Біологічна роль і медичне застосування

СПОЛУК IV- VI - ї АНАЛІТИЧНОЇ ГРУПИ КАТІОНІВ

Цинк і Хром належать до біогенних елементів, біологічна роль Алюмінію вивчена недостатньо. Цинк – один з найпоширеніших елементів в організмі, його вміст становить приблизно 1,4-2,3 г. У сполуках виявляє сталий ступінь окиснення і характеризується високою здатністю до координації з амінними та сульфгідрильними групами, що й реалізується в біосистемах під час утворення металоферментів. Цинк входить до складу активних центрів понад 40 різних ферментів.

Важливим ферментом, що містить Цинк, є карбоксипептидаза, що прискорює реакцію розщеплення білків до амінокислот, з яких у клітинах синтезуються нові білки. Іншим важливим ферментом, що містить йони Zn²⁺ є карбоангідраза, функція якої пов'язана з процесом дихання. Карбоангідраза каталізує реакцію взаємодії карбону (ІV) оксиду з водою до утворення гідрогенкарбонат-йону НСО₃^- (у клітинах) та розкладання його на вуглекислий газ і воду (в альвеолах легень).

Біологічна роль Цинку значною мірою пов'язана з функціонуванням залоз внутрішньої секреції, в яких він концентрується. Вважають, що передміхурова залоза добре функціонує при достатній кількості Цинку в організмі. Крім того, йони Цинку істотно впливають на здатність інсуліну знижувати рівень глюкози в крові.

Цинк відіграє важливу роль у діяльності клітин головного мозку, тому його й використовують для лікування психічних захворювань. Він також сприяє загоєнню ран, завдяки чому цинкові мазі (на основі цинку оксиду ZnO) вже здавна застосовують у дерматології. Розчин цинку сульфату ZnSO₄ використовують для лікування різних очних хворіб.

Хром - необхідний елемент для функціонування численних біосистем. Він впливає на обмін вуглеводів, ліпідів та нуклеїнових кислот, активує дію інсуліну, входить до складу ферментів трипсину і трансферину. Поліпшуючи загальний обмін речовин, Хром сповільнює процеси старіння організму. У медичній практиці вже використовують препарат під назвою "Хром піколінат" для лікування діабету. Крім того, сполуки Хрому входять до складу деяких комплексних вітамінних препаратів.

З усіх мікроелементів йон Сr (III) є найменш отруйним, однак сполуки шестивалентного хрому (хромати і дихромати) – токсичні.

Алюміній відносять до незамінних мікроелементів (загальний вміст 10^-5% за масою). Він надходить в організм з продуктами харчування та частково з водою, добова потреба в ньому становить 45-50 мг. Алюміній накопичується в кістках, печінці, легенях, нирках, головному мозку. Він сприяє розвитку й регенерації епітеліальної, сполучної та кісткової тканин, бере участь в обміні фосфоровмісних сполук.

При підвищеному вмісті в організмі сполук Алюмінію спостерігаються значні порушення рівноваги реакцій, пов'язаних з енергообміном. Крім того, надлишок сполук Алюмінію в організмі впливає на функцію центральної нервової системи, порушуючи процес передачі нервових імпульсів.

Сполуки Алюмінію мають кровоспинні, протизапальні та антацидні властивості, завдяки чому їх здавна використовують у медицині. Наприклад, алюмінію гідроксид Аl(ОН)₃ застосовують при підвищеній кислотності шлункового соку як у чистому вигляді, так і в суміші з магнію оксидом MgO (алмагель) або з Мg(ОН)₂ (маалокс). У вигляді паст, мазей, присипок калію-алюмінію сульфату додекагідрат КАl(SO₄)₂•12Н₂О (калієво-алюмінієвий галун) використовують під час запальних захворювань слизових оболонок і шкіри. Препарат алюгастрин NаАl(ОН)₂СО₃ призначають при виразковій хворобі шлунка.

Арсен в мікроскопічних кількостях знаходиться у всіх тваринних і рослинних організмах. Всі сполуки Арсену є дуже отруйними. Роль його в організмі не вияснена. Сполуки Арсену використовують в медицині, вони мають сильну токсичну дію на збудників деяких хвороб. Арсену (III) оксид As₂O₃ застосовують зовнішньо у вигляді паст в зуболікувальній практиці та при деяких шкірних захворюваннях, внутрішньо у вигляді таблеток при малокрів’ї.

Сполуки Стануму виявлені в різних тканинах і органах людини. Щоденно з їжею людина засвоює близько 17 мг Стануму. Сполуки його в якості лікарських препаратів застосування поки що не знаходять.

Ферум (II) і Ферум (III) -йони мають особливо велике значення для життєдіяльності організму людини й тварин. Загальний вміст Феруму в організмі становить 4-5 г, причому 60—70 % загальної маси цього елемента міститься в еритроцитах та нервових клітинах. Йони Феруму, що містяться в біосистемах, поділяють на гемові й негемові.

