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

 

Азот

Общие сведения

Азот – элемент V группы периодической системы с атомным номером 7. Открыт азот в 1772 г. Д. Резерфордом (Шотландия).

Название «азот», что означает «безжизненный», предложил в 1787 году Антуан Лавуазье, который в то время  в составе группы других французских  учёных разрабатывал принципы химической номенклатуры. В то время уже было известно, что азот не поддерживает ни горения, ни дыхания. Это свойство и сочли наиболее важным. Хотя впоследствии выяснилось, что азот, наоборот, крайне необходим для всех живых существ, название сохранилось во французском и русском языках.

Существует и иная версия. Слово «азот» придумано не Лавуазье и не его коллегами по номенклатурной комиссии; оно вошло в алхимическую литературу уже в раннем средневековье  и употреблялось для обозначения  «первичной материи металлов», которую  считали «альфой и омегой»  всего сущего. Это выражение заимствовано из Апокалипсиса: «Я есмь Альфа и  Омега, начало и конец». Слово составлено из начальных и конечных букв алфавитов  трёх языков — латинского, греческого и древнееврейского, — считавшихся  «священными», поскольку, согласно Евангелиям, надпись на кресте при распятии Христа была сделана на этих языках (а, альфа, алеф и зет, омега, тав — АAAZОТH). Составители новой химической номенклатуры хорошо знали о существовании  этого слова; инициатор её создания Гитон де Морво отмечал в своей  «Методической энциклопедии» (1786) алхимическое значение термина.

На латыни азот называется «Nitrogenium», то есть «рождающий селитру»; английское название производится от латинского. В немецком языке используется название Stickstoff, что означает «удушающая материя».

Азот – газ без цвета  и запаха, в молекулярной форме  занимает 78% объема земной атмосферы.

Неорганические соединения азота встречаются в природе  в небольших количествах, что  связано с хорошей растворимостью многих из них. Видимо, поэтому содержание азота в почве относительно невелико (около 1 г на 1 кг). Тем не менее, азот один из основных элементов. Будучи незаменимым  компонентом молекулы белка, азот является строительным материалом для всего  живого. Поэтому азот иногда называют "органогеном". Азот постоянно  извлекается из почвы растениями, в результате чего почва может  истощаться и становится менее плодородной.

При соединении с водородом  азот образует аммиак NH ₃ , а при соединении с кислородом – ряд окислов. Получают азот из сжиженного воздуха.

• Биологическая роль азота

Азот является элементом, необходимым для существования  животных и растений, он входит в  состав белков (16—18 % по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. В  связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых  организмах, «мёртвой органике» и  дисперсном веществе морей и океанов. Это количество оценивается примерно в 1,9•10 ¹¹ т. Сине-зеленые водоросли усваивают газообразный азот из атмосферного воздуха. Растения добывают азот из почвы в виде растворимых нитратов и соединений аммиака.

Основная функция и  способность азота – образовывать пептидные связи и формировать  все разнообразие белков, а также  участвовать в составе множества  биологически активных гетероциклов. Азот необходим всем живым организмам для синтеза азотсодержащих строительных блоков - аминокислот, из которых образуются белки и нуклеиновые кислоты.

Азот в виде аминогруппы -NH ₂ входит в состав различных биолигандов, играющих огромную роль в процессах жизнедеятельности (аминокислоты, нуклеотиды, нуклеиновые кислоты).

Физиологическая роль азота  в организме ассоциируется, прежде всего, с белками и аминокислотами, их метаболизмом, участием в жизненно-важных процессах и влиянием на эти процессы. Аминокислоты являются исходными соединениями при биосинтезе гормонов, витаминов, медиаторов, пигментов, пуриновых и  пиримидиновых оснований и т.д. Белки в пересчете на сухой  вес составляют 44% от массы тела.

Изменения в содержании белков и аминокислот, расстройства их метаболизма  могут быть вызваны различными причинами. Среди этих причин – их недостаточное (или избыточное) поступление, нарушение  переваривания и всасывания белка  в желудочно-кишечном тракте, расстройство процессов экскреции азота и  его соединений. Интегральным показателем  состояния белкового обмена является азотистый баланс, т.е. разница между  количествами азота, поступающего извне  и выводимого из организма за сутки. Сдвиги в обмене белков сопровождаются разнообразными клиническими проявлениями. Известны многочисленные аминоацидопатии  – последствия нарушения промежуточного обмена аминокислот (фенинилаланина, лейцина, валина и др.).

