Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Раритетные издания / Химия вокруг нас
Начало сайта / Раритетные издания / Химия вокруг нас

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Научно-популярные статьи

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Вода знакомая и загадочная

Время, хранимое как драгоценность

Механизм ответственной власти

Парадоксы науки

Смотри в корень!

Этюды о Вселенной

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Препринт

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Химия вокруг нас

Юрий Кукушкин

Химические элементы в организме человека

Все живые организмы на Земле, в том числе и человек, находятся в тесном контакте с окружающей средой. Пищевые продукты и питьевая вода способствуют поступлению в организм практически всех химических элементов. Они повседневно вводятся в организм и выводятся из него. Анализы показали, что количество отдельных химических элементов и их соотношение в здоровом организме различных людей примерно одинаковы.

Мнение о том, что в организме человека можно обнаружить практически все элементы периодической системы Д.И. Менделеева, становится привычным. Однако предположения ученых идут дальше – в живом организме не только присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет какую-то биологическую функцию. Вполне возможно, что эта гипотеза не подтвердится. Однако по мере того как развиваются исследования в данном направлении, выявляется биологическая роль все большего числа химических элементов. Несомненно, время и труд ученых прольют свет и на этот вопрос.

Биоактивность отдельных химических элементов

Экспериментально установлено, что в организме человека металлы составляют около 3% (по массе). Это очень много. Если принять массу человека за 70 кг, то на долю металлов приходится 2,1 кг. По отдельным металлам масса распределяется следующим образом: кальций (1700 г), калий (250 г), натрий (70 г), магний (42 г), железо (5 г), цинк (3 г). Остальное приходится на микроэлементы. Если концентрация элемента в организме превышает 10–2%, то его считают макроэлементом. Микроэлементы находятся в организме в концентрациях 10–3...10–5%. Если концентрация элемента ниже 10–5%, то его считают ультрамикроэлементом. Неорганические вещества в живом организме находятся в различных формах. Большинство ионов металлов образуют соединения с биологическими объектами. Уже сегодня установлено, что многие ферменты (биологические катализаторы) содержат ионы металлов. Например, марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо – в 70, медь – в 30, а цинк – более чем в 100. Естественно, что недостаток этих элементов должен сказаться на содержании соответствующих ферментов, а значит, и на нормальном функционировании организма. Таким образом, соли металлов совершенно необходимы для нормального функционирования живых организмов. Это подтвердили и опыты по бессолевой диете, которая применялась для кормления подопытных животных. Для этой цели многократным промыванием водой из пищи удаляли соли. Оказалось, что питание такой пищей приводило к гибели животных.

Рассмотрим имеющуюся на сегодняшнее время информацию о химических элементах, которые входят в биологические системы и оказывают на них определенное влияние. Прежде всего нужно указать на шесть элементов, атомы которых входят в состав белков и нуклеиновых кислот: углерод, водород, азот, кислород, фосфор, сера. Далее следует выделить двенадцать элементов, роль и значение которых для жизнедеятельности организмов известны: хлор, иод, натрий, калий, магний, кальций, марганец, железо, кобальт, медь, цинк, молибден. В литературе имеются указания на проявление биологической активности ванадием, хромом, никелем и кадмием. Таким образом, уже сейчас известно 22 биоэлемента. Во всех перечисленных случаях биологическая активность понимается как необходимость элемента для выполнения той или иной жизненно важной функции. Имеется большое число элементов, являющихся ядами для живого организма, например ртуть, таллий, свиней и др. Они оказывают неблагоприятное биологическое влияние, но без них организм может функционировать. Существует мнение, что причина действия этих ядов связана с блокированием определенных групп в молекулах протеинов или же с вытеснением из некоторых ферментов меди и цинка. Бывают элементы, которые в относительно больших количествах являются ядом, а в низких концентрациях оказывают полезное влияние на организм. Например, мышьяк является сильным ядом, нарушающим сердечно-сосудистую систему и поражающим печень и почки, но в небольших дозах он прописывается врачами для улучшения аппетита человека. Ученые считают, что микродозы мышьяка повышают устойчивость организма к действию вредных микробов. Широко известно сильное отравляющее вещество иприт S(CH2CH2Сl)2. Однако в разбавленном в 20000 тыс. раз вазелином под названием «Псориазина» его применяют против чешуйчатого лишая. Современная фармакотерапия пока еще не может обойтись без значительного числа лекарственных средств, в состав которых входят токсичные металлы. Как здесь не вспомнить поговорку, что в малых количествах лечит, а в больших – калечит.

