Кремний является также необходимым микроэлементом. Это было подтверждено тщательным изучением питания крыс с использованием различных диет. Крысы заметно прибавили в весе при добавлении метасиликата натрия (Na 2 (SiO) 3 . 9H 2 O) в их рацион (50мг на 100г). цыплятам и крысам кремний нужен для роста и развитие скелета. Недостаток кремния приводит к нарушению структуры костей и соединительной ткани. Как выяснилось кремний присутствует в тех участках кости, где происходит активная кальцинация, например в кости образующих клетках, остеобластах. С возрастом концентрация кремния в клетках падает.
О том, в каких процессах участвует кремний в живых системах, известно мало. Там он находится в виде кремневой кислоты и, наверное, участвует в реакциях сшивки углеродов. У человека богатейшим источником кремния оказалась гиалуроновая кислота пуповины. Она содержит 1,53мг свободного и 0,36мг связанного кремния на один грамм.

Селен

Недостаток селена вызывает гибель клеток мышц и приводит к мускульной, в частности сердечной, недостаточности. Биохимическое изучение этих состояний привело к открытию фермента глутатионпероксидазе, разрушающей пероксиды Недостаток селена ведет к уменьшению концентрации этого фермента, что в свою очередь вызывает окисление липидов. Способность селена предохранять от отравления ртутью хорошо известна. Гораздо менее известен тот факт, что существует корреляция между высоким содержанием селена в рационе и низкой смертностью от рака. Селен входит в рацион человека в количестве 55 – 110мг в год, а концентрация селена в крови составляет 0,09 – 0,29мкг/см 3 . При приёме внутрь селен концентрируется в печени и почках. Ещё один пример защитного действия селена от интоксикации лёгкими металлами является его способность предохранять от отравления соединениями кадмия. Оказалось, что как и в случае с ртутью, селен вынуждает эти токсические ионы связываться с ионными активными центрами, с теми, на которое их токсическое действие не влияет.

Мышьяк

Несмотря на хорошо известные токсические действия мышьяка и его соединений, имеются достоверные данные согласно которым недостаток мышьяка приводит к понижению рождаемости и угнетению роста, а добавление в пищу арсенита натрия привело к увеличению скорости роста у человека.

Хлор и Бром

Анионы галогенов отличаются от всех тем, что они представляют собой простые, а не оксо – анионы. Хлор распространён чрезвычайно широко, он способен проходить сквозь мембрану и играет важную роль в поддержание осмотического равновесия. Хлор присутствует в виде соляной кислоты в желудочном соке. Концентрация соляной кислоты в желудочном соке человека равна 0,4-0,5%.
По поводу роли брома как микроэлемента существуют некоторые сомнения, хотя достоверно известно его седативное действие.

Фтор

Для нормального роста фтор совершенно необходим, и его недостаток приводит к анемии. Большое внимание было уделено метаболизму фтора в связи с проблемой кариеса зубов, так как фтор предохраняет зубы от кариеса.
Кариес зубов изучен достаточно подробно. Он начинается с образования на поверхности зуба пятна. Кислоты, вырабатываемые бактериями, растворяют под пятном зубную эмаль, но, как ни странно, не с её поверхности. Часто верхняя поверхность остаётся неповреждённой до тех пор, пока участки под ней не окажутся полностью разрушенными. Предполагается, что на этой стадии фторид – ион может облегчать образования аппатита. Таким образом совершается реминелизация начавшегося повреждения.
Фтор используют для предотвращения разрушений зубной эмали. Можно вводить фториды в зубную пасту или же непосредственно обрабатывать ими зубы. Концентрация фтора, необходимая для предотвращения кариеса, составляет в питьевой воде около 1мг/л, но уровень потребления зависит не только от этого. Применение высоких концентраций фторидов (более8мг/л) может неблагоприятным образом повлиять на тонкие равновесные процессы образования костной ткани. Чрезмерное поглощение фторидов приводит к фторозу. Фтороз приводит к нарушениям в работе щитовидной железы, угнетению роста и поражению почек. Длительное воздействие фтора на организм прводит к минерализации тела. В итоге деформируются кости, которые даже могут срастись, и происходит кальцификация связок.

