В задачах (1150 - 1174) определить роль химических элементов и их соединений для организма

Для организма перманганаты являются ядами. Для лечения острых отравлений перманганатом используются 3% водный раствор H₂O₂, подкисленный уксусной кислотой. Обезвреживание происходит следующим образом:

KMnO₄ + H₂O₂ + CH₃COOH → Mn(CH₃COO)₂ + CH₃COOK + H₂O + O₂

Определите окислитель и восстановитель в данной реакции. Расставьте коэффициенты методом окислительно-восстановительных полуреакций.

Кислородное дыхание приводит к образованию водород-пероксида H₂O₂. При его взаимодействии с биоорганическими соединениями клеток образуются радикалы. Под действием радикалов разрушаются важнейшие составные части клеток – мембраны и ДНК. В ходе биологической эволюции природа выработала особый белок – фермент каталазу, которая разрушает водород пероксид.

Представьте действие каталазы (CatFe²⁺) в виде каталитического цикла из двух последовательных реакций.

Сколько циклов может осуществить 1 молекула каталазы в течение секунды?

Гемоглобин – главная составная часть эритроцитов. Обеспечивает внешнее дыхание, являясь переносчиком кислорода от легких к тканям.

Опишите структуру гемма и образование оксигемоглобина.

Какое дыхание обеспечивают миоглобин, цитохромы, каталаза?

Кобальт является одним из важнейших биогенных элементов. В организме находится в форме цианокобаламина (жирорастворимого витамина B₁₂). Растения и животные не могут синтезировать B₁₂. Его вырабатывают лишь некоторые виды бактерий, которые имеются в желудочно-кишечном тракте чеолвека. Представьте схему данного макроциклического комплексного соединения. К каким заболеваниям приводит дефицит витамина B₁₂?

В медицинской практике находит применение водород-перексид H₂O₂ . Это соединение является важным побочным продуктом метаболизма. H₂O₂ может проявлять как свойства окислителя, так и свойства восстановителя (окислительно-восстановительная двойственность).

Определите, какую роль H₂O₂ играет в реакции

PbO₂ + H₂O₂ + CH₃COOH = Pb(CH3COO)₂ +O₂ + H₂O

Расставьте коэффициенты с помощью электронно-ионных полуреакций

Цинк - необходимый элемент всех растений и животных. Ион цинка входит в состав более 40 металлоферментов. Бионеорганический комплекс цинка – фермент карбоангидраза (КА) обеспечивает гидратацию CO₂. Напишите реакцию гидратации CO₂ в присутствии катализатора КА, которая обусловливает нормальное дыхание.

Во сколько раз замедлялась бы гидратация CO₂ в отсутствии карбоангидразы.

Супероксид-ион O^-₂ играет важную роль в окислительно-восстановительных процессах внутри живых клеток. Предполагается, что увеличенное по сравнению с нормой содержание этих частиц в ткани может способствовать образованию злокачественных опухолей.

O^-₂ взаимодействует с липидным слоем клеточных мембран и повреждает их. Аэробные клетки могут защитить себя от вредного воздействия супероксид радикала с помощью медсодержащего фермента супероксиддисмутазы СОД. Какую реакцию катализирует фермент?

Цитохромоксидаза (медьсодержащий белок) – один из компонентов дыхательной цепи, локализованной в мембранах митохондрий. Обесцпечивает клеточное дыхание, восстанавливая кислород до воды на конечном участке дыхательной цепи.

При неполном восстановлении кислорода в дыхательной цепи образуются водород водородпероксид и супероксид-анион.

Как осуществляются реакции образования воды, во дород пероксида и супероксид-аниона?

Государственная фармакопея рекомендует для определения подлинности ратсвора водорода пероксида (Hydrogen peroxydatum) использовать реакцию

K₂Cr₂O₇ + H₂O₂ + H₂SO₄ = K₂SO4 + H₂CrO₆ + H₂O

При этом образуется дипероксохромовая кислота – соединения синего цвета. Синяя окраска и подтверждает подлинность препарата H₂O₂. Определите окислитель и восстановитель в данной реакции. Расставьте коэффициенты методом окислительно-восстановительных полуреакций. Какова смертельная доза K₂Cr₂O₇ для взрослого человека?