В последние годы оксид  азота (NO) воспринимается как один из важнейших иммунотропных медиаторов. NO синтезируется из аминокислоты L-аргинина в присутствии фермента NO-синтетазы. Главным источником и местом образования NO в организме является эндотелий, общая масса которого в теле человека достигает 1,5 кг.

Функции оксида азота в  организме весьма многообразны. NO участвует  в поддержании системной и  локальной гемодинамики, способствует снижению повышенного тонуса гладкой  мускулатуры сосудов и обеспечивает поддержание нормального уровня артериального давления. NO выступает  в роли нейротрансмиттера в желудочно-кишечном тракте, мочевыводящей и половой  системе, активируя цГМФ. При иммунном ответе NO является стимулятором фагоцитоза и киллинга внутриклеточных паразитов. При сепсисе, под влиянием цитокинов, происходит высвобождение NO в больших  количествах, что способствует развитию септического шока. Оксид азота играет важнейшую роль медиатора, в патогенезе бронхиальной астмы, хронического гломерулонефрита, туберкулеза, рассеянного склероза, болезни Крона, различных опухолей, а также СПИДа.

Благодаря способности NO инактивировать Fe-содержащие ферменты, происходит гибель внутриклеточных микроорганизмов, жизнедеятельность которых зависит  от присутствия железа и других биоэлементов. Возможно, этот процесс происходит за счет комплексообразования оксида азота с металлами Fe, Co, Ni, Mn, Zn: [Me(NO)n] ^m+ . Очевидно, что эта функция NO является универсальной и отводит NO решающую роль в элиминации "стареющих" молекул цитохромов, каталазы, гемоглобина, а также в индукции апоптоза в клетках, где повышается уровень свободного, нехелированного железа.

• Метаболизм азота

Содержание азота в  организме взрослого человека составляет около 3% от массы тела.

Азот поступает в организм с пищевыми продуктами, в состав которых входят белки и другие азотсодержащие вещества. Эти вещества расщепляются в желудочно-кишечном тракте и затем всасываются в  виде аминокислот и низкомолекулярных  пептидов, из которых организм строит собственные аминокислоты и белки. Вместе с тем, организм человека не способен синтезировать некоторые  необходимые для жизни аминокислоты и получает их с пищей "в готовом  виде".

Одним из конечных продуктов  метаболизма азота является аммиак (NH ₃ ). Из организма азот выводится вместе с мочой, калом, выдыхаемым воздухом, а также с потом, слюной и волосами. В моче азот содержится в основном в виде мочевины.

• Токсичность азота

Некоторые соединения азота  токсичны. Летальная доза для человека для азота не определена.

Сам по себе атмосферный  азот достаточно инертен, чтобы не оказывать  непосредственного влияния на организм человека и млекопитающих. Тем не менее, при повышенном давлении он вызывает наркоз, опьянение или удушье (при  недостатке кислорода); при быстром  снижении давления азот вызывает кессонную  болезнь.

Многие соединения азота  очень активны и нередко токсичны.

• Индикаторы биоэлементного статуса азота

О состоянии обмена азота  можно косвенно судить по результатам  определения содержания в организме  ряда аминокислот, гормонов, витаминов.

Об интенсивности выведения  азота также можно косвенно судить по уровню мочевины в крови и азота мочевины – показателям освобождения организма от ненужных метаболитов соединений азота.

Азотемия, образование метгемоглобина , нитрозамина могут отражать токсическое действие соединений азота на организм.

Одним из методов определения  содержания азота и его изотопов в биосубстратах является метод  масс-спектрометрии с индуктивно связанной аргоновой плазмой.

• Пониженное содержание азота в организме

Причиной недостатка азота  является как снижение поступления  азота в организм, так и нарушение  обмена азота в результате различных  заболеваний.

• Основные причины дефицита азота
• Белковое голодание.
• Нарушение переваривания белков в желудочно-кишечном тракте.
• Нарушение всасывания аминокислот в кишечнике; дистрофия и цирроз печени.
• Нарушение качественных и количественных взаимоотношений белков (аминокислот) в организме; наследственные нарушения обмена веществ; усиленное расщепление белков тканей; нарушение регуляции азотистого обмена.
• Основные проявления дефицита азота

Многочисленные расстройства, отражающие нарушения обмена белков, аминокислот, азотсодержащих соединений и связанных с азотом биоэлементов.