Йод

Основной физиологической роль йода является участие в метаболизме щитовидной железы и присущих ей гормонах. Способность щитовидной железы аккумулировать йод присуща также слюнным и молочным железам. А также некоторым другим органам. В настоящее время, однако, считают, что ведущую роль йод играет только в жизни деятельности щитовидной железы.
Недостаток йода приводит к возникновению характерных симптомов: слабости, пожелтению кожи, ощущение холода и сухости. Лечение тиреоидными гормонами или йодом устраняет эти симптомы. Недостаток тереоидных гормонов может привести к увеличению щитовидной железы. В редких случаях (отягощение в организме различных соединений, мешающих поглощению йода, например тиоцианата или антитиреоидного агента – гоитрина, имеющегося в различных видах капусты) образуется зоб. Недостаток йода особенно сильно отражается на здоровье детей – они отстают в физическом и умственном развитии. Йод дефицитная диета во время беремености приводит к рождению гипотироидных детей (кретинов).
Избыток гормонов щитовидной железы приводит к истощению, нервозности, тремору, потере веса и повышенной потливости. Это связано с увеличением пероксидазной активности и вследствие этого с увеличением йодирования тиреоглобулинов. Избыток гормонов может быть следствием опухоли щитовидной железы. При лечение используют радиоактивные изотопы йода, легко усваивающиеся клетками щитовидной железы .

Данный проект осуществляли учащиеся 9-го класса, заинтересовавшиеся ролью неметаллов в жизни человека.

Учебный проект по химии

«Неметаллы в нашей жизни».

Методическое представление:

Введение

Работа над проектом.

Введение

Тема проекта: «Неметаллы в нашей жизни».

Предмет: химия.

Класс: 9-а.

Возраст: 15-16 лет.

Количество учащихся: 4.

Время работы над проектом: около 2 месяцев.

Форма работы: урочно - внеурочная.

Мотивация к работе

Работа над проектом

Презентация проекта

Продукт проекта

Учебный проект по химии

«Неметаллы в нашей жизни».

Методическое представление:

Введение

Методический паспорт учебного проекта

Работа над проектом.

Введение

Метод проектов является одной из составных частей обучения химии. Этот метод наиболее полно отражает два основных принципа коммуникативного подхода к обучению химии: мотивации к учению - в проектной деятельности она всегда положительная - и личный интерес: проект отражает интересы учащихся, их собственный мир. Учащиеся 9-а класса осуществили данный проект в рамках изучения химии.

Методический паспорт учебного проекта

Тема проекта: «Неметаллы в нашей жизни».

Предмет: химия.

Класс: 9-а.

Возраст: 15-16 лет.

Количество учащихся: 4.

Время работы над проектом: около 2 месяцев.

Форма работы: урочно - внеурочная.

Цели образовательные и воспитательные:

Развивать интерес к предмету;

Развивать умение проектировать, работать с информационным текстом, дополнительной литературой, вести поиск нужной информации;

Развивать навыки коммуникативности в ролевом взаимодействии.

Мотивация к работе основывалась на интересе к данной теме.

Тему «Неметаллы» изучали на уроках согласно плану, но только 4 учащихся захотели проработать её более глубоко: Рябинин Андрей, Лазукина Татьяна, Петелина Татьяна, Стрекова Анастасия. Все участники проекта собирали материал, который в виде презентации оформил Рябинин Андрей.

Работа над проектом

1 этап (организационный): выбрав тему своего исследования, учащиеся определили задачи и спланировали свою деятельность. Роль учителя - направляющая на основе мотивации.

2 этап (поисковый и исследовательский): учащиеся собирали информацию по своей теме, готовили наглядное предъявление своих исследований. Роль учителя - наблюдательная, учащиеся в основном работали самостоятельно.

3 этап (предъявление проекта и его продукта). Роль учителя - сотрудничество.

Презентация проекта

Презентация проведена в форме конференции на уроке, где были представлены загадки и тест по неметаллам и сделан вывод о большой роли неметаллов в жизни человека.

Продукт проекта

Участники проекта сделали стенд, на котором представили экспонаты, содержащие те или иные неметаллы, используемые в нашей жизни.

Просмотр содержимого документа
«учебный проект "неметаллы в нашей жизни"»

Неметаллы

Твёрдые

Газообразные

Жидкие

Cl 2

H 2

Неметаллы - это химические элементы, которые могут проявлять свойства как окислителя (принимают электроны), так и восстановителя (отдают электроны).

НеМ – элементы с высокой ОЭО (2 - 4)

Исключения: фтор – только окислитель,

инертные газы – могут только отдавать электроны.

Гелий, неон и аргон – соединений не образуют.

Элементы в неживой природе

Кислород

Кремний

Алюминий

Железо

Кальций

Натрий

Калий

Магний

Водород

Остальные

Нахождение в природе

Самородные элементы

Азот и кислород, инертные газы в составе воздуха

Сера

Графит С

Алмаз С

Нахождение в природе

← Апатиты Р

Галит NaCl →

← FeS 2 пирит

Кварц

SiO 2 →

5 B

6 C

14 Si

7 N

1 H

15 P

8 O

9 F

16 S

33 As

2 He

10 Ne

17 Cl

34 Se

35 Br

52 Te

18 Ar

53 I

36 Kr

54 Xe

85 At

86 Rn

Основные неметаллы.