По распространенности в природе, применению соединений в медицине и технике и роли в организме железо стоит на первом месте в VIII Б группе.

В биогенных соединениях железо связано в комплекс с органическими лигандами (миоглобин, гемоглобин). Рассмотрите образование октаэдрического комплекса [Fe(CN)₆]^4- d²sp³ гибридизации по методу валентных связей.

Известно, что токсические свойства элементов зависят от той химической формы, в какой они попадают в организм. Hg – первый металл, для которого было обнаружено биоконцентрирование. Ртуть микробиологическим путем правращается в метил ртуть, которая через планктон, моллюсков и рыб в конце концов попадает на стол и в пищу.

Укажите, как неорганические соединения ртути превращаются в метил ртуть?

Почему метил ртуть накапливается в организме? Каков период выведения ртути из организма?

По характеру функционирования и воздействия на оргнизм элемент Cd является токсичнопримесным. Токсичность кадмия связана с его сродством к нуклеиновым кислотам. В результате его присоединения к ДНК нарушается ее функционирование. Ионы кадмия также вступают во взаимодействие с сульфидгидрильными SH группами белков, ферментов, аминокислот.

Покажите схему блокировки сульфгидрильных групп. Каков биологический период полувыведения кадмия из организма? Какие вредные последствия внедрения Cd в организм?

Решение:

а)

^{донор акцептор}

б) период полувыведения более 10 лет

в) болезнь «итаи-итаи», выражается в болезненном скручивании костей, анемии, почечной недостаточности.

Многочисленные исследования показали, что цис-изомер дихлородиамминплатины оказывает лечебное действие при раковых заболеваниях. Действие этого комплекса основано на том, что происходит постепенное замещение ионов хилатирующими лигандами. Образуется устойчивый комплекс с молекулой ДНК. Это вещество ингибирует синтез ДНК.

Транс-изомер дихлородиамминплатины (II) токсичен, и противоопухолевым действием не обладает.

Укажите на рис. изомеры цис-дихлородиамминплатины (II) и транс-дихлородиамминплатины (II).

Напишите формулу цис-дихлородиамминплатины (II), указав комплексообразователь, координационное число, степень окисления комплексообразователя.

Соединения платиновых элементов применяют в медицине. Противоопухолевой активностью обладают комплексы, содержащие в качестве лигандов амины- и хлорид ионы; цис-диамминтетрахлорплатина (IV). Комплекс [Ru(NH₃)₄(OH)Cl]Cl – рутениевый красный применяют для анатомических и гистологических исследований. Его раствор (1:5000) окрашивает в розово-красные тона пектин.

Напишете формулу цис-диамминтетрахлорплатины. Дайте название комплекса [Ru(NH₃)₄(OH)Cl]Cl, указав комплексообразователь, координационное число, степень окисления комплексообразователя.

В медицинской практике широко применяют буру-кристаллогидрат натрия тетрабората Na₂B₄O₇∙10H₂O как антисептик. Фармакологическое действие препарата обусловлено гидролизом соли с выделением борной кислоты. Напишите уравнение гидролиза Na₂B₄O₇. Почему ортоборную кислоту применяют в качестве антисептического средства?

Таллий в соединениях проявляет степень окисления +1. Ион Tl⁺ склонен образовывать прочные соединения с серосодержащими лигандами:

Tl⁺ + R-SH → R-S-Te + H⁺

Вследствие этого он очень токсичен, так как подавляет активность ферментов, содержащих тиогруппы – SH. Даже весьма незначительные количества соединений Tl⁺ при попадании в организм вызывают выпадение волос.

Находясь в III A группе, для таллия степень окисления +3 менее характерна. Почему? Напишите электронную структуру атома таллия

Углерод диоксид CO₂ постоянно образуется в тканях организма в процессе обмена веществ и играет важную роль в регуляции дыхания и кровообращения.

Углерод диоксид растворяется в воде (0,03 моль/л при 298К) при этом образуется угольная кислота: H₂O + CO₂= H₂CO₃

Растворы солей угольной кислоты вследствие гидролиза имеют щелочную реакцию. Напишите реакцию гидролиза Na₂CO₃.