• Повышенное содержание азота в организме

Среди соединений азота немало токсичных для организма. К ним  относятся окись азота, нитраты, нитриты, нитрозамины, аммиак и другие соединения. Токсический эффект нитритов связан в частности с тем, что  под их воздействием гемоглобин превращается в метгемоглобин, который не способен связывать и переносить кислород.

При нарушении выделительной  функции почек в крови может  наблюдаться увеличение концентрации азотсодержащих продуктов. Это же явление  может возникать при нарушении  оттока мочи по мочевым путям, их закупорке  или сдавливании, обильной потере хлора  организмом (напр., при неукротимой  рвоте) и т.д.

Токсичность аммиака зависит  от кислотности среды, которая уменьшается  с понижением рН.

• Основные причины избытка азота
• Избыточное поступление азота с белками пищи ("белковый перекорм").
• Избыточное поступление азота с отдельными аминокислотами (напр., у спортсменов).
• Избыточное поступление азота с нежелательными примесями в пище (напр., в виде нитратов и нитритов).
• Избыточное поступление азота в организм через легкие в виде окислов азота (нитрозных газов), образующихся при производстве азотной кислоты и других азотсодержащих веществ.
• Избыточное поступление в организм токсических соединений азота.
• Нарушение регуляции обмена азота.
• Основные проявления избытка азота
• Воспаление и отек слизистых оболочек дыхательной системы в результате поступления в организм нитрозных газов.
• Снижение уровня кислорода в крови под действием нитритов.
• Повышение функциональной нагрузки на почки и печень.
• Отвращение к белковой пище.
• Положительный азотистыйый баланс.
• Синергисты и антагонисты азота

Избыточные количества бора, меди и фтора могут способствовать ухудшению метаболизма азота.

Нормальные физиологические  количества бора, меди, железа и молибдена  могут способствовать улучшению  метаболизма азота.

• Коррекция дисбаланса азота в организме

При недостаточном поступлении  азота в организм необходимо увеличить  в рационе количество продуктов  с повышенным содержанием белка.

При наличии у пациентов  заболеваний различных органов  желудочно-кишечного тракта (печени, кишечника) и связанных с ними расстройств пищеварения на фоне избытка азота, необходимо проведение комплексного лечения.

• Применение соединений азота

Азот широко используется в производстве минеральных (азотных) удобрений, в металлургии и при  металлообработке, в химической промышленности, при производстве пластмасс, взрывчатых и отравляющих веществ.

В медицине соединения азота  применяют в качестве наркотических (закись азота), мочегонных (хлорид аммония), антиангинальных (нитроглицерин), противоопухолевых (эмбихин), радиозащитных (меркамин) средств.

Метиламин, диметиламин, диэтиламин и другие представители алифатических  аминов используются в синтезе лекарственных  веществ. Анилин, метил- и диметиланилины также применяются при производстве лекарственных препаратов.

Огромное значение в функционировании ЦНС имеют физиологически активные вещества, относящиеся к биогенным  моноаминам – адреналин, норадреналин, дофамин. Адреналин, эфедрин, сиднокарб  используются при падении кровяного  давления, шоке, остановке сердца, в  качестве средств, возбуждающих нервную  систему.

Водный раствор аммиака (нашатырный спирт), широко используется как средство для возбуждения дыхательного центра, оказания первой помощи при угаре, мытья рук перед операцией и т.д.

 

Сера

Общие сведения

Сера - элемент VI группы периодической системы с атомным номером 16. Сера относительно устойчива в свободном состоянии, в обычных условиях находится в виде молекулы S8, имеющей циклическое строение. Природная сера состоит из смеси четырех стабильных изотопов с ат. м. 32, 33, 34 и 36. При образовании химических связей сера может использовать все шесть электронов внешней электронной оболочки (степени окисления серы: 0, 2, 4 и 6).

Сера представляет собой  кристаллическую (в виде плотной  массы) или аморфную форму (мелкий порошок). По своим химическим свойствам сера является типичным металлоидом и  соединяется со многими металлами.