В свободном виде могут быть газообразные неметаллические простые вещества - фтор, хлор, кислород, азот, водород, твёрдые - йод, астат, сера, селен, теллур, фосфор, мышьяк, углерод, кремний, бор. При комнатной температуре в жидком состоянии существует бром.

Мы рассмотрим лишь несколько

это газ зеленого цвета

Применение хлора.

Простое вещество хлор при нормальных условиях - ядовитый газ желтовато-зелёного цвета, с резким запахом. Молекула хлора двухатомная (формула Cl2).

Хлор очень активен - он непосредственно соединяется почти со всеми элементами периодической системы. Поэтому в природе он встречается только в виде соединений в составе минералов.

Применение

1. В производстве поливинилхлорида, пластикатов, синтетического каучука, из которых изготавливают:

• изоляцию для проводов, оконный профиль, упаковочные материалы, одежду и обувь, линолеум и грампластинки, лаки, аппаратуру и пенопласты, игрушки, детали приборов, строительные материалы.

2. Отбеливающие свойства хлора известны с давних времен, хотя не сам хлор «отбеливает», а атомарный кислород, который образуется при распаде хлорноватистой кислоты.

3. Производство хлорорганических инсектицидов - веществ, убивающих вредных для посевов насекомых, но безопасные для растений. На получение средств защиты растений расходуется значительная часть производимого хлора.

4. Использовался как боевое отравляющее вещество, а также для производства других боевых отравляющих веществ: иприт, фосген.

5. Для обеззараживания воды - « хлорирования ». Наиболее распространённый способ обеззараживания питьевой воды; основан на способности свободного хлора и его соединений угнетать ферментные системы микроорганизмов, катализирующие окислительно-восстановительные процессы.

• В части долговечности при взаимодействии с хлорированной водой положительные результаты демонстрируют медные водопроводные трубы.

6. В пищевой промышленности зарегистрирован в качестве пищевой добавки E925 .

7. В химическом производстве соляной кислоты, хлорной извести, бертолетовой соли, хлоридов металлов, ядов, лекарств, удобрений.

8. В металлургии для производства чистых металлов: титана, олова, тантала, ниобия.

9. Как индикатор солнечных нейтрино в хлор-аргонных детекторах.

Оконный профиль, изготовленный

Основным компонентом

отбеливателей является

Лабарракова вода (гипохлорит натрия).

Многие развитые страны стремятся ограничить использование хлора в быту, в том числе потому, что при сжигании хлорсодержащего мусора образуется значительное количество диоксинов.

Биологическая роль хлора.

В организме человека и животных хлор содержится в основном в межклеточных жидкостях (в том числе в крови) и играет важную роль в регуляции осмотических процессов, а также в процессах, связанных с работой нервных клеток.

это светло-желтое хрупкое твердое вещество, в чистом виде без запаха.

Сера существенно отличается от кислорода способностью образовывать устойчивые цепочки и циклы из атомов серы. Это кристаллическая сера - хрупкое вещество жёлтого цвета.

Применение серы.

Серу применяют для производства серной кислоты, вулканизации каучука, как фунгицид в сельском хозяйстве и как сера коллоидная - лекарственный препарат. Также сера в составе серобитумных композиций применяется для получения сероасфальта.

Сера, необходимый

для организма макроэлемент, является

обязательным условием для здоровых кожи,

волос и ногтей, за что ее часто называют

"минералом красоты" .

А еще сера…

• участвует в формировании хрящевой и костных тканей, улучшает работу суставов и связок;
• влияет на состояние кожи, волос и ногтей (входит в состав коллагена, кератина и меланина);
• укрепляет мышечную ткань (особенно в период активного роста у детей и подростков);
• участвует в образовании некоторых витаминов и усиливает эффективность витамина В1, биотина, витамина В5;
• оказывает ранозаживляющий и противовоспалительный эффект;
• уменьшает суставные, мышечные боли и судороги;
• способствует нейтрализации и вымыванию шлаков и токсинов из организма;
• стабилизирует уровень сахара в крови;
• помогает печени выделять желчь;
• повышает устойчивость к радиоизлучению!

суточная потребность взрослого здорового человека в сере составляет 4-6 г.

Источники серы:

Растительные:

Капуста, лук, спаржа, хрен, крыжовник, виноград, яблоки, чеснок;

Злаки:

Крупы, бобовые, хлебобулочные изделия.

Животные: - постная говядина; - рыба; - куриные яйца; - молоко и молочные изделия.

Газы – неметаллы – двухатомные молекулы

Твёрдое вещество – Неметалл- йод

Спиртовой раствор йода

Бром

При растворении брома в воде

получается бромная вода

Соединения неметаллов .

