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

В природе сера встречается  как в самородном состоянии, так  и в составе сернистых и  сернокислых минералов (гипс, серный колчедан, глауберова соль, свинцовый  блеск и др.).

Русское название элемента происходит от древне-индийского (санскритского) слова "сира" - светло-желтый. Приставка "тио", часто применяемая к  соединениям серы, происходит от греческого названия серы - "тейон" (божественный, небесный), так как сера издавна  была символом горючести; огонь же считался достоянием богов, пока Прометей, как  гласит миф, не принес его людям.

Сера известна человечеству с древнейших времен. Встречаясь в  природе в свободном состоянии, она обращала на себя внимание характерной  желтой окраской, а также тем резким запахом, которым сопровождалось ее горение. Считалось также, что запах  и голубое пламя, распространяющееся горящей серой, отгоняют демонов.

Сернистый ангидрид - удушливый  газ, образующийся при горении серы, еще в древности использовался  для отбеливания тканей. При раскопках  Помпеи нашли картину, на которой  изображен противень с серой  и приспособление для подвешивания над ним материи. Издавна употреблялась  сера и ее соединения для приготовления  косметических средств и для  лечения кожных заболеваний. И очень  давно ее начали использовать для  военных целей. Так, в 670 году защитники  Константинополя сожгли арабский флот с помощью "греческого огня". это была смесь селитры, угля и серы. Те же вещества входили в состав черного пороха, применявшегося в Европе в средние века и до конца XIX в.

В водородных и кислородных  соединениях сера находится в  составе различных анионов, образует многие кислоты и соли. Большинство серосодержащих солей малорастворимы в воде.

Сера образует с кислородом окислы, важнейшими из которых являются сернистый и серный ангидриды. Находясь в одной группе с кислородом, сера обладает сходными окислительно-восстановительными свойствами. С водородом сера образует хорошо растворимый в воде газ - сероводород. Этот газ очень токсичен, за счет его способности прочно связываться  с катионами меди в ферментах  дыхательной цепи.

Серная кислота, одно из самых  важных соединений серы, была открыта, по-видимому, к X в, начиная с XVIII века, ее производят в промышленных масштабах  и вскоре она становится важнейшим  химическим продуктом, необходимым  и в металлургии, и в текстильной  промышленности, и в других, самых  различных отраслях. В связи с  этим начались еще более интенсивные  поиски месторождений серы, изучение химических свойств серы и ее соединений и совершенствование методов  их извлечения из природного сырья.

• Биологическая роль серы

Биологическая роль серы исключительно  велика.

Сера является постоянной составной частью растений и содержится в них в виде различных неорганических и органических соединений. Многие растения образуют содержащие серу гликозиды  и другие органические соединения серы (напр., аминокислоты - цистеин, цистин, метионин). Известны также бактерии, обладающие способностью вырабатывать серу. Некоторые микроорганизмы, в  качестве продуктов жизнедеятельности, образуют специфические соединения серы (так, например, грибки синтезируют  серосодержащий антибиотик пенициллин).

В организмах животных и  человека сера выполняет незаменимые  функции: обеспечивает пространственную организацию молекул белков, необходимую  для их функционирования, защищает клетки, ткани и пути биохимического синтеза от окисления, а весь организм - от токсического действия чужеродных веществ.

В организме человека сера непременная составная часть  клеток, ферментов, гормонов, в частности  инсулина, вырабатываемого поджелудочной  железой, и серосодержащих аминокислот. Много серы содержится в нервной  и соединительной тканях, а также  в костях.

Сера входит в состав серосодержащих аминокислот - цистеина, цистина, незаменимой  аминокислоты метионина, биологически активных веществ (гистамина, биотина, липоевой кислоты и др.). В активные центры молекул ряда ферментов входят SH - группы, участвующие во многих ферментативных реакциях, в том числе в создании и стабилизации нативной трехмерной структуры белков, а в некоторых случаях - непосредственно как каталитические центры ферментов.

