Лекція 2
Каф. медичної та біоорганічної хімії

БІОГЕННІ d-  ЕЛЕМЕНТИ, БІОЛОГІЧНА РОЛЬ, ЗАСТОСУВАННЯ в МЕДИЦИНІ.
d-елементи IB — VIIIB груп

Електронну будову й властивості цих елементів розглянемо в порядку, в якому вони представлені в періодичній системі.

IIIB група. 21Sc—3d 14s 2; 30Y—4s 15d 2; 57La—5d 16s 2; 89Ac—6d 17s 2;

Валентність - III; с.о. +3.

Оксиди мають загальну формулу Me2O3, гідроксиди Me(OH)3. Оксид і гідроксид Sc — амфотерні з перевагою основних властивостей. Оксиди й гідроксиди інших представників підгрупи скандію мають основні властивості. Ці властивості зростають у напрямку Sc(OH)3 → La(OH)3.

IVB група. 32Ti — 3d24s2; 140Zr — 4d25s2; 172Hf — 5d26s2; 104Ku — 6d27s2.
Елемент Кu отриманий штучним шляхом. Валентність — IV; с.о. +4. Оксиди мають загальну формулу MeО2; гідроксиди — Me(OH)4. Оксид і гідроксид титану амфотерні, нерозчинні у воді сполуки, тверді, тугоплавкі.

Титан і цирконій надходять до складу сплавів, які характеризуються високою корозійною стійкістю й застосовуються в ортопедичній стоматології, для виготовлення інструментарію, який використовується в хірургії.

VB група. Склад групи V; Nb; Ta; Ns  ( штучний ).

Валентний шар має будову d3s2. Максимальна валентність V, с.о. +5. Однак, відомі сполуки на ступені окислення +2, +3, +4. Оксиди мають склад Me2O5. Їм відповідають кислоти HVO3, HNbО3, HTaО3. Ванадієва кислота і її солі мають окисні властивості.

Ванадій застосовують для виготовлення аурум-ванадієвих сплавів для зубопротезної практики. 

Висока біологічна сумісність танталу обумовлює його застосування в кістковій і пластичній хірургії у вигляді кісткових цвяхів, дротових дужок, пластин, сіток.

VIB група. Склад Cr, Mo, W.

Валентний шар має будову d4s2. Максимальна валентність - VI. Ступінь окислення +6. Для хрому притаманна також с.о. +3.

Вищі оксиди CrО3, MoО3, WO3. Ним відповідають кислоти: H2CrО4 — хромова, H2MoО4 — молібденова; H2WO4 — вольфрамова. Для хрому відома двухромова кислота H2Cr2O7. Для хрому найбільш стабільним є с.о. +3. На цьому ступені окислення хром - активний комплексоутворювач із координаційним числом 6. Тому його комплекси мають формулу октаедру. Сполуки хрому VI - сильні окислювачі, відновлюються до сполук хрому III.

VIIB група. Склад: Mn, Tc, Re.

Валентний шар має будову d 5s 2. Максимальна валентність VII, ступінь окислення +7. Крім того для Mn характерні ступені окислення +2, +3, +4, +6. Як і в інших d-елементів основні властивості оксидів і гідроксидів зі збільшенням ступеня окислення слабшають, а кислотні підсилюються. MnО — нерозчинний у воді оксид. Mn(OH)2 — слабка основа.

Mn2O7, Te2O7, Re2O7 — кислотні оксиди, їм відповідають марганцева кислота HMnО4, технецієва кислота НТеО4, реніева кислота  HReО4. Це сильні кислоти. Солі марганцевої кислоти називаються перманганати. Найбільш відома сіль перманганат калію KMnО4 — сильний окислювач.

VIIIB група. Поділяється на 2 родини – родина феруму (Fe, Co, Ni) і родина платіни (Rn, Os, Rh., Ir, Pd, Pt).

Структура валентного шару атомів:

Fe — 3d64s2; Co —3d74s2; Ni — 3d84s2; Pt — 3d94s2.

Для феруму найбільш характерні ступені окислення +2 і +3 (с.о. +6 відповідає не існуюча у вільному стані ферумна кислота H2FeО4). Відомі її солі – фераты, які володіють сильними окисними властивостями.

Для кобальту с.о. — +2, +3 ; для нікелю — +2, для платіни — +2 і +4. Ферум утворює оксиди FeО, Fe2O3  і змішаний Fe3O4. FeО — основний оксид, Fe2O3 проявляє слабкі амфотерні властивості. Цим оксидам відповідають важко розчинні у воді гідроксиди Fe(OH)2 (слабка основа) і Fe(OH)3 (має слабкі амфотерні властивості).