1) Оксиды – только кислотные

SO 3 , SO 2 , CO 2 и другие.

(кроме NO и CO –безразличные)

2) Гидроксиды – только кислоты

H 2 SO 4 , H 2 SO 3 ,H 2 CO 3 и другие

Образуют летучие соединения с водородом HCl, NH 3

Строение атомов НеМе

1. Элементы расположены в главных подгруппах III –VIII групп (А).

2. На последнем уровне 3 – 7(8) электронов.

3. Радиус атома уменьшается

4. Неметаллические свойства

В периоде – увеличиваются

В группе - уменьшаются

Строение НеМе

5. Высокая электроотрицательность.

6. Принимают электроны и отдают.

7. НеМе → кислотный оксид→кислота

8. Летучие водородные соединения

(кислоты, основания и безразличные)

Аллотропия углерода

Алмаз

Аллотропия углерода

Аллотропия фосфора

Аллотропия серы. Кристаллическая, пластическая и моноклинная

Аллотропия кислорода

Кислород

Заключение

ЗАГАДКИ О НЕМЕТАЛАХ

1.Гость из космоса пришел, в воздухе приют себе нашел.

2.В доме выше всех живем, вдвоем тепло и свет даем.

3.Он безжизненным зовется, но жизнь без него не создается.

4.Красив в кристаллах и парах, на детей наводит страх.

5.Из горы кусочек вынули, в деревянный ствол задвинули.

6.Гордиться уголек невзрачный негорючим братом, и братом прозрачным.

7.Прокаленный уголек дышать пожарнику помог.

8.Белый воздуха боится, покраснел чтоб сохраниться.

9.Хоть многие вещества превращает в яд, в химии она достойна всяческих наград.

10.Какой газ утверждает, что он – это не он?

11.Какие химические элементы утверждают, что могут другие вещества рождать?

12.Какой неметалл является лесом?

Итак, проверим ваши знания по химии:

1.Водород.

2.Водород и гелий.

5.Графит в карандаше.

6.Алмаз, графит.

7.Активированный уголь.

8.Белый и красный фосфор.

11.Водород, кислород.

1.1 Биогенные элементы - неметаллы, входящие в состав организма человека

Среди биогенных элементов особое место занимают элементы-органогены, которые образуют важнейшие вещества организма - воду, белки, углеводы, жиры, витамины, гормоны и другие. К органогенам относятся 6 химических элементов: углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера. Их общая массовая доля в организме человека составляет примерно 97,3% (см. таблицу 1).

Все элементы-органогены являются неметаллами. Среди неметаллов биогенными являются также хлор (массовая доля 0,15%), фтор, йод и бром. Эти элементы не включают в число элементов-органогенов, поскольку, в отличие от последних, они не играют столь универсальной роли в построении органических структур организма. Существуют данные о биогенности кремния, бора, мышьяка, селена.

Таблица 1. Содержание элементов-органогенов в организме человека.

Биогенные амины и алкалоиды

Амины - обширный класс азотсодержащих органических соединений, продукты замещения одного, двух или трёх атомов водорода в аммиаке NH3 на органические радикалы R. По числу замещенных атомов водорода различают: первичные А. RNH2...

Биогенные элементы в организме человека

К числу биогенных элементов относится ряд металлов, среди которых особенно важные биологические функции выполняют 10 так называемых «металлов жизни». Этими металлами являются кальций, калий, натрий, магний, железо, цинк, медь, марганец...

Буферные растворы

В организме человека в результате протекания различных метаболических процессов постоянно образуются большие количества кислых продуктов...

Витамин Q

Кофермент Q необходим для нормальной жизнедеятельности живых организмов и, прежде всего, для функционирования тканей с высоким уровнем энергетического обмена. Наибольшая концентрация кофермента Q -- в тканях сердечной мышцы...

Витамины и их значение для организма

При нормальном питании суточная потребность организма в витаминах удовлетворяется полностью. Недостаточное...

Классификация и свойства сплавов

Многие металлы, например магний, выпускают высокочистыми, чтобы можно было точно знать состав изготавливаемых из него сплавов. Число металлических сплавов, применяемых в наши дни, очень велико и непрерывно растет...

Коллоидные системы в организме и их функции

1. Кровь Кровь является типичными примером ткани организма, где одни коллоиды находятся внутри других. В.А.Исаев дает определение крови как дисперсной системе, в которой форменные элементы - эритроциты, тромбоциты, лейкоциты являются фазой...

Основы электрохимии

В окислительно-восстановительных реакциях происходит переход электронов от одних атомов или ионов к другим, при этом химическая энергия превращается в тепловую. Гальваническим элементом называется прибор...

