так как селен способствует связыванию Hg и Cd с такими активными центрами, на которые их токсическое действие не влияет.

В последнее время внимание исследователей привлекло противоопухолевое действие селена.

Теллур и полоний. Теллур как микроэлемент обнаружен в живых организмах, но норма его содержания в тканях и в различных органах не установлена. Введение в организм избытка соединений теллура приводит к замещению серы в тиоловых группах, что ведет к ингибированию ферментов. О влиянии полония на живые организмы нет данных, что обусловлено очень низким содержанием ею в природе (см. табл. 16 3)