13.6. Биологическая роль элементов 13-й группы

Среди элементов 13-й группы наиболее распространен в земной коре алюминий, а бор и элементы подгруппы галлия значительно уступают ему (см. табл. 13.3). Морская вода содержит алюминия меньше (10^-6), чем бора (510^-4), тогда как в растениях наблюдается другое соотношение: Аl - 0,02% и В - 10⁻⁴%. Содержание алюминия в организмах животных ничтожно мало (10⁻⁶%), немногим больше в них бора (10⁻³%). Содержание галлия в организме человека колеблется в пределах 10⁻⁶ - 10⁻⁵.

Элементы 13-й группы не относятся к жизненно необходимым (незаменимым) и входят в разряд примесных элементов; их биологическая роль мало изучена. Однако примесные элементы часто активно влияют на процессы кроветворения, окисления-восстановления, проницаемость сосудов и тканей.

Бор в организме человека концентрируется главным образом в легких, щитовидной железе, селезенке, печени, мозге, почках, сердечной мышце. В состав зубов и костей бор входит в виде трудно растворимых солей борной кислоты. Бор принимает участие в углеродно-фосфатном обмене. Есть сведения, что бор взаимодействует с такими биологически активными соединениями, как углеводы, ферменты, витамины и гормоны.

Незначительные количества бора резко повышают урожайность многих сельскохозяйственных культур. Хотя давно известно, что бор необходим высшим растениям и некоторым животным, сведения о его биологической роли противоречивы. Предположительно бор присутствует в растениях в форме борат-анионов и оказывает непрямое влияние на транспорт сахаров, например, стимулирует биосинтез ауксинов. Бораты ингибируют некоторые ферментативные реакции. Предполагается, что главным следствием недостатка бора является разрушение мембран. Борная кислота взаимодействует с водными растворами многоатомных спиртов и полифенолов с образованием эфиров, которые, как полагают, играют биологически важную роль. Образующиеся при гидролизе буры гидроксид натрия и борная кислота вызывают свертывание белков клеток. Высокая растворимость борной кислоты в липидах обеспечивает быстрое проникновение ее в клетки через липидные мембраны. В результате происходит свертывание белков (денатурация) цито­плазмы микроорганизмов и их гибель.

Несмотря на то, что бор принимает участие в жизнедеятельности организмов, употребление пищевых продуктов с большим содержанием бора опасно, так как нарушает в организме обмен углеводородов и белков, что приводит к возникновению кишечных заболеваний. Большой избыток бора угнетает амилазы и протеиназы, уменьшает активность адреналина. Адреналин, как известно, является производным полифенола и может взаимодействовать с ортоборной кислотой. С таким взаимодействием и связывают снижение активности адреналина при избытке бора в организме.

Борную кислоту Н₃ВО₃ используют в качестве наполнителя формы при отливке стальных зубов в зубопротезном деле. Метаборат натрия NaBO₂ входит в состав стоматологических паст. Бура применяется в качестве антисептика. Ее фармакологическое действие обусловлено гидролизом соли с выделением борной кислоты.

Алюминий, как и бор, в животных и растениях является примесным микроэлементом. Главным образом алюминий концентрируется в сыворотке крови, легких, печени, костях, почках, ногтях, волосах, входит в структуру нервных оболочек мозга человека. В тканях головного мозга он находится в форме комплексов с белками. Наряду с другими макро- и микроэлементами (Са, Р, F, I, Si), алюминий определяет формирование костной и зубной тканей. Суточное потребление алюминия человеком составляет 47 мг. Предполагают, что использование алюминиевой посуды способствует проникновению алюминия в организм человека.

В живых организмах алюминий находится в форме хелатных комплексов с такими биолигандами, как оксикислоты, полифенолы, углеводы и липиды. Связь ионов алюминия с этими лигандами осуществляется преимущественно через атомы кислорода.

Механизм воздействия алюминия на жизнедеятельность организмов основан на способности ионов Аl³⁺ замещать катионы Э²⁺, которые активируют ферменты, в частности, ионы магния и кальция из-за близости радиусов ионов магния и алюминия (см. табл. 2.1 и 13.1) и координационных чисел (КЧ = 6).