Основы электрохимии

В топливном элементе химическая реакция горения топлива непосредственно превращается в электрическую энергию, поэтому КПД его превышает 80%. Как и в любом химическом источнике тока...

Особенности биохимических процессов энергообеспечения физических нагрузок в легкой атлетике на 100 метров (10 секунд)

В клетках протекают процессы и действуют факторы, которые ограничивают или даже прекращают свободно радикальные и перекисные реакции, т.е. оказывают антиоксидантный эффект...

Прооксидантная и антиоксидантная система

Защита от избытка кислорода биологических структур, прежде всего наиболее уязвимых мембранных образований, особенно липидный (фосфолипидных) решилась путем создания специализированных присособлений - антиокислительных механизмов...

Растворимость малорастворимых соединений

Экспериментально установлено, что осадки обычно более растворимы в растворе электролита, чем в воде (при условии, конечно, что электролит не содержит одноименных с осадком ионов). В этом случае увеличится ионная сила раствора...

Редуцирующие сахара

Фруктоза. Фруктоза менее распространена, чем глюкоза, и также быстро окисляется. Часть фруктозы в печени превращается в глюкозу, но для своего усвоения она не требует инсулина. Этим обстоятельством...

Фосфолипазы, их классификация и свойства

В патогенезе повреждения клетки важное значение имеет чрезмерная активация ФЛА2. Освободившиеся под действием фосфолипазы, ненасыщенные жирные кислоты (арахидоновая, пентаноевая и др...

Химические элементы в среде и в составе тела человека

Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% - на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются углерод, водород, кислород, в их состав входят также азот, фосфор и сера...

1. 1. Биологическая роль неметаллов в жизни человека
2. 2. Неметаллы - это простые вещества К типичным неметаллам относятся газы и жидкости. Неметаллы в отличии от металлов на много хуже проводят электрический ток, существенно отличаются по физико-механическим свойствам и температуре перехода в агрегатные состояния.
3. 3. Кислород Кислород входит в состав всех жизненно важных органических веществ: белков, жиров, углеводов и др. Без кислорода невозможны многочисленные и чрезвычайно важные жизненные процессы, например дыхание, окисление аминокислот, жиров, углеводов. Обычное содержание кислорода в воздухе (около 21%) создает необходимое парциальное давление кислорода, благодаря которому ткани через легкие и кровь насыщаются кислородом. Снижение в воздухе содержания кислорода до 16-18% не оказывает существенного влияния. При снижении содержания кислорода да 14% появляются признаки кислородной недостаточности, а снижение до 9% очень опасно для жизни.
4. 4. Озон Для человека озон сильно токсичен. Кроме того, он крайне взрывоопасен даже в низких концентрациях. Токсичность озона усугубляется тем, что существует привыкание к запаху озона. Обеззараживающее действие озона связано с интенсивным образованием им супероксид-радикалов, которые быстро разрушают оболочки клеток. Действие озона очень эффективно при дезинфекции воды.
5. 5. Водород Вода – важнейшее соединение водорода в живом организме. Основные функции воды следующие: -Вода, обладающая высокой теплоемкостью, обеспечивает поддержание постоянства температуры тела. -Вода – важная среда организма. -Вода поддерживает кислотно-щелочной баланс в организме. Важным соединением водорода является и пероксид водорода. Пероксид окисляет липидный слой мембран клеток, разрушая его. При обработке небольших ран 3%-ным раствором перикиси выделяется кислород, при этом образуется пена, благодаря которой частицы тканевого распада вымываются из раны. Также пероксид водорода обладает кровеостанавливающим действием для мелких кровотечений.
6. 6. Фосфор Фосфор входит в состав скелета животных, в состав зубов, в состав белков, нуклеиновых кислот, нуклеотидов и др. биологически активных соединений. Фосфатная буферная система – основная буферная система плазмы крови, сахара и животные кислоты могут быть использованы организмом только после фосфорилирования. Ожоги горящим фосфором крайне опасны, т.к. образующийся при горении оксид вызывает ожог прежде всего за счет большого количества тепла, выделяющегося при реакции оксида с влагой на коже. Образующаяся ортофосфорная кислота проникает в глубь соединительной ткани и вызывает отек из-за большого прилива межклеточной жидкости.
7. 7. Кремний Кремний относится к примесным элементам: его содержание в организме не так уж велико – всего 0.001%. Кремний обнаружен в печени, надпочечниках, волосах и хрусталике глаза. Так как оксид кремния нерастворим в воде, то в организм человека кремний поступает через вдыхаемый пылеобразный оксид. При повышенном его содержании в пыли возникает силикоз – тяжелое заболевание легких.

Неметаллы-органогены (О, С, Н, N, P, S), а также галогены образуют главные биогеохимические циклы природы. Простые неорганические соединения этих неметаллов (H2 O, CO, CO2 , NH3 , NO2 , SO2 , H2 SO4 , Н3 РО4 и др.) являются продуктами жизнедеятельности человека и животных. Фрагментами этих циклов являются превращения одних соединений органогенов в другие с участием различных видов бактерий, например, в почве осуществляются переходы H2 → H2 O, CO → CO2 , N2 → NH3 , NH3 → NO2 , NO3 - → NO2 , NO3 - → NH3 , S → S2 O3 2- → SO2 → SO4 2- . Располагая элементы-органогены в порядке убывания их содержания (в масс.%), получим: O > C > H > N > P > S. Согласно именно этому ряду, а не традиционному обращению к группам Периодической Системы, рассмотрим свойства неметаллов-органогенов.

4.1 . Кислород

Кислород – это элемент, обеспечивающий жизнь на Земле. В атмосфере находится около 20,8% кислорода. 0стальные компоненты воздуха – это преобладающий азот N2 (78,08%), а также Ar (0,93%), CO2 (0,02 – 0,04%), Ne (1,92·10-3 %), He (5,24·10- 4 %), Kr (1,14 ·10-4 %), H2 (5,0· 10-5 %), Xe (8,7· 10-6 %). Надо отметить, что содержание ки-

слорода в атмосфере сохраняется удивительно постоянным, несмотря на все окислительные процессы дыхания и горения, протекающие на Земле. Главным фактором, поддерживающим постоянство содержания кислорода а атмосфере Земли, является фотосинтез, причем главный вклад вносят не наземные зеленые растения, а планктон и водоросли мирового океана, на долю которых приходится около 80% выделяемого кислорода. Вообще, жизнь на Земле возможна лишь в достаточно узком интервале содержания кислорода в атмосфере: от 13 до 30%. При содержании кислорода менее 13% аэробные существа (т.е. использующие в своей жизнедеятельности кислород) погибают, а при более высоком, чем 30%, процессы окисления и горения идут настолько интенсивно, что может загореться даже мокрая тряпка, а первый же удар молнии сжег бы все на Земле дотла.

Для многочисленных живых организмов важную часть метаболизма (обмена веществ) составляет дыхательный цикл, который приводит к быстрому образованию многих веществ. Так, в выдыхаемом воздухе, кроме СО2 , в небольших количествах содержатся углеводороды, спирты, аммиак, муравьиная кислота НСООН, уксусная кислота СН3 СООН, формальдегид НСНО, иногда ацетон (СН3 )2 СО. При дыхании человека на высоте 10 км в разреженном воздухе из-за недостатка в нем кислорода в выдыхаемой смеси газов резко возрастает содержание аммиака, аминов, фенола, ацетона и даже появляется сероводород.

Без кислорода невозможны многочисленные и чрезвычайно важные жизненные процессы, в особенности дыхание. Только немногие растения и простейшие животные могут обходиться без кислорода и поэтому носят название анаэробных. В живых организмах кислород расходуется на окисление различных веществ, причем главный процесс – реакция кислорода с атомами водорода с образованием воды, в результате которой выделяется значительное количество энергии. Аэробные организмы получают энергию также за счет окисления питательных веществ в клетках и тканях до СО2 , Н2 О,

(NH2 )2 CO.

В процессе нормального дыхания поступающий в легкие молекулярный кислород восстанавливается до воды: О2 + 4Н+ + 4е 2Н2 О, причем ионы Н+ вместе с электронами высвобождаются при потере органическим субстратом организма атомов Н: [субстрат(4Н)] → 4Н + субстрат → 4Н+ + 4е + субстрат. При патологии происходит неполное восстановление: О2 + 2Н+ + 2е Н2 О2 или О2 + е О2 - . Этот радикал называ-

ется супероксид-радикалом (СОР). Он может быть полезным, когда разрушает бесконтрольно растущие клетки, но может быть и очень токсичным, когда разрушает клеточные мембраны здоровых, необходимых организму клеток. Кроме этого, вредное действие СОР состоит в том, что он инактивирует ферменты, деполимеризует полисахариды, вызывает одиночные разрывы структуры ДНК. В промежуточном медленном одноэлектронном восстановлении О2 до СОР могут принимать участие любые вещества организма с подходящим потенциалом. При этом образуется Н2 О2 , который в следующей стадии одноэлектронного восстановления даёт гидроксид-радикал ОНс высокой реакционной способностью, быстро окисляющий любое вещество клетки. Гидрофобная молекула О2 легко проходит внутрь клетки через гидрофобные липидные мембраны и начинает окислять органические вещества до радикалов О2 - и ОН. Эти полярные радикалы оказываются «запертыми» в клетке, так как не могут выйти обратно через клеточные мембраны. Для погашения их «агрессивности» служат специальные ферменты супероксиддисмутаза, каталаза и пероксидаза. Кроме этого, есть низкомолекулярные вещества – антиоксиданты (например, витамины А и Е), которые неферментативно обезвреживают эти опасные частицы. СОР, например, активно связывается также ионами Fe(3+). Иногда выделение СОР полезно, например, противоопухолевые антибиотики (блеомицин) образуют комплекс с ионами металла Мn+, катализирующими быстрое восстановление О2 до СОР, уничтожающего ДНК в опухоли.

