Биологическая роль р-элементов VIIA-группы. Применение их соединений в медицине (фтор и хлор)

По содержанию в организме человека хлор (0,15%) относится к макроэлементам, в то время как осталь–ные элементы этой группы являются микроэлемента–ми (содержание – 10^-5 %). Галогены в виде различных соединений входят в состав тканей человека и живот–ных. Хлор и йод относятся к незаменимым элементам, а остальные являются постоянными составными частями тканей.

Масса фтора в организме человека – около 7 мг (~10^-5 %). Соединения фтора концентрируются в кост–ной ткани, ногтях, зубах. В состав зубов входит около 0,01% фтора, причем большая часть приходится на эмаль, что связано с присутствием в ней труднорастворимого фтор-апатита. Недостаток фтора в организме приводит к кариесу зубов.

Интерес к биологическому действию фтора связан прежде всего с проблемой зубных болезней, так как фтор предохраняет зубы от кариеса. Минеральную основу зубных тканей (дентина) составляют гидрокси-лапатит, хлорапатит и фторапатит. Очень часто разру–шению подвергается не внешняя поверхность зуба, покрытая слоем эмали, а внутренние участки дентина, обнаженные при повреждении эмали. Имеются пред–положения, что пока эмаль повреждена незначительно, введение фторида натрия способствует образованию фторапатита, облегчая реминерализацию начавшегося повреждения.

Фторид натрия NaF употребляют в медицинской практике в качестве местнодействующего наружного средства. Применение NaF основано на образовании фторапатита. При этом происходит одновременно и подщелачивание среды ротовой полости, что спо–собствует нейтрализации кислот, вырабатываемых бактериями.

Вреден не только недостаток, но и избыток фто–ра. При содержании фтора в питьевой воде выше предельно допустимой нормы (1,2 мг/л) зубная эмаль становится хрупкой, легко разрушается, и появляются другие симптомы хронического отравления фтором – повышение хрупкости костей, костные деформации и общее истощение организма. Возникающее в этом случае заболевание называется флуорозом (фторозом).

В организме человека содержится около 100 г (2790 ммоль) хлора. Хлорид-ионы играют важную биологи–ческую роль. Они активируют некоторые ферменты, создают благоприятную среду для действия протоли-тических ферментов желудочного сока, обеспечивают ионные потоки через клеточные мембраны, участвуют в поддержании осмотического равновесия.

Хлорид-ион имеет оптимальный радиус для проникно–вения через мембрану клеток. Именно этим объясняется его совместное участие с ионами Na и K в создании определенного осмотического давления и регуляции водно-солевого обмена. Суточная потребность в натрия хлориде составляет 5—10 г. Как уже рассматривалось, NaCl необходим для выработки соляной кислоты в же–лудке. Помимо важной роли соляной кислоты в процес–се пищеварения, она уничтожает различные болезне–творные бактерии (холеры, тифа).

Если в желудок с большим количеством воды попа–дают бактерии, то вследствие разбавления HCl не оказы–вает антибактериального действия, и бактерии выжи–вают. Это приводит к заболеванию организма. Поэтому во время эпидемий особенно опасна сырая вода. При не–достаточном количестве соляной кислоты в желудке по–вышается рН и нарушается нормальное пищеварение, что тяжело отражается на здоровье человека. При пони–женной кислотности желудочного сока в медицинской практике используют разбавленный раствор соляной кислоты. При воспалении желудка (гастрите), язвенной болезни секреция желудочного сока увеличивается, повышается его кислотность.

53. Биологическая роль р-элементов VIIA-группы. Применение их соединений в медицине (бром, йод)

Масса брома в организме человека ־ около 7 мг. Он ло–кализуется преимущественно в железах внутренней сек–реции, в первую очередь в гипофизе. Биологическая роль соединений брома в нормальной жизнедеятельности ор–ганизма еще недостаточно выяснена. Соединения брома угнетают функцию щитовидной железы и усиливают ак–тивность коры надпочечников. При введении в организм бромид-ионов наиболее чувствительной оказывается центральная нервная система. Бромид-ионы равномерно накапливаются в различных отделах мозга и действуют ус–покаивающе при повышенной возбудимости. Они спо–собствуют восстановлению нарушенного равновесия между процессами возбуждения и торможения.