Интересно, что хлорид натрия (поваренная соль) в десятикратном избытке в организме по сравнению с нормальным содержанием является ядом. Кислород, необходимый человеку для дыхания, в высокой концентрации и особенно под давлением оказывает ядовитое действие. Из этих примеров видно, что концентрация элемента в организме иногда играет весьма существенное, а порой и катастрофическое значение.

Железо входит в состав гемоглобина крови, а точнее в красные пигменты крови, обратимо связывающие молекулярный кислород. У взрослого человека в крови содержится около 2,6 г железа. В процессе жизнедеятельности в организме происходит постоянный распад и синтез гемоглобина. Для восстановления железа, потерянного с распадом гемоглобина, человеку необходимо суточное поступление в организм около 25 мг. Недостаток железа в организме приводит к заболеванию – анемии. Однако избыток железа в организме тоже вреден. С ним связан сидероз глаз и легких – заболевание, вызываемое отложением соединений железа в тканях этих органов. Недостаток в организме меди вызывает деструкцию кровеносных сосудов. Кроме того, считают, что его дефицит служит причиной раковых заболеваний. В некоторых случаях поражение раком легких у людей пожилого возраста врачи связывают с возрастным снижением меди в организме. Однако избыток меди приводит к нарушению психики и параличу некоторых органов (болезнь Вильсона). Для человека вред причиняют лишь большие количества соединений меди. В малых дозах они используются в медицине как вяжущее и бактериостазное (задерживающее рост и размножение бактерий) средство. Так, например, сульфат меди (II) CuSO4 используют при лечении конъюнктивитов в виде глазных капель (0,25%-ный раствор), а также для прижиганий при трахоме в виде глазных карандашей (сплав сульфата меди (II), нитрата калия, квасцов и камфоры). При ожогах кожи фосфором производят ее обильное смачивание 5%-ным раствором сульфата меди (II).

Давно замечено бактерицидное (вызывающее гибель различных бактерий) свойство серебра и его солей. Например, в медицине раствор коллоидного серебра (колларгол) применяют для промывания гнойных ран, мочевого пузыря при хронических циститах и уретритах, а также в виде глазных капель при гнойных конъюнктивитах и бленнорее. Нитрат серебра AgNO3 в виде карандашей применяют для прижигания бородавок, грануляций и т.п. В разбавленных растворах (0,1...0,25%-ные) его используют как вяжущее и противомикробное средство для примочек, а также в качестве глазных капель. Ученые считают, что прижигающее действие нитрата серебра связано с его взаимодействием с белками тканей, что приводит к образованию белковых солей серебра – альбуминатов.

В настоящее время бесспорно установлено, что всем живым организмам присуще явление ионной асимметрии – неравномерное распределение ионов внутри и вне клетки. Например, внутри клеток мышечных волокон, сердца, печени, почек имеется повышенное содержание ионов калия по сравнению с внеклеточным. Концентрация ионов натрия, наоборот, выше вне клетки, чем внутри нее. Наличие градиента концентраций калия и натрия – экспериментально установленный факт. Исследователей волнует загадка о природе калий-натриевого насоса и его функционирования. На разрешение этого вопроса направлены усилия многих коллективов ученых как в нашей стране, так и за рубежом. Интересно, что по мере старения организма градиент концентраций ионов калия и натрия на границе клетки падает. При наступлении смерти концентрация калия и натрия внутри и вне клетки сразу же выравнивается.

Биологическая функция ионов лития и рубидия в здоровом организме пока не ясна. Однако имеются сведения, что введением их в организм удается лечить одну из форм маникально-депрессивного психоза.