Укажите роль водородкарбонатной буферной системы (Н₂СO₃-HCO^-₃) в организме и значение рН крови.

Углерод (II) оксид – угарный газ – продукт неполного окисления углерода. Это эндогенный углерод (II) оксид, который образуется в процессах кроветворения. При вдыхании CO с воздухом в легких параллельно с оксигемоглобином образуется металлокомплексное соединение – карбонилгемоглобин. Напишите соответствующие реакции. Почему для детоксикации – устранения отравляющего действия СО достаточно прекратить его поступление и усилить кислородную вентиляцию – вывести пострадавшего на «свежий» воздух.

Объясните с позиции принципа Ле-Шателье.

Биологическая активность свинца определяется его способностью проникать в организм и накапливается в нем. Свинец и его соединения относится к ядам, действующим на нервно-сосудистую систему и непосредственно на кровь. Ионы Pb²⁺ являются сильными комплексообразователями. Они образуют прочные комплексы с биолигандами.

Представьте схему блокировки сульфгидрильных групп SH^- ионами свинца.

Растворимые соединения азота, попадая в воду, могут оказывать токсическое действие. Проникая вместе с пищей в слюну и тонкие кишки, нитраты микробиологически восстанавливаются до нитратов, в результате в крови образуется нитрозил – ионы (NO⁺).

Нитрозил – ионы могут окислять железо (II) в гемоглобине до железа (III), что препятствует связыванию кислорода гемоглобином. Напишите реакцию образования нитрозил – иона и метгемоглобина. Когда наступает летальный исход?

При контакте NO₂ с влажной поверхностью легких образуются азотистая и азотная кислоты, поражающие легкие, что приводит к отеку и сложным расстройствам. При отравлении нитрозными газами (NO, NO₂, N₂O₃, N₂O₄) в крови, кроме того, образуется нитраты и нитриты. Нитриты расширяют сосуды и образуют в кислой среде азотистую кислоту, обладающую мутагенным действием. Кроме того, нитриты в кислой среде образуют в желудке вместе с органическими аминами (R₁-NH-R₂) из растительной и животной пищи нитрозамины, также обладающие мутагенными свойствами.

Напишите реакции, соответствующие описанным процессам.

Мышьяк накапливается в костях и волосах и в течение нескольких лет не выводится из них полностью. Эта особенность используется в судебной экспертизе для выявления вопроса, имело ли место отравление соединениями мышьяка.

К биообъекту добавляют цинк и соляную кислоту. Выделяющийся при реакции водород восстанавливает любое соединение мышьяка до арсина AsH₃. При нагревании арсин разлагается 2 AsH₃ = 2As + 3H₂ и на стенках трубки для газовыделения образуется черный блестящий налет As – «мышьяковое зеркало». Реакция Марша позволяет обнаружить 7∙10^-7г мышьяка.

В реакции Марша выделите окислитель, восстановитель, среду и расставьте коэффициенты, используя метод электронно-ионных полуреакций.

As⁺³₂O₃ + Zn⁰ + HCl → As^-3H₃ + ZnCl₂ + H₂O

Среди оксидов элементов II А-группы в качестве лекарственного препарата применяют MgO. Основные свойства MgO и его нерастворимость в воде обусловливает его применение в качестве антацидного средства при повышенной кислотности желудочного сока. «Магний перекись» (смесь MgO -85% и MgO₂ -15%) применяют при желудочно-кишечных расстройствах. Эффект связан с антацидным действием MgO и частично – с бактерицидным действием водород пероксида H₂O₂, образующегося при растворении препарата в кислом содержимом желудка.

Напишите реакции, соответствующие описанным процессам.

Ионы магния играют важную биологическую роль. Так, например, ион Mg²⁺ является комплексообразователем в пигменте зеленых растений – хлорофилле. Во внутриклеточной жидкости, для которой характерно высокое содержание ионов Mg²⁺, аденозинтрифосфат (АТФ) и аденозиндифосфат (АДФ) присутствуют в виде комплексов Mg АТФ^2- и Mg АДФ^-.

Энергия, необходимая для жизнедеятельности, высвобождается вследствие гидролиза АТФ при обязательном избытке ионов Mg²⁺.

Напишите реакцию гидролиза АТФ.