Бромид-ионы легко всасываются в желудочно-кишеч–ном тракте. Токсичность бромид-ионов невысока. Вслед–ствие медленного выведения из организма (в течение 30—60 суток) они могут накапливаться (кумулировать), что приводит к развитию хронического отравления, кото–рое называется бромизмом. При проявлении признаков хронического отравления бромом немедленно прекра–щают прием бромидных препаратов. Кроме того, вводят большое количество хлорида натрия (до 25 г в сутки), что–бы увеличить скорость выделения бромид-ионов (прин–цип Ле Шателье), и назначают обильное питье. В связи с различной индивидуальной чувствительностью дозиров–ка препаратов брома меняется в пределах от 0,05 до 2,0 г.

Йод относится к числу незаменимых биогенных элементов и его соединения играют важную роль в про–цессах обмена веществ. Йод влияет на синтез некото–рых белков, жиров, гормонов. В организме человека содержится около 25 мг йода. Из общего количест–ва йода в организме больше половины находится в щитовидной железе. Почти весь йод, содержащийся в этой железе, находится в связанном состоянии (в ви–де гормонов) и только около 1% его находится в виде иодид-иона. Щитовидная железа способна концент–рировать I — в 25 раз – по сравнению с содержанием его в плазме. Щитовидная железа секретирует гормо–ны тироксин и трийодтиронин.

Пониженная активность щитовидной железы (гипоти–реоз) может быть связана с уменьшением ее способно–сти накапливать йодид—ионы, а также с недостатком в пище йода (эндемический зоб). При эндемическом зобе назначают препараты йода: (йодид калия KI или йодид натрия NaI) в дозах, соответствующих суточной потребности человека в йоде (0,001 г калия иодида). В районах, где имеется дефицит йода, для профилакти–ки эндемического зоба добавляют к поваренной соли NaI или К! (1—2,5 г на 100 кг). При повышенной актив–ности щитовидной железы (гипертиреоз) вследствие из–быточного синтеза тиреоидных гормонов наблюдается ненормально увеличенная скорость метаболических процессов.

При неэффективности указанных препаратов для ле–чения гипертиреоза применяют препарат радиоактив–ного йода 131 I, излучение которого разрушает фолликулы щитовидной железы и уменьшает тем самым избыточ–ный синтез гормонов. Все р-элементы VIIA-группы физио–логически активны, а хлор и йод незаменимы для жизне–деятельности организма. Фтор считают элементом, необ-ходимым для нормального функционирования живых организмов.

В организме галогены взаимозамещаемы, при этом наблюдаются случаи как синергизма, так и антагонизма.

Аэрозоли

Аэрозолями называются дисперсные системы с га–зообразной дисперсионной средой.

В зависимости от агрегатного состояния диспер–сной фазы различают туманы – аэрозоли с жидкой дисперсной фазой; дымы, пыли – аэрозоли с твер–дой дисперсной фазой; смоги – аэрозоли со смешан–ной дисперсной фазой.

Размеры частиц дисперсной фазы аэрозолей в соот–ветствии с классификацией дисперсных систем колеб–лются в пределах от 10^-7 до 10^-9м.

Как и другие дисперсные системы, аэрозоли полу–чают двумя методами: конденсационными и диспер-гационными.

Конденсационный метод

Дисперсную фазу получают из парообразной путем физического процесса конденсации молекул до частиц коллоидного размера.

Диспергационные методы

Частицы коллоидных размеров получают измельче–нием более крупных агрегатов.

Аэрозоли обладают способностью рассеивать свет. У частиц дисперсной фазы аэрозолей отсутствует двойной электрический слой, однако частицы диспер–сной фазы очень часто несут электрический заряд. За–ряд возникает в результате трения или вследствие ад–сорбции ионов газа. Необходимо отметить, что очень часто частицы аэрозоля (мелкие и крупные) несут за–ряд противоположного знака. Разделение частиц по размерам в больших объемах аэрозолей по высоте мо–жет привести к возникновению электрического поля боль–шой напряженности. Таким образом, в облаках возни–кает электрический разряд – молния.