Сера обеспечивает в клетке такой тонкий и сложный процесс, как передача энергии: переносит  электроны, принимая на свободную орбиталь один из неспаренных электронов кислорода. Этим объясняется высокая потребность  организма в данном элементе.

Сера участвует в фиксации и транспорте метильных групп. Она  является также частью различных  коэнзимов, включая коэнзим А.

Очень важна детоксикационная роль серы.

Несмотря на значительное число проведенных исследований, роль серы в обеспечении жизнедеятельности  организма выяснена не в полной мере. Так, пока отсутствуют четкие клинические  описания каких-либо специфических  расстройств, связанных с недостаточным  поступлением серы в организм. В  то же время известны ацидоаминопатии - расстройства, связанные с нарушением обмена серосодержащих аминокислот (гомоцистинурия, цистатионурия). Имеется также обширная литература, относящаяся к клинике  острых и хронических интоксикаций соединениями серы.

В экспериментальных исследованиях  на животных показано, что при гипертиреидизме  или введении гидрокортизона тормозится включение сульфата в хрящи растущих костей. После адреналэктомии резко  возрастает общее количество серы в  крови и увеличивается выведение  ее с мочой.

• Метаболизм серы

Сера поступает в организм с пищевыми продуктами, в составе  неорганических и органических соединений. Большая часть серы поступает  в организм в составе аминокислот.

Неорганические соединения серы (соли серной и сернистой кислот) не всасываются и выделяются из организма  со стулом. Органические белковые соединения подвергаются расщеплению и всасываются  в кишечнике.

Сера содержится во всех тканях человеческого организма; особенно много серы в мышцах, скелете, печени, нервной ткани, крови. Также богаты серой поверхностные слои кожи, где  сера входит в состав кератина и  меланина.

В тканях сера находится  в самых разнообразных формах, как неорганических (сульфат, сульфит, сульфиды, тиоцианат и др.), так  и органических (тиолы, тиоэфиры, сульфоновые  кислоты, тиомочевина и др.). В  виде сульфат-аниона сера присутствует в жидких средах организма. Атомы  серы являются составной частью молекул  незаменимых аминокислот (цистин, цистеин, метионин), гормонов (инсулин, кальцитонин), витаминов (биотин, тиамин), глутатиона, таурина и других важных для организма  соединений. В их составе сера участвует  в окислительно-восстановительных  реакциях, процессе тканевого дыхания, выработке энергии, передаче генетической информации и выполняет многие другие важные функции.

Сера является компонентом  структурного белка коллагена. Хондроитин-сульфат  присутствует в коже, хрящах, ногтях, связках и клапанах миокарда. Важными  серосодержащими метаболитами также  являются гемоглобин, гепарин, цитохромы, эстрогены, фибриноген и сульфолипиды.

Сера выделяется преимущественно  с мочой в виде нейтральной  серы и неорганических сульфатов, меньшая  часть серы выводится через кожу и легкие , а выводится в основном с мочой в виде SO2-4.

Образующаяся в организме  эндогенная серная кислота участвует  в обезвреживании токсических соединений (фенол, индол и др.), которые вырабатываются микрофлорой кишечника; а также  связывает чужеродные для организма  вещества, в том числе лекарственные  препараты и их метаболиты. При  этом образуются безвредные соединения конъюгаты, которые затем выводятся  из организма.

Обмен серы контролируется теми факторами, которые также оказывают  регулирующее влияние и на белковый обмен (гормоны гипофиза, щитовидной железы, надпочечников, половых желез).

• Потребность в сере

Содержание серы в теле взрослого человека - около 0,16% (110 г  на 70 кг массы тела). Суточная потребность  здорового организма в сере составляет 4-5 г.

• Пищевые источники серы

Суточная потребность  в сере обычно обеспечивается правильно  организованным питанием.

Наиболее богаты серой  нежирная говядина, рыба, моллюски, яйца, сыры, молоко, капуста и фасоль.

Также серу содержат: овсяную  и гречневую крупы, хлебобулочные  изделия, молоко, сыры, все бобовые.