Аллотропная модификация кислорода – озон О3 . В атмосфере озон образуется по фотохимической реакции О2 + О →hν→ О3 , причем атомарный активный кислород образуется также благодаря реакции NO + O2 → NO2 + O . Полезное действие озона в атмосфере заключается в том, что озон не только поглощает биологически активную и тем самым опасную часть ультрафиолетового излучения Солнца, но и принимает участие в формировании теплового режима поверхности нашей планеты. Он задерживает уходящее от Земли тепло в тех спектральных интервалах («окна прозрачности»), где СО2 и Н2 О поглощают это тепло плохо. Озон для человека сильно токсичен. Его предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе составляет 0,5 мг/м3 . Озон изменяет структуру легких, подавляя их функции, тем самым снижая устойчивость к респираторным заболеваниям. Будучи сильнейшим окислителем (на 2-ом месте после фтора), озон интенсивно окисляет аминокислоты и ферменты, содержащие серу

(цистеин HSCH2 CH(NH2 )COOH, метионин CH3 SCH2 CH2 CH(NH2 )COOH, а также триптофан C8 H6 NCH2 CH(NH2 )COOH, гистидин C3 H3 N2 CH(NH2 )COOH, тирозин HOC6 H4 CH2 CH(NH2 )COOH .

Таким образом, молекулярный кислород О2 не токсичен для живых организмов в отличие от других форм: озона О3 , возбужденной молекулы О2 , радикала ОН, атомарного О, радикала НО2 , СОР О2 - .

4.2. Углерод

Углерод по своему содержанию в организме (21%) и значению для живых организмов – один из важнейших органогенов. Так как данное пособие посвящено именно бионеорганической химии, то мы не будем касаться органических соединений живой природы, что является предметом изучения биоорганической химии. Простейшие соединения углерода, например, свободный углерод в виде сажи и его оксид СО, токсичны для человека. Длительный контакт с сажей или угольной пылью вызывает рак кожи («болезнь трубочистов», как её называли ранее). Мельчайшая пыль угля вызывает изменение структуры легких, а значит, нарушает их функции. Крайне токсичен оксид СО, отравляющее действие которого вызвано тем, что СО связывается с гемоглобином крови в ~10 3 раз легче, чем кислород, и поэтому вызывает удушье.

Углекислый газ СО2 присутствует в биосфере как продукт продуктов дыхания и окисления. Ежегодный выброс СО и СО2 в атмосферу составляет 2 108 и 9 109 тонн

соответственно (для сравнения выброс углеводородов равен 8 107 тонн в год). СО2 мало растворим в воде, поэтому присутствие его в биожидкостях незначительно. Однако, в желудке протекает важная ферментативная реакция СО2 + Cl- + H2 O→ НCO3 - + H+ + Cl- , в результате чего в кислой среде расщепляются белки. Отметим, что без ферментов эта реакция протекает в обратном направлении.

4.3. Водород

Водород присутствует в природе в виде воды и многочисленных органических соединений (табл.1). Вода – главная среда жизнедеятельности организма. В ней растворяется большинство веществ, участвующих в процессах метаболизма. Содержание воды в органах и тканях организма достаточно высоко:

Таблица 3

Ткань, орган, био-
жидкость
Головной мозг
Спинной мозг
Желудочный сок
Плазма крови
Слезная жидкость

Физиологической средой для человека является 0,9%-ный раствор NaCl. Вода обладает высокой удельной теплоемкостью и, вследствие медленного теплообмена с окружающей средой, обеспечивает поддержание постоянной температуры тела. При перегреве происходит испарение воды с поверхности тела. Из-за высокой теплоты парообразования воды этот процесс сопровождается затратами энергии, и температура тела понижается. В водной среде за счет буферных систем (карбонатной, фосфатной и гемоглобиновой) поддерживается кислотно-основной баланс организма.

Как видно из табл.3, среднее значение рН организма отвечает рН физиологического раствора и колеблется от 6,8 до 7,4. Однако, отдельные органы и ткани могут иметь значения рН, сильно отличающиеся от физиологического. Так, в желудке кислотность велика, и рН равен 0,9 – 1,1. Это необходимо для того, чтобы под действием фермента пепсина, активного в кислой среде, шло расщепление пептидов белковой составляющей пищи. Желчь имеет слабощелочную реакцию (рН 7,5 – 8,5), что необходимо для щелочного гидролиза жиров.