Кобальт утворює аналогічні феруму оксиди й гідроксиди, які проявляють основні властивості.

Оксид нікелю NiО, гідроксид Ni(OH)2 — основні. Іони феруму, кобальту, нікелю, платіни, а також атом платіни здатні до комплексоутворення. Координаційне число іонів феруму – 6, кобальту й нікелю – 4 і 6, платіни – 4.

IB група. Склад Cu, Ag, Au.

Конфігурація валентного шару d 10s 1.
Для купруму притаманна с.о. +2 (можлива +1). Для аргентуму +1, для ауруму +3 (можлива +1). Радіуси елементів IB групи в 2 рази менші, ніж у елементів IA групи. Тому ці елементи мають більші значення потенціалів іонізації й дуже низькі відновні властивості в порівнянні з лужними металами. Іони Ag+, Cu2+, Au2+ легко утворюють комплексні сполуки. Координаційне число Ag+ — 2, Cu2+ — 4, Au3+ — 4.

IIB група. Склад: Zn, Cd, Hg. Валентні шари елементів мають структуру d10s2. Тому у своїх сполуках ці елементи мають ступінь окислення +2. Меркурій у деяких сполуках утворює іон (Hg2)2+. У порівнянні з елементами IIA групи ці елементи мають значно менші атомні радіуси, значно більші значення потенціалів іонізації й тому слабкі відновні властивості.

Цинк і його аналоги виявляють більшу схильність до комплексоутворення. Координаційне число цинку – 4, кадмію – 6, меркурію – 4 і 6. Оксид і гідроксид цинку ZnО і Zn(OH)2 — мало розчинні у воді, амфотерні.

Оксид і гідроксид кадмію CdО і Cd(OH)2  має основний характер. Меркурій утворює два оксиди HgО і Hg2O.

d-елементи взаємодіють із неметалами та складними речовинами.

3Fe + 2O2  (  Fe3O4; Mn + Cl2 ( MnCl2; Zn + S ( Zn S;

2Cu + O2 ( 2CuО; Hg + S ( Hg S; 4Cr + 3O2 ( 2CrО3
2Cr + 3S ( Cr2S3; 4Cr + 3O2 ( 2Cr2O3
Fe + 2HCl ( FeCl2 + H2; 3Fe + 4H2O (  Fe3O4 + 4H2
Fe + CuSO4 ( FeSO4 + Cu.

Для d-елементів більш характерна горизонтальна подібність ніж вертикальна. Іони Mn2+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+ мають подібні фізико-хімічні характеристики: електронну конфігурацію, близькі радіуси іонів, однотипні координаційні числа – 4 і 6 (відповідно тетраедричне або квадратне й октаедричне оточення лігандів). Подібність характеристик цих елементів обумовлює взаємну замінність і паралелізм у біологічній дії. У вигляді відповідних біокомплексів (у тому числі металоферментів) усі вони беруть участь у регуляції обміну речовин, виступаючи каталізаторами біосинтезу.

Більшість із них стимулює кровотворення. Їх синергізм у цьому процесі пов'язаний з участю їхніх іонів на різних етапах синтезу ферментних систем крові. Більш того, молекули – переносники кисню для людини й більшості вищих тварин містять у своєму складі ферум, у хробаків – купрум, асцидій – ванадій.

Іони нікелю, мангану й феруму заміщюють один одного в живих організмах, беручи участь в однотипних перетвореннях.

Біогенна роль d- елементів.
Хром — мікроелемент (10–5 %). Біологічна дія заснована на здатності до комплексоутворення.

Біогенна роль:

1.
Впливає на кровотворення.

2.
Складова частина травного ферменту - трипсину.

3.
Стабілізує структуру нуклеїнових кислот.

4.
Сполуки хрому виявляють протипухлинну дію.

5.
Бере участь в обміні глюкози.

Металевий хром надходить до складу сплавів, що застосовуються у зубопротезній справі, а також для виготовлення медичного інструментарію.

Розчинні сполуки хрому в підвищених дозах є отрутами.

Молібден — мікроелемент (10–5 %). Добова потреба 0,15-0,3 мг. Топографія в організмі: печінка, нирки, залози внутрішньої секреції.

Біогенна роль:

1.
Активатор ферментів;

2.
Активує синтез гемоглобіну;

3.
Впливає на імуногенез.

Ферменти, що містять молібден, беруть участь у метаболізмі пуринів і засвоєнні азоту, при цьому утворюється сечова кислота. При підвищеному вмісті молібдену розвивається ендемічна подагра.