Биологам и медикам хорошо известно, что важную роль в организме человека играют гликозиды. Некоторые природные гликозиды (извлекаемые из растений) активно действуют на сердечную мышцу, усиливая сократительные функции и замедление ритма сердца. При попадании в организм большого количества сердечного гликозида может произойти полная остановка сердца. Ионы некоторых металлов влияют на действие гликозидов. Например, при введении в кровь ионов магния действие гликозидов на сердечную мышцу ослабляется. Ионы кальция, наоборот, усиливают действие сердечных гликозидов.

Наиболее известные яды

Из истории и художественной литературы известно, что в прошлом в качестве ядов злоумышленники широко использовали мышьяк, сулему, цианистый калий. Нужно сразу отметить, что в организм человека яды могут попасть не только по злому умыслу, но и в процессе своей профессиональной деятельности при нарушении условий труда и техники безопасности. Как уже было сказано, в малых количествах даже самые страшные яды могут быть полезны человеку и потому применяются в медицине. Яды также используют для борьбы с грызунами, для протравы семян и т.д. Полностью отказаться от ядов пока человек не может. Поэтому полезно знать их опасность, симптомы отравления и меры первой помощи.

Мышьяк попадает в организм чаще всего не в элементной форме, а в виде соединений. Хроническое отравление (при поступлении в организм в малых дозах, но в течение длительного времени) проявляется в раздражении слизистых оболочек глаз и верхних дыхательных путей. Кроме того, появляется непроходящий насморк, кашель, конъюнктивит, кровохарканье, а в более тяжелых случаях присоединяются симптомы поражения центральной нервной системы. Соединения мышьяка оказывают раздражающее действие на кожу. При длительных действиях они могут вызвать образование злокачественных опухолей.

При остром отравлении, т.е. при попадании в желудок в большой дозе, появляется металлический привкус во рту, наблюдается затруднение глотания, вызывается рвота и проявляются сильные боли в животе с последующим поносом. При очень сильных отравлениях может развиться паралитическая форма – судороги различных мышц, потеря сознания, паралич сосудодвигательного и дыхательного центров.

Все эти симптомы вызваны тем, что соединения мышьяка являются сильными капилляротоксическими ядами. Они вызывают увеличение проницаемости сосудистых стенок и паралич капилляров. Кроме того, при отравлениях мышьяком нарушаются обмен веществ и функция центральной и периферической нервной системы.

При оказании помощи в случаях отравления соединениями мышьяка проводят промывание желудка теплой водой и взвесью в воде оксида магния (магнезии), вводят антидоты (см. далее), немедленно и обязательно госпитализируют.

Следует отметить, что понос – частая реакция организма на отравление. С древних времен при отравлениях широко использовали лекарства, вызывающие рвоту, понос, усиленное мочеотделение, потоотделение, слюновыделение. Этими путями стремились вывести из организма ядовитые вещества.

Следует также отметить, что непосредственный контакт соединений мышьяка с тканями, в частности As2O3, приводит к их гибели без предшествующего раздражения. Иными словами, гибель тканей протекает почти безболезненно. Это свойство соединений мышьяка и, в частности Аs2O3, используют в стоматологической практике для удаления нейронов (нервной ткани). Для этого на обнаженную пульпу зуба (ткань, содержащую нервы, кровеносные и лимфатические сосуды) наносят кусочек пасты величиной с булавочную головку. Содержащийся в ней Аs2O3 диффундирует в пульпу и через 24...48 ч нерв погибает.

Соединения селена также ядовиты и по этим свойствам напоминают соединения мышьяка. Неспроста в периодической системе Д.И. Менделеева эти два элемента находятся рядом.

Ртуть – при комнатных температурах легкоподвижная жидкость. Для металлов она относительно легко испаряется, а пары ртути чрезвычайно ядовиты. Поскольку ртуть содержится в медицинских термометрах, то с нею человек может столкнуться в домашних условиях. Разбитый термометр и вылившаяся, но не собранная ртуть может представить опасность для здоровья человека. Характерными признаками ртутного отравления является слюнотечение, своеобразное покраснение десен и размягчение зубов. Появляется тяжелое нервное расстройство: головная боль, нарушение пищеварения, дрожание рук и головы. При слабом отравлении появляется вялость, бессонница, ослабление памяти.