Гемові — це Fе (II)-йони, що входять до складу порфіринових комплексів, а негемові — решти сполук: феритину, гемосидерину, лактоферину, ферум-сульфуровмісних білків (ФСБ) та ін.

До гемовмісних білків належить гемоглобін і міоглобін. Гемоглобін входить до складу еритроцитів крові і забезпечує зв'язування кисню з повітря та перенесення його від легень до тканин усіх органів, а міоглобін має здатність зберігати запаси кисню в м'язах. Лабільний комплекс, який утворюється внаслідок приєднання кисню до гемоглобіну, називають оксигемоглобіном.

Ферум входить також до складу цитохромів, які виконують роль переносників електронів у ланцюгу дихання. Важливими ферментами Феруму, що відіграють значну роль у життєдіяльності організму, є каталаза і пероксидаза. Каталаза захищає клітини від токсичної дії гідрогену пероксиду, а пероксидаза каталізує процеси окиснення пероксидом різних органічних сполук.

Враховуючи велике значення йонів Fе (ІІ) і Fе (Ш) для організму людини, добова потреба в ньому становить 10-15 мг. У разі нестачі в організмі сполук Феруму розвиваються різні захворювання крові, так звані ферумдефіцитні анемії, внаслідок яких зменшується як загальна кількість еритроцитів, так і вміст у них гемоглобіну. Для лікування цих захворювань використовують ферум (ІІ) сульфат FeSO₄•7H₂O, лактат (СН₃СН(ОН)СОО)₂Fе•3H₂O або аскорбінат (C₆H₈O₆•FeO)•FeSO₄•4H₂O, а в останні роки застосовують сучасніші препарати, що містять Ферум (ІІ) - фероплекс, фероцерон, ферумградумет, фенюльс, ферум-Лек тощо. У разі хронічної інтоксикації сполуками Феруму виникає хвороба під назвою "сидероз".

До важливих біоелементів, що належить до групи мікроелементів, відносять Манган. Він міститься в організмі у вигляді катіонних форм (Мn²⁺, Мn³⁺, Мn⁴⁺), які в оксидаційно-відновних процесах переходять від одного ступеня окиснення до іншого. Йони Мангану необхідні для росту, утворення кісток та збереження репродуктивної функції організму. Вони беруть участь у метаболізмі глюкози та ліпідів, а також у процесі активування деяких ферментів (аргінази, фосфатаз тощо). Вміст Мангану в організмі людини становить близько 12 мг.

Манган переважно входить до складу ферментних систем, які прискорюють окисно-відновні процеси внутрішньоклітинного обміну речовин, зокрема амінопептидази. При нестачі Мангану в організмі порушується фосфорно-кальцієвий обмін, що призводить до виникнення рахіту, як і при нестачі вітаміну D. Крім того, Манган прискорює процес утворення антитіл, які нейтралізують шкідливу дію чужих для організму білків (вірусів і бактерій). Він посилює синтез гормонів щитоподібної залози, впливає на засвоєння йоду.

Сполуки двовалентного Мангану використовують у медичній практиці при різних захворюваннях: у комплексах з полівітамінами - при невритах, а разом зі сполуками Кобальту й Купруму - при захворюваннях кровотворних органів. Мангану (П) сульфат і хлорид (МnSO₄, МnCl₂) входять до складу різних полівітамінів як мінеральні добавки.

Завдяки протимікробним властивостям, калію перманганат KMnO₄ застосовують у вигляді розбавлених розчинів як антисептичний засіб для промивання ран, а також у разі отруєнь шлунка.

Сполуки Магнію містяться у внутрішньоклітинних рідинах, кістках скелету та емалі зубів. У водних розчинах біологічних рідин йони Мg²⁺ утворюють комплексні сполуки за участю молекул води типу [Mg(H₂O)₆]²⁺. З амінокислотами, ЕДТА та порфіринами йони Магнію утворюють складні хелатні комплекси, в яких донорами електронів виступають атоми Нітрогену або Оксигену.

Залежно від концентрації в організмі Магній може прискорювати або гальмувати процес передачі імпульсів по нервових волокнах. Він також впливає на дихальні, судинорухові та інші мозкові центри і діє заспокійливо на нервову систему загалом; входить до складу деяких ферментів з групи трансфераз, впливає на вуглеводний та фосфорний обмін, сприяє виділенню жовчі.

Багато Магнію є в листках рослин, де у формі катіона Мg²⁺ він входить до складу хелатного комплексу - хлорофілу, що за своєю структурою нагадує гем гемоглобіну крові. Однак у молекулі хлорофілу центральним атомом є Магній, а гемоглобіну - Ферум (П). Хлорофіл бере участь у процесі фотосинтезу - синтезу вуглеводів з вуглекислого газу й води, який відбувається з виділенням кисню. Це дає змогу підтримувати рівновагу вуглекислого газу й кисню у довкіллі і забезпечує життя людини і тварин на Землі.