Ферум — мікроелемент (10–5 %). Добова потреба 15-20 мг. Локалізується в еритроцитах, а також у дихальних ферментах цитохромах. Ферум надходить до складу ферментів гемоглобіну, цитохромів, каталаз, пероксидаз і ін. Ферум бере активну участь в окисно-відновних процесах організму, в імунобіологічних реакціях, необхідних для процесів росту й кровоутворення.

Нестача феруму приводить до розвитку анемій.

Препарати:

Залізо відновлене, застосовується для лікування анемій.

Ферамід - комплекс феруму з амідом нікотинової кислоти - протианемічний засіб.

Хлорид феруму (III) (FeCl3) застосовується як кровоспинний засіб, зовнішньо.

Кобальт — мікроелемент (10–5 %). Добова потреба 0,05-0,1 мг. Топографія в організмі: печінка, нирки, підшлункова залоза.

Біологічна роль:

1.
Впливає на всі види обміну речовин.

2.
Впливає на функції розмноження й росту.

3.
Збільшує вміст еритроцитів і гемоглобіну (гемопоетичні властивості).

4.
Мікродози (1-5 мг) кобальту знижують рівень цукру в крові.
5.
Позитивно впливає на засвоєння кальцію й фосфору.

6.
Позитивно впливає на імуногенез.

Кобальт надходить до складу вітаміну B12 (цианокобаламіну), стимулює еритропоез.

Надлишок кобальту знижує імунобіологічну реактивність організму.

Препарати:

Цианокобаламін (вітамін B12) — для лікування доброякісних і злоякісних анемій.

Сульфат кобальту (II) застосовується для лікування анемій, пов'язаних з вагітністю й пологами, а також разом із сульфатами магнію й купруму - при функціональних маткових кровотечах.

Радіонуклід 60Co застосовується в радіотерапії злоякісних пухлин.

Купрум — мікроелемент (10–4 %). Життєво необхідний мікроелемент. Добова потреба 2-3 мг. Біотик, нестача якого веде до значних порушень в організмі.

Біогенна роль:

1.
Підсилює дію інсуліну й гормонів гіпофіза.

2.
Позитивно впливає на ріст і розвиток організму, тому що сприяє синтезу білка.

3.
Впливає на синтез гемоглобіну й утворення еритроцитів.

4.
Володіє гіпогликемічною дією.

5.
Впливає на водний і мінеральний обмін.

6.
Активатор ферментів.

Препарати:

Сульфат (II) купруму (CuSO4) — антисептичний, в'язний і припікальний засіб.

Аргентум — мікроелемент (10–6 %). Топографія в організмі: печінка, нирки, кістки, залози внутрішньої секреції. Біогенна роль не встановлена. Сильна ферментна отрута. Іони аргентуму мають антисептичну, протизапальну й бактерицидну дію.

Як лікарські препарати застосовують нітрат аргентуму (AgNO3) (ляпіс), колоїдні препарати — протаргол, коларгол.

Цинк — мікроелемент (10–3 %). Добова потреба – 10-15 мг. Топографія в організмі: сітчаста оболонка ока, передміхурова залоза, сперма, молочні залози, печінка, м'язи.

Біологічна роль:

1.
Впливає на процеси розмноження, тобто репродуктивну функцію;

2.
Бере участь в обміні нуклеопротеїдів, тому позитивно впливає на ріст і розмноження;
3.
Поліпшує картину крові при променевій терапії пухлин;

4.
Є складовою частиною ферментів інсуліну, карбоангідрази, карбоксипептидази й ін.;

5.
Впливає на обмін кальцію й фосфору;

6.
Підвищує імуногенез.

Препарати:

Сульфат цинку (ZnSO4) у вигляді 0,25 % розчину застосовується в офтальмології як протимікробний засіб. Сульфат цинку надходить також до складу стоматологічних цементів. Оксид цинку застосовують у дерматології як в'язний й протимікробний засіб.

У великих концентраціях сполуки цинку токсичні.

Кадмій — мікроелемент (10–4 %). Концентрується в нирках і печінці. Біогенна роль вивчена недостатньо. Антагоніст цинку. На відміну від цинку кадмій - інгібітор ферментів, тому що має велику спорідненість до тіолових (-SH) угруповань.

Кадмій токсичний і має кумулятивні властивості.

Меркурій — мікроелемент (10–6 %). Концентрується в нирках і печінці. Біогенна роль до кінця не встановлена. Впливає на фагоцитоз, кровотворення. Сполуки меркурію - інгібітори ферментів, токсичні. У медицині препарати меркурію застосовуються в якості антисептичних, протипаразитарних і проносних засобів.

Препарати:

Хлорид меркурію (II) (сулема), HgCl2.

Монохлорид меркурію, Hg2Cl2 (каломель)

Амідохлорид меркурію, HgNH2Cl2
Оксид меркурію (II), HgО.

PAGE  
4