Восприимчивость к отравлению ртутью различных людей может весьма сильно отличаться. Некоторые люди испытывают симптомы отравления даже от металлических зубных пломб, состоящих из амальгамированной меди.

Некоторые соединения ртути также чрезвычайно ядовиты. Известно, что ионы ртути (II) способны прочно соединяться с белками. Ядовитое действие хлорида ртути (II) HgCl2 (сулемы) проявляется прежде всего в некрозе (омертвлении) почек и слизистой оболочки кишечника. В результате ртутного отравления почки теряют способность выделять из крови продукты жизнедеятельности организма.

Интересно, что хлорид ртути (I) Hg2Cl2 (древнее название каломель) безвреден для организма человека. Вероятно, это объясняется чрезвычайно низкой растворимостью соли, в результате чего ионы ртути не попадают в заметных количествах в организм.

При хроническом отравлении ртутью и ее соединениями проявляются нервные нарушения, бывает повышенная психическая возбудимость, вегетативные сдвиги, проявляющиеся в непроизвольном движении мышц лица с его покраснением. Отравление проявляется в потливости и красном дермографизме (при слабом нанесении штриха на коже появляется красная полоса). При хроническом отравлении появляется так называемый ртутный тремор – вначале мелкое дрожание пальцев рук, затем резкое усиление, дрожание всего тела, непроизвольные движения.

При остром отравлении появляется повышение температуры, озноб, воспаление дыхательных путей и легких; наблюдается слюнотечение, набухание и слюноточивость десен. Все это сопровождается потерей аппетита, тошнотой, рвотой, болями в животе, кровянистым поносом, головными болями, расстройством речи, изменением походки.

Лечение при отравлении ртутью включает покой, прием антидотов и витаминов. Рекомендуют принимать яичный белок и молоко. Содержащиеся в этих продуктах белки связывают ртуть, локализуют ее в полости желудка, а затем выводят из организма.

Цианистый калий (цианид калия) KCN – соль синильной кислоты HCN. Оба соединения являются быстродействующими и сильными ядами. Ядовитые свойства синильной кислоты начали использовать задолго до того, как она была идентифицирована и выделена в чистом виде. Отметим, что в небольших количествах синильная кислота часто встречается в растительном мире. Наиболее известен в этом отношении горький миндаль. В семенах миндаля содержится органическое соединение амигдалин, который расщепляется на виноградный сахар, бензальдегид (масло горького миндаля) и синильную кислоту. Расщепление протекает под действием имеющегося в горьком миндале энзима – эмульсина. Этот процесс протекает самопроизвольно без вмешательства человека. Таким образом, в семенах миндаля, персика, абрикоса, вишни и других растений в небольших количествах всегда имеется синильная кислота. Современные клинические наблюдения показали, что отравление со смертельным исходом наступает после употребления около 100 очищенных ядер абрикосов. Древнегреческие жрецы умели извлекать синильную кислоту из листьев персика. Возможно, теперь Вам станут понятными такие выражения, как «наказание персиком», «не преступай – иначе умрешь от персика». Для человека смертельная доза синильной кислоты составляет всего лишь 50 мг.

При остром отравлении синильной кислотой и ее солями теряется сознание, наступает паралич дыхания и сердца. На начальной стадии отравления человек испытывает головокружение, ощущение давления во лбу, острую головную боль, учащенное дыхание, сердцебиение. Первая помощь при отравлении синильной кислотой и ее солями – свежий воздух, кислородное дыхание, тепло. Противоядиями являются нитрит натрия NaNO2 и органические нитросоединения: амилнитрит C5H11ONO и пропилнитрит C3H7ONO. Считают, что действие нитрита натрия сводится к превращению гемоглобина в мета-гемоглобин. Последний прочно связывает цианидные ионы в цианметагемоглобин. Этим путем дыхательные ферменты освобождаются от цианидных ионов, что и приводит к восстановлению дыхательной функции клеток и тканей.

