14.6. Биологическая роль элементов 14-й группы

Среди элементов 14-й группы самым распространенным в земной коре является кремний (см. табл. 14.3). Он составляет около 28% от массы земной коры. Однако наиболее важным для живой природы элементом является, несомненно, углерод. Если в земной коре углерод находится в относительно небольших количествах (0,3%), то в растениях его 18%, а в организмах человека и животных - уже 21% по массе, т.е. доля этого элемента значительно возрастает. Кремний по содержанию в растениях (0,15%) и животных (110^-5 %) значительно уступает углероду. Еще меньше в растениях и животных германия, олова и свинца (10^-1 – 10^-6%). С учетом содержания в живых организмах углерод относится к макроэлементам, кремний - к микроэлементам, а германий, олово и свинец - к ультрамикроэлементам.

В организме человека микроэлементы обычно накапливаются в печени, костной и мышечной тканях, которые являются основным «депо» для многих микроэлементов. Кремний в виде комплексов с белками присутствует в тканях головного мозга.

Макроэлемент углерод входит в состав белков, нуклеиновых кислот и других важнейших биологически активных соединений. Содержание углерода в белках составляет от 51 до 55%. Максимальное количество белков (80%) содержится в селезёнке, лёгких, мышцах, минимальное количество (~25%) - в костях и зубах. Углерод входит также в состав углеводов, содержание которых в тканях человека и животных невелико - примерно 2%.

В живых организмах углерод, кремний и германий находятся в степени окисления +4, олово и свинец в условиях живого организма стабильны в степени окисления +2.

Среди неорганических соединений углерода особо важную биологическую роль играет диоксид углерода. Он стимулирует деятельность дыхательного центра, играет важную роль в регуляции дыхания и кровообращения. Большие дозы СО₂ оказывают вредное воздействие на организм. Например, при концентрации свыше 10 % диоксид углерода вызывает сильный ацидоз - понижение рН крови, сопровождающееся одышкой и параличом дыхательного центра. Угольная кислота Н₂СО₃, образующаяся при растворении СО₂ в воде, обеспечивает постоянное значение рН крови (порядка 7,4), поддерживает кислотно-основной гомеостаз и служит главной буферной системой плазмы крови.

Крайне биологически активен в живом организме монооксид углерода СО (угарный газ). Это соединение ядовито и чрезвычайно