Toxic

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Новомосковский институт

БИОЛОГИЧЕСКОЕ И ТОКСИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА

Под редакцией канд. хим. наук Т.И. Рыбкиной

Утверждено редакционным советом института в качестве учебного пособия

Новомосковск 1999

3

ВВЕДЕНИЕ

Неорганическая химия представляет собой неотъемле- мую часть общечеловеческой культуры. В последние годы ста- ли яснее осознавать, что появление все большего числа неор-

ганических веществ в различных сферах народного хозяйства оказывает глубокое и опасное влияние на окружающую среду. Сейчас нельзя обойти вниманием характер и степень воздейст-

вия неорганических веществ на человека и окружающий его мир. Настало время научить себя и студентов раздумывать над применяемыми инженерными и научными решениями.

Данное пособие предназначено познакомить студентов 1 курса, изучающих дисциплину «Общая и неорганическая хи- мия» с биологическим влиянием на организм человека элемен- тов периодической системы Д.И. Менделеева /1-3/. В пособии

также дана краткая характеристика токсичности элементов и их соединений и источников загрязнения ими окружающей среды /4,5/. Для оценки контроля предлагается перечень кон- трольных вопросов по каждой группе элементов периодиче- ской системы Д.И. Менделеева.

Авторы глубоко признательны академику Международ- ной Академии экологии Е.З. Голосману, профессору Тульского государственного университета В.А. Аверьянову и доценту ка- федры «Устойчивое развитие и безопасность жизнедеятельно- сти» НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева В.А Перегудову за внима- тельное прочтение рукописи и ценные советы, сделанные при рецензировании. Все критические замечания и пожелания бу- дут приняты авторами с благодарностью по адресу:

НИ РХТУ, кафедра общей и неорганической химии 301670 Новомосковск, Тульской обл., Дружбы 8

5

жизни, каждого из которых в теле живых существ больше 1 %, - это основной строительный материал, из которого сложены молекулы белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот. В скелете взрослого человека 1200 г Ca и 530 г P.

Вторая группа – олигобиогенные элементы – K, S, Na, CI, Mg, Fe. Тоже шесть элементов, содержание которых в че- ловеческом организме составляет от 0,1 до 1 %. Это элементы, роль и значение которых в жизнедеятельности организма из- вестны.

Катионы Na+, K+, Ca2+, Mg2+ и анионы Cl− , Br − , SO24− , PO34− обеспечивают электрохимические и другие жизненные

процессы. Их электрохимическая функция заключается в регу-

лировании осмотического давления и распределении заряда по обеим сторонам клеточных мембран. Фосфор, кроме того, за- нимает ведущее место в энергетике клетки. Сера входит в со- став некоторых аминокислот (цистеин, цистин, метионин). Подробнее смотрите соответствующие разделы пособия.

Элементы, содержание которых в организме меньше 0,01 %, называют микробиогенными. Давно доказано, что во- семь таких элементов - Mn, Co, Cu, Mo, Zn, F, Br, I - необхо- димы для жизни. Пять из них – это переходные металлы с

большой склонностью к комплексообразованию и переменной валентностью (кроме Zn). В сочетании с белковыми макромо- лекулами они работают в составе металлоферментов и метал- лопротеидов, обеспечивающих нормальный ход большинства биохимических процессов. Из более чем 700 выявленных фер- ментов свыше четверти – металлоферменты. В металлопротеи- дах, не выполняющих каталитической функции, связь металла с протеином наиболее прочна. Их функция – это перенос элек- тронов, водорода, кислорода и некоторых металлов.

Последняя группа – элементы, роль которых еще не яс- на, и токсичные элементы /8/.

6

Внастоящее время в теле человека и животных обна- ружено свыше 70 химических элементов (см. рис.1). В крови человека содержится более 30 элементов. В костях тоже около 30 элементов. В обычном молоке более 20 микроэлементов.

Впоследнее время наряду с этими 20 элементами твер- дое признание получили еще 12 элементов жизни: Li, B, AI, Si,

Sn, Cd, As, Se, Ti, V, Cr, Ni.

Однако все они (кроме Li) были отнесены к элементам жизни Вернадским еще полвека назад. Полагают, что живые существа не могут обойтись ещё без шести элементов: Be, Rb,

Ba, Ag, Pb, W. Содержание всех этих 18 элементов в организ- ме человека и животных ничтожно: 10-4 – 10–6 %.

К элементам жизни причислены и яды, враги всего жи- вого: Pb, Sn, Cd, As. Но эти элементы токсичны лишь в высо- ких дозах, в малых же – активируют жизненные силы. Это как нельзя лучше подтверждает слова Парацельса: «Все есть яд и ничто не лишено ядовитости; одна только доза делает яд неза- метным».

Стоит ли после этого удивляться пользе некоторых го- меопатических лекарств, когда в организм поступают исче- зающе малые дозы микроэлементов, в том числе таких ядови- тых и нужных для жизни, как мышьяк, свинец, медь.

Кроме всех перечисленных выше элементов в организ- ме человека, животных и растений обнаружены еще Cs, Ga, In, TI, Ge, Sb, Bi, Te, Au, Hg, V, La, Ce, Pr, Nd, Zr, Nb; все бла-

городные газы и даже Ra, Ac, Po, Th, U (см. рис.1). Содержа- ние их от 10-4 до 10-12 %. Количество радиоактивных элементов в организме ничтожно – менее одного атома на клетку; вряд ли они необходимы для жизни. Из стабильных элементов в телах микробов, растений и животных пока не нашли только 7 пере- ходных металлов (Rh, Pd, Hf, Ta, Re, Ir, Pt) и 10 редкоземель- ных элементов от самария до лютеция. Но все эти элементы или очень редкие, или крайне рассеянные. Поэтому можно по-

7

лагать, что если они и будут обнаружены в тканях, то в ни- чтожных концентрациях.

Химические элементы концентрируются в организме человека неравномерно (см. рис.2,3). Большинство микроэле- ментов накапливаются в печени, костной и мышечной тканях. Это депо (запасники) микроэлементов. Сейчас, анализируя хи-

мический состав некоторых частей человеческого организма (крови, желудочного сока, волос и т.д.), ученые делают вывод не только о физиологическом, но и о психическом состоянии организма. Известно, что при стрессе содержание цинка в кро- ви возрастает. Повышение содержания Ni и Mn в крови проис- ходит незадолго до инфаркта.

Методом масс-спектроскопии было определено содер- жание микроэлементов в волосах. У агрессивных людей (как взрослых так и подростков) в волосах обнаруживается повы- шенное содержание Pb, Fe, Cd, Ca, Cu и пониженное Zn, Li, Co.

Металлы составляют 3 % массы человека. Биологиче- ское действие ферментов связано с наличием, в первую оче-

редь, d -элементов 4-го периода: Fe, Co, Zn, Cu, V, Cr, Mn, Ni и Mo. Самым тяжелым из биологически активных металлов яв-

ляется Mo (Z = 42).

Важное биологическое значение имеют и некоторые щелочные и щелочноземельные элементы: K, Na, Mg, Ca. По

сравнению с переходными элементами они связываются менее прочно, и поэтому более легко и свободно перемещаются.

Функция натрия и калия в клеточных мембранах связана с нервными импульсами. Магний и кальций участвуют в процес- се превращения химической энергии в работу мышц.

Совершенно логично считать, что железо присутствует в цитохромах и ферредоксинах, поскольку окислительно - вос- становительный потенциал пары Fe3+/Fe2+ имеет значение, со- ответствующее области потенциалов, в которой протекают биологические процессы.

Рис. 1. Содержание химических элементов в организме человека

9

Спинномозговая жидкость

Na

Кровь

Fe, Na, Li, Ca, K

Сердце

Ca, K

Лёгкие

Li, Na

Печень

Li, Se, Mo, Zn, Ca, Mg, K, Cu

Поджелудочная

железа

Mg

Пищеварительные

соки

Na

Рис. 2. Концентрирование некоторых химических элементов во внутренних органах и биожидкостях человека