В качестве противоядий на синильную кислоту широко используют серосодержащие соединения: коллоидную серу, тиосульфат натрия Na2S2O3, тетратионат натрия Na2S4O6, а также серосодержащие органические соединения, в частности, аминокислоты – глутатион, цистеин, цистин. Синильная кислота и ее соли при взаимодействии с серой превращаются в тиоцианаты в соответствии с уравнением

HCN + S → HNCS

Тиоцианаты же совершенно безвредны для человеческого организма.

С давних пор при опасности отравления цианидами рекомендовалось держать за щекой кусочек сахара. В 1915 г. немецкие химики Рупп и Гольце показали, что глюкоза взаимодействует с синильной кислотой и некоторыми цианидами с образованием нетоксичного соединения циангидрина глюкозы:

Formula p.175

Считают, что это обстоятельство было причиной неудачной попытки отравить Распутина в 1916 г. в доме Юсупова добавлением цианида калия в сладкие пирожные, к которым он питал слабость.

Свинец и его соединения являются довольно сильными ядами. Подумать страшно, что еще в начале текущего столетия водопроводные трубы в городах изготавливали из свинца. Затем их постепенно заменяли железными. В Санкт-Петербурге замена свинцовых труб в старых домах была завершена лишь в 50-х годах текущего столетия.

В организме человека свинец накапливается в костях, печени и почках. Ученые считают, что свинец является синергистом (от греч. synergos – вместе действующий) и способствует увеличению токсичности других металлов. Симптомами свинцового отравления служит серная кайма на деснах («свинцовая кайма»), бледность лица и губ, запоры, потеря аппетита. При остром отравлении появляются сильные боли в области живота («свинцовые колики»), параличи или боли в суставах, судороги, обмороки.

Весьма токсичны соединения химического элемента таллия, который относят к числу редких. Этот элемент является кумулятивным ядом. Под кумуляцией в медицине понимают накопление в организме веществ и вследствие этого усиление их действия. Токсичность соединений таллия принимают в четыре раза выше токсичности соединений мышьяка (III). Соединения таллия воздействуют на центральную нервную систему, на органы пищеварения и почки. Характерным признаком отравления таллием является выпадение волос. Первая помощь при отравлении – промывание желудка водой с активированным углем и 0,3%-ным раствором тиосульфата натрия Na2S2O3. В медицине на основе соединений таллия готовят препараты для удаления волосяного покрова.

Уместно опять же отметить, что опасные для здоровья человека химические элементы – ртуть, таллий и свинец – расположены в периодической системе рядом.

Следует указать, что все цветные и особенно тяжелые (расположенные в конце периодической системы) металлы в количествах выше допустимых ядовиты. На них существуют нормы предельно допустимых концентраций (ПДК). Здесь нет возможности остановиться на вредном воздействии всех этих элементов и симптомах отравления. Интересующиеся данными вопросами могут обратиться к специальной литературе. Автор же описал наиболее опасные и наиболее известные в этом отношении химические элементы и их соединения. Следует отметить лишь еще одно важное обстоятельство. Ученые установили, что токсичность солей металлов в мягкой воде, как правило, гораздо выше, чем в жесткой. Для тех, кто вынужден пользоваться для приготовления пищи жесткой водой, появляется хоть какое-то утешение.

Углекислый газ в больших количествах содержится в организме человека и потому не может быть ядовитым. За 1 ч взрослый человек выдыхает примерно 20 л (около 40 г) этого газа. При физической работе количество выдыхаемого углекислого газа увеличивается до 35 л. Он образуется в результате сгорания в организме углеводов и жиров. Однако при большом содержании CO2 в воздухе наступает удушье из-за недостатка кислорода. Максимальная продолжительность пребывания человека в помещении с концентрацией CO2 до 20% (по объему) не должна превышать 2 ч. В Италии имеется получившая широкую известность пещера («Собачья пещера»), в которой человек стоя может находиться длительное время, а забежавшая туда собака задыхается и гибнет. Дело в том, что примерно до пояса человека пещера заполнена тяжелым (по сравнению с азотом и кислородом) углекислым газом. Поскольку голова человека находится в воздушном слое, то он не ощущает никаких неудобств. Собака же при ее росте оказывается в атмосфере углекислого газа и потому задыхается.