Алюминий характеризуется высокой комплексообразующей способностью и может конкурировать с биологически важными микроэлементами (железо, марганец, кобальт, цинк и др.) в реакциях комплексообразования с биоактивными лигандами. Так, алюминий может блокировать активные центры ферментов, участвующих в кроветворении. В частности, избыток алюминия в организме тормозит синтез гемоглобина в результате конкуренции между ионами алюминия и железа в реакциях комплексообразования с порфиринами.

Оксид алюминия применяют в зубоврачебной практике в качестве составной части композиционных материалов: «цемента для фиксации несъёмных протезов», силикатного цемента «силиции». Недостатком этих цементов является их быстрое разрушение под действием некоторых напитков (например, «фанты») и пищи с повышенным содержанием кислоты. Каолин Аl₂О₃SiO₂2Н₂О (белая глина) входит в состав цементов, которые используют как временный пломбировочный материал, а также для штамповки коронок.

Гидроксид алюминия используется как лекарство против повышенной кислотности желудка. В желудке гидроксид алюминия образует гель, который нейтрализует гидроксоний-ионы желудочного сока:

Аl(ОН)₃ + 3Н₃О⁺  Аl³⁺ + 6Н₂О.

Находящиеся в растворе ионы алюминия в кишечнике переходят в малорастворимую форму - фосфат алюминия, что, к сожалению, затрудняет усвоение фосфора.

В медицинской практике применяются алюмокалиевые квасцы KAl(SO₄)₂12Н₂О, обладающие вяжущим действием. Квасцы применяют для полосканий, промываний и примочек при воспалительных заболеваниях слизистых оболочек и кожи, а также как кровоостанавливающее средство при порезах (свертывание крови). «Жженные» квасцы способны медленно поглощать воду и используются в виде присыпок как вяжущее и высушивающее средство при потливости ног:

KAl(SO₄)₂ + xН₂О = KAl(SO₄)₂xH₂O.

Известно также другое вяжущее средство - «жидкость Бурова», представляющая собой 8%-й раствор ацетата алюминия. Вяжущее действие солей алюминия основано на образовании ионами алюминия и белками гелеобразных комплексов.

Галлий тоже примесный микроэлемент, но данные о его биологической роли практически отсутствуют. Известно только, что ионы галлия взаимодействуют в растениях с ингибиторами их развития — полифенолами, уменьшая токсичность последних.

О наличии индия в живых организмах пока ничего не известно. Можно только прогнозировать, что, попадая в организм, ионы галлия и индия по аналогии с алюминием могут накапливаться в костной и других тканях в виде малорастворимого фосфата. Тем не менее о токсичности индия и галлия в настоящее время судить практически невозможно из-за отсутствия соответствующих данных, чего нельзя сказать про таллий, высокая токсичность которого достаточно хорошо известна.

Таллий по химическим свойствам заметно отличается от других элементов 13-й группы, в частности, в большинстве достаточно устойчивых таллийсодержащих соединений он находится в степени окисления +1. По размеру ионного радиуса таллий близок к иону калия. Поэтому неудивительно, что ионы калия и таллия обладают сходными физико-химическими свойствами. Можно сказать, что ионы калия и таллия являются синергистами. Синергизм таллия и калия проявляется, например, в том, что они накапливаются в эритроцитах. Ферменты пируватиназа и диолдегидратаза активируются не только ионами К⁺, но и ионами Тl⁺.

Ионы Тl⁺ проявляют также сходство с ионами Ag⁺: ионы таллия образуют прочные соединения с серосодержащими лигандами:

Тl⁺ + R-SH → R-S-Tl + Н⁺.

Вследствие подобных реакций ионы таллия, попадая в организм, подавляют активность ферментов, содержащих тиогруппы -SH. Именно поэтому таллий очень токсичен. В частности, даже при весьма незначительных количествах соединений Тl⁺ в организме происходит выпадение волос.

Противоядием при отравлении ионами Тl⁺ является серосодержащий лиганд - аминокислота цистин HS-CH₂CH(NH₂)CH₂COOH. Ионы таллия замещают протоны цистина, образуя соединение TlS-CH₂CH(NH₂)CH₂COOH, которое выводится из организма.

В целом биологическая активность элементов 13-й группы связана главным образом с их способностью образовывать нерастворимые фосфаты и КС с кислородсодержащими лигандами. Исключение составляет таллий, для которого характерно образование связи с атомом серы.