4.4. Азот

Азот присутствует в живых организмах в виде разнообразных органических соединений: аминокислот, пептидов, пуриновых оснований и др., а также в виде свободного N2 , поступающего с вдыхаемым воздухом. Круговорот азота в природе тесно свя-

зывает геосферу и биосферу, подтверждая их единство. Существует множество бактерий, способных легко переводить одни соединения азота в другие, причем с изменением степени окисления азота. Так, например, если в технике синтез аммиака осуществляется в жестких условиях, то в биосфере связывание атмосферного N 2 и его превращение в NH3 протекает более легким ферментативным способом с участием нитрогеназы:

N2 + 16ATP + 8e + 8H+ 2NH3 +16ADP +16[Р в неорганических фосфатах] +Н2 , где АТР и АDP – аденозинтрифосфат и аденозиндифосфат соответственно, причем считают, что исходная АТР находится в виде комплекса с Mg. Микроорганизмы, участвующие в этой реакции, присутствуют в корневых клубеньках некоторых растений, а также

в синезеленых водорослях. Фермент нитрогеназа, содержащий белки, а также Мо и Fe, активен только в анаэробных условиях. Исследования показали, что при восстановле-

нии N2 в NH3 не образуются NH=NH и NH2 -NH2 . Это говорит о том, что на ферменте, вероятно, действуют 2 активных центра: на одном расщепляется молекула азота, а на другом координирован атом Н. В природе протекают и другие взаимные превращения

соединений азота: нитрификация или окисление NH3 до NO2 , а также восстановление нитрат-иона из удобрений под действием ферментов растений или анаэробных бакте-

рий до NO2 или даже до NH3 . Неорганические соединения азота, как правило, токсич-

ны, за исключением простого вещества N2 и в небольших количествах N2 O. Ежегодно в атмосферу выбрасывается ~ 5· 107 тонн различных оксидов азота NOx и ~ 107 тонн иных соединений азота. Молекула NO , по современным представлениям, несмотря на кажу-

щуюся трудность её образования из простых веществ, присутствует в атмосфере в огромных количествах. Считают, что до 7 107 тонн атмосферного N2 в год реагируют с О2 в результате высокотемпературных процессов, как то: сжигание топлива в промышленности и работа транспорта. Показано, что оксиды азота, как и озон, способны взаимодействовать с продуктами неполного сгорания топлива с образованием высокоток-

сичных пероксонитратов RСОООNO2 . Под действием солнечной радиации в верхних слоях атмосферы протекают фотохимические реакции с участием NOx , которые катализируются содержащимися там твердыми частицами пыли. В организме человека NO

образуется в количестве ~100 мг в сутки из аргинина по реакции: NH=C(NH2 )- NH(CH2 )3 CH(NH2 )COOH + 3/2O2 →фермент NO-синтетаза → H2 NCONH(CH2 )3 CH(NH2 )COOH +2NO + H2 O. Известно, что молекулы NO способны проникать в клетки стенок кровеносных сосудов и регулировать кровоток; кроме того, NO контролирует секрецию инсулина, почечную фильтрацию, репаративные процессы

в тканях и др. Таким образом, NO – двуликая молекула, проявляющая как токсичное, так и несомненно полезное действие. Например, при приёме такого распространенного кардиологического препарата, как нитроглицерин, происходит гидролиз его с образованием нитрат-иона, который восстанавливается железом гемоглобина до NO, а затем уже именно NO вызывает расслабление гладких мышц сосудов. Другие оксиды азота

NO2 , N2 O3 сильно токсичны и способны вызвать удушье и отек легких. Особенно токсичен нитрит-ион NO2 - , потому что он окисляет метгемоглобин и нарушает процесс переноса О2 в организме. Кроме этого, нитрит-ион образует в желудке канцерогенный нитрозоамин. Однако, NaNO2 применяли раньше как сосудорасширяющее средство при стенокардии и спазмах сосудов головного мозга. В последнее время от NaNO2 из-за его несомненной токсичности отказались, заменив его нитроглицерином или нитросорби-

том, которые не имеют таких побочных эффектов. Вдыхание паров аммиака NH3 в больших количествах вредно, так как аммиак создает сильнощелочную среду на поверхности слизистых оболочек гортани и легких, что вызывает их раздражение и отек.

Кроме того, небольшие молекулы NH3 легко проникают через клеточные мембраны и становятся конкурентами многим лигандам в координации с ионами металлов.

Предыдущая статья: Что делать, когда плохо на душе и хочется плакать Следующая статья: Служебный роман закончился: Как работать с бывшим парнем?