Магнію оксид MgO використовують в медицині для нейтралізації підвищеної кислотності шлункового соку, входить в склад мазей для лікування шкірних хвороб. Магнію сульфат MgSO₄•7H₂O застосовують як послаблюючий засіб при шлункових захворюваннях, як жовчогінну і наркотичну речовину.

Основна сіль Бісмуту (BiO)₂(OH)NO₃ призначається у вигляді порошків при деяких шлункових захворюваннях як антисептичний і в’яжучий засіб, зовнішньо в мазях при запалювальних процесах шкіри.

З препаратів Стибію в медицині використовують так званий “рвотний камінь” K(SbO)C₄H₄O₆•H₂O при лікуванні гельмінтозів.

Купрум, Кобальт і Нікол належать до біогенних елементів. Інші два елементи (Сd, Нg) відносять до важких металів, що характеризуються високою токсичністю.

Відомо близько 30 різних білків і ферментів, у складі яких виявлено йони Сu⁺ та Сu²⁺. Біокомплекси Купруму виконують функцію переносників кисню та електронів в оксидаційно-відновних процесах, подібно до йонів Феруму.

Ферменти з групи оксидаз, що каталізують перебіг окремих ОВР, містять у молекулах по чотири й більше атомів Купруму. Зокрема, у сироватці крові виявлено білок церулоплазмін із вмістом до 0,3 % Купруму, який каталізує процес окиснення йонів Fe²⁺ до Fe³⁺ та сприяє перенесенню електронів. Фермент цитохромоксидаза крім йонів Феруму містить ще йони Сu⁺. Це один із важливих ферментів у ланцюзі дихання, де спільно діють обидва метали.

Йони Сu (І) і Сu (ІІ), що входять до складу ферментів, беруть участь у процесах дихання тканин, росту та кровотворення, впливають на синтез в організмі гемоглобіну, а також посилюють дію гормонів гіпофіза та інсуліну, впливаючи таким чином на обмін цукрів і жирів. Вони сприяють виведенню з організму води, затриманню в ньому Кальцію й фосфатів, але не впливають на виведення хлоридів. Тому сполуки Купруму відносять до регуляторів водно-електролітного обміну. У разі нестачі цього біоелемента розвивається анемія, спостерігаються патологічний ріст кісток, дефекти сполучної тканини, захворювання шкіри. Загальна потреба організму в цьому елементі для дорослої людини становить 2-3 мг на добу. Надлишок йонів Купруму, накопичуючись у тканинах, зумовлює появу токсикозу (хвороби Вільямса).

Купруму (II) сульфат CuSO₄•5H₂O використовують в медицині в очних краплях, як рвотний засіб і в якості протиотрути при отруєннях білим фосфором.

В організмі людини міститься дуже мало Кобальту (всього 1,2 мг), але його біологічна роль достатньо вивчена. Як незамінний мікроелемент (добова потреба 300 мкг) він входить до складу металопротеїнів, які знаходяться в тканинах внутрішніх органів: печінки, нирок, підшлункової залози, а також в еритроцитах крові. Його біологічна роль пов'язана з функціонуванням деяких ферментів і гормонів. Зокрема, Кобальт бере участь у синтезі гормонів щитовидної залози - тироксину і трийодтироніну, активує такі ферменти, як карбоангідраза та карбоксипептидаза. Доведено позитивний вплив йонів Кобальту на обмін вітамінів, особливо аскорбінової кислоти.

Кобальт (ІІ)-йон утворює складний хелатний комплекс з кориновим циклом, який називають ціанокобаламіном, або вітаміном В₁₂. Ця сполука є протианемічним засобом, оскільки впливає на утворення еритроцитів та синтез гемоглобіну в крові (гемопоез). Під впливом Кобальту посилюється всмоктування Феруму з кишок і використання його в процесах утворення гемоглобіну.

Вітамін В₁₂ у достатній кількості надходить в організм з м'ясними та молочними продуктами, однак при порушенні його всмоктування з травного каналу в кров розвивається В₁₂-дефіцитна анемія. Надлишок Кобальту в організмі також шкідливий, оскільки спричинює поліцитемію.

Біологічну роль Ніколу було встановлено нещодавно, коли його виявили в складі ферменту уреази, що каталізує процес розкладання сечовини на амоніак і вуглекислий газ. Найбільший вміст цього елемента виявлено в підшлунковій залозі, печінці, шкірі та рогівці ока. Він активує кілька ферментів: ангідразу, карбоксилазу і трипсин, впливає на морфологію крові, нормалізуючи у ній вміст гемоглобіну. Добова потреба в цьому біоелементі становить 0,6 мг. Надлишок Ніколу в організмі призводить до ушкодження легеневої тканини, розвитку злоякісних пухлин тощо.

Меркурію (II) оксид HgO є антисептичною речовиною і входить у склад мазей для лікування шкірних та очних хвороб. Меркурію (II) хлорид HgCl₂ (сулема) застосовують у розчині 1:1000 як антисептичний і дезинфікуючий засіб. Меркурію (II) йодид HgI₂ використовують для лікування деяких венеричних захворювань, входить у склад мазей для лікування шкірних захворювань.