• Токсичность серы

Чистая сера нетоксична для  человека. Данные о токсичности серы, содержащейся в пищевых продуктах, отсутствуют. Летальная доза для  человека не определена.

Токсичны многие соединения серы. К числу наиболее опасных  соединений серы относятся сероводород, оксид серы и сернистый ангидрид.

• Индикаторы элементного статуса серы

Для оценки состояния элементного  статуса серы исследуются показатели аминокислотного и белкового  обмена, изучаются показатели детоксикационной функции печени.

• Пониженное содержание серы в организме

До настоящего времени  практически отсутствуют клинические  данные о нарушениях, связанных с  дефицитом серы в организме. В  то же время в экспериментальных  исследованиях установлено, что  недостаток метионина в пище тормозит рост молодых и снижает продуктивность взрослых животных. Поскольку метионин участвует в синтезе таких  важнейших серосодержащих соединений как цистеин (цистин), глутатион, биотин, тиамин, ацетилкоэнзим А, липоевая кислота и таурин, то проявления недостатка в организме этих соединений можно в той или иной мере отнести к симптомам дефицита серы.

Основная причина дефицита серы - нарушение регуляции обмена серы.

Основные возможные проявления дефицита серы:

• Симптомы заболеваний печени.
• Симптомы заболеваний суставов.
• Симптомы заболеваний кожи.
• Разнообразные и многочисленные проявления дефицита в организме и нарушения метаболизма биологически активных серосодержащих соединений.
• Повышенное содержание серы в организме

Данные о токсичности  серы, содержащейся в пищевых продуктах, в литературе отсутствуют. Однако существуют описания клиники острых и хронических  отравлений соединениями серы, такими как сероводород, сероуглерод, сернистый  газ.

При высоких концентрациях  сероводорода во вдыхаемом воздухе, клиническая картина интоксикации развивается очень быстро, в течение  нескольких минут возникают судороги, потеря сознания, остановка дыхания. В дальнейшем последствия перенесенного  отравления могут проявляться стойкими головными болями, нарушениями психики, параличами, расстройствами функций  системы дыхания и желудочно-кишечного  тракта.

Установлено, что парентеральное введение мелко измельченной серы в  масляном растворе в количестве 1-2 мл сопровождается гипертермией с гиперлейкоцитозом и гипогликемией. Полагают, что при парентеральном введении токсичность ионов серы в 200 раз выше, чем ионов хлора.

Токсичность соединений серы, попавших в желудочно-кишечный тракт, связана с их превращением кишечной микрофлорой в сульфид водорода, весьма токсичным соединением.

В случаях смертельных  исходов после отравления серой  при вскрытии, отмечают признаки эмфиземы легких, воспаления мозга, острого катарального энтерита, некроза печени, кровоизлияния (петехии) в миокард.

При хронических интоксикациях (сероуглерод, сернистый газ), наблюдаются  нарушения психики, органические и  функциональные изменения нервной  системы, слабость мышц, ухудшение зрения и разнообразные расстройства деятельности других систем организма.

В последние десятилетия  одним из источников избыточного  поступления серы в организм человека стали серосодержащие соединения (сульфиты), которые добавляются во многие пищевые  продукты, алкогольные и безалкогольные напитки в качестве консервантов. Особенно много сульфитов в копченостях, картофеле, свежих овощах, пиве, сидре, готовых салатах, уксусе, красителях вина. Возможно, увеличивающееся потребление сульфитов отчасти повинно в росте заболеваемости бронхиальной астмой. Известно, напр., что 10% больных бронхиальной астмой проявляют повышенную чувствительность к сульфитам (т.е., являются сенсибилизированными к сульфиту). Для снижения отрицательного действия сульфитов на организм рекомендуется увеличивать содержание в рационе сыров, яиц, жирного мяса, птицы.

Основные причины избытка  серы:

• Избыточное поступление серы и ее соединений.
• Нарушение регуляции обмена серы.