Аэрозоли – кинетически и агрегативно-не-устойчивые системы, так как на границе раздела фаз отсутствует двойной электрический слой. Поэтому аэрозоли коагулируют с большей скоростью, чем лио-золи.

В медицине аэрозоли применяются в ингаляционной терапии, для защиты поврежденных кожных покровов, дезинфекции.

Иногда образование аэрозолей крайне нежелательно. Опасные для здоровья людей аэрозоли образуются в ли–тейном, керамическом производствах, при добыче и пе–реработке различных полезных ископаемых (руды, угля, асбеста и др.). Аэрозоли, содержащие частицы угля, вы–зывают заболевание легких – антракоз, кремния (IV) ок–сида – силикоз, асбеста – асбестоз. Аллергические за–болевания вызываются аэрозолями, образованными цветочной пыльцой растений, пылью, образующейся при переработке хлопка, льна, конопли и т. д. Взвеси бактерий, плесений и вирусов – микробиологические или бактериальные аэрозоли – являются одним из путей передачи инфекционных болезней: туберкулеза легких, гриппа, острых респираторных заболеваний. Вредное воздейст-вие на человеческий организм оказывают аэрозоли, образующиеся при сгорании топлива, дис–персная фаза которых состоит из сажи, смол, золы, кан–церогенных углеводородов. Особенно опасны для здо–ровья смоги.

Поэтому борьба с запыленностью и загрязненностью атмосферы приобретает все большее значение. Очист–ка воздуха от аэрозолей достигается введением безот–ходных технологий – улавливанием частиц дисперсной фазы с использованием фильтров, циклонов (центро–бежных пылеуловителей), электрического поля высоко–го напряжения.

Эмульсии

Эмульсиями называются микрогетерогенные систе–мы, у которых дисперсная фаза и дисперсионная сре–да представляют собой несмешивающиеся жидкости.

Размеры частиц дисперсной фазы – капелек жид–кости – находятся в пределах от 10 -4 до 10 -6 м.

В зависимости от концентрации дисперсной фазы раз–личают эмульсии: разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные.

В зависимости от природы дисперсной фазы и дис–персионной среды различают:

1) эмульсии неполярной жидкости (ДФ) в полярной (ДС) – прямые эмульсии, называемые эмульсиями первого рода или эмульсиями типа «масло/вода» (М/В);

2) эмульсии полярной жидкости (ДФ) в неполярной (ДС) – обратные эмульсии, называемые эмульсиями второго рода или эмульсиями типа «вода/масло» (В/М).

Здесь ДФ и ДС – дисперсная фаза и дисперсионная среда соответственно, «вода» – любая полярная жид–кость, «масло» – неполярная.

Тип эмульсии можно установить:

1) измерением электрической проводимости;

2) смешением с избытком полярной или неполярной жидкости;

3) окрашиванием водорастворимыми или маслора-створимыми красителями;

4) по смачиванию и растеканию капли эмульсии на гидрофобной или гидрофильной поверхности. Эмульсии, как и другие дисперсные системы, можно

получить методами конденсации и диспергирования.

Эмульсии как грубые дисперсии – кинетически и аг-регативно-неустойчивые системы. При столкновении капель дисперсной фазы происходит их слияние (коа-лесценция). В результате коалесценции эмульсия рас–слаивается на две непрерывные жидкие фазы.

Для повышения устойчивости эмульсий исполь–зуют стабилизаторы – эмульгаторы. Это ПАВ, ко–торые в результате адсорбции на границе раздела фаз снижают величину межфазного натяжения и обра–зуют механически прочную адсорбционную пленку. Если эмульгатор – ионогенное ПАВ, то он сообщает капелькам дисперсной фазы электрический заряд оди–накового знака, и капельки отталкиваются.

Тип образующейся эмульсии зависит от свойств эмульгатора. Дисперсионной средой всегда оказывает–ся та жидкость, которая лучше растворяет или смачи–вает эмульгатор. В качестве эмульгаторов используют соли высших жирных кислот, сложные эфиры высших жирных кислот и многоатомных спиртов, длинноцепо-чечные амины.

Эмульсии широко встречаются в природе. Эмульсия–ми являются молоко, сливки, сметана, сливочное масло, яичный желток, млечный сок растений, сырая нефть.

Эмульсии, содержащие лекарственные вещества, широко применяются в медицине: первого рода (М/В) для внутреннего применения, второго рода (В/М) – для наружного.

Известно, что растительные и животные жиры лучше усваиваются организмом в эмульгированном виде (мо–локо). В качестве эмульгаторов в этом случае выступают производные холевой и дезоксихолевой кислоты.

Иногда возникает потребность разрушить образо–вавшуюся эмульсию. Разрушение эмульсии называют деэмульгированием. Деэмульгирование проводят повышением и понижением температуры, воздей–ствием электрического поля, центрифугированием, добавлением электролитов и особых веществ – де-эмульгаторов. Деэмульгаторы представляют собой ПАВ с большей поверхностной активностью, чем эмульга–торы, но не обладающие способностью образовывать механически прочный адсорбционный слой.

Коллоидные ПАВ

Коллоидными ПАВ называются вещества, которые с одним и тем же растворителем в зависимости от усло–вий образуют истинный и коллоидный раствор.

Как было уже сказано, молекулы ПАВ дифильны. Они состоят из неполярных и полярных группировок. У непо–лярных радикалов, например, углеводородных цепей, от–сутствует сродство к полярному растворителю – воде, у полярных групп оно достаточно велико. Между неполяр–ными группами существует гидрофобное (вандер-вааль-сово) взаимодействие. При длине цепи приблизительно в 10^-22 углеродных атома за счет гидрофобных взаимо–действий углеводородных радикалов и сильного взаимо–действия полярных групп с водой происходит ассоциа–ция молекул ПАВ и образуются мицеллы.

Минимальная концентрация коллоидного ПАВ, начиная с которой в его растворе происходит об–разование мицелл, получила название критиче–ской концентрации мицеллообразования (ККМ).

Форма образующихся мицелл зависит от концентра–ции раствора. При небольших концентрациях коллоидно–го ПАВ образуются сферические мицеллы. Повышение концентрации раствора коллоидного ПАВ приводит сна–чала к росту их числа, а затем и к изменению формы. При более высоких концентрациях вместо сферических мицелл образуются цилиндрические и пластинчатые.

Значение ККМ зависит от различных факторов: приро–ды коллоидного ПАВ, температуры и присутствия при–месей посторонних веществ, особенно электролитов.

ККМ можно определить по свойствам раствора, завися–щим от числа и размеров кинетически активных частиц, в частности по изменениям осмотического давления, по–верхностного натяжения, электрической проводимости, оптических характеристик. Так как при переходе «ис–тинный раствор – коллоидный раствор» изменяет–ся размер кинетически активных частиц (ионов, молекул, мицелл) и их число, то на графике «свойст–во – концентрация» появляется точка излома, отвечаю–щая ККМ.

Одним из важнейших свойств растворов коллоидных ПАВ, из-за которого они находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства и в меди–цине, является солюбилизация. Механизм солюбили-зации заключается в растворении неполярных ве–ществ в гидрофобном ядре мицелл.

Явление солюбилизации широко используется в раз–личных отраслях народного хозяйства: в пищевой про–мышленности, в фармацевтической (для получения жидких форм лекарственных веществ). В системе «во–да – фосфолипид» при встряхивании, перемешивании образуются сферические мицеллы – липосомы. Моле–кулы фосфолипидов образуют в липосомах бислойную мембрану, в которой полярные группы обращены к во–де, а неполярные друг к другу. Липосомы можно рас–сматривать как модель биологических мембран. С их помощью можно изучать проницаемость мембран и влияние на нее разного рода факторов для различных соединений.

Липосомы широко используются для направленной доставки лекарственных веществ к тем или иным орга–нам или зонам поражения. С помощью липосом можно транспортировать лекарственные вещества внутрь клеток. Липосомальные мембраны используются в им–мунологических исследованиях при изучении взаимо–действия между антителами и антигенами.