Врачи и биологи установили, что при окислении в организме углеводов до воды и углекислого газа на одну затраченную молекулу кислорода выделяется одна молекула CO2. Таким образом, отношение выделенного CO2 к поглощенному O2 (величина дыхательного коэффициента) равна единице. В случае окисления жиров дыхательный коэффициент равен примерно 0,7. Следовательно, определяя величину дыхательного коэффициента, можно судить, какие вещества преимущественно сгорают в организме. Экспериментально установлено, что при кратковременных, но интенсивных мышечных нагрузках энергия получается за счет окисления углеводов, а при длительных – преимущественно за счет сгорания жиров. Полагают, что переключение организма на окисление жиров связано с истощением резерва углеводов, что обычно наблюдается через 5...20 мин после начала интенсивной мышечной работы.

Антидоты

Выведение из организма токсических веществ, в том числе и соединений металлов, происходит через органы пищеварения, различные железы (потоотделения, слюноотделения), легкие, но особенно через почки. Поэтому при многих отравлениях с помощью специальных средств вызывают усиление мочеотделения, что способствует удалению из организма с мочой ядовитых соединений. В медицине для их выведения используют природные или синтетические химические вещества, называемые антидотами.

Антидоты – вещества, устраняющие последствия воздействия ядов на биологические структуры и инактивирующие яды посредством химической реакции. Механизм их действия при отравлении солями металлов (неорганическими ядами) связывают с образованием малорастворимых или очень прочных соединений. Так, еще в 1806 г. в качестве лечебного средства при отравлении барием были предложены глауберова соль Na2SO4·10H2O и сульфат магния MgSO4. При взаимодействии с солями бария они приводят к образованию сульфата бария, который вследствие малой растворимости не является ядовитым. Известно, что при рентгенологическом исследовании желудка пациента кормят кашей из сульфата бария, замешенного на воде. Как уже было отмечено, сулема HgCl2 является сильнейшим ядом. Хорошо известно, что ртуть (II) образует исключительно малорастворимый сульфид HgS. Поэтому антидотом против сулемы используют раствор сульфида натрия и магния.

Желтая кровяная соль K4[Fe(CN)6] образует малорастворимые соединения с ионами многих тяжелых металлов. Это свойство используют на практике для лечения отравлений солями тяжелых металлов.

Хорошим антидотом при отравлениях соединениями мышьяка, ртути, свинца, кадмия, никеля, хрома, кобальта и других металлов является унитиол:

Formula p.178

Он образует прочные хелатные соединения типа

Formula p.178

В виде таких соединений ионы металла и выводятся из организма. Весьма прочные соединения с ионами различных металлов образуют комплексоны, например этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА):

Formula p.179

Обычно такие соединения обладают очень высокой прочностью. Это означает, что комплексоны могут «отнимать» ионы металлов от биологических систем. По этой причине ЭДТА является хорошим антидотом на соединения свинца и соединения других металлов. Однако при использовании унитиола и комплексонов следует остерегаться передозировки. При их избытке могут связываться, а затем и выводиться из организма жизненно важные микроэлементы.

Универсальным антидотом является молоко. На его противоядные свойства указывал еще в начале новой эры Плиний Второй (23...73 гг. н.э.). Употребление молока и сливочного масла при отравлении солями рекомендовал также Авиценна в своем знаменитом труде «Канон врачебной науки», созданном в 1012...1023 гг. Неспроста и в настоящее время сотрудникам химических лабораторий и работникам ряда химических производств в нашей стране в соответствии с нормами техники безопасности бесплатно выдается молоко.

 

Химия в фотографии

Оглавление


Дата публикации:

28 декабря 2002 года

Электронная версия:

© НиТ. Раритетные издания, 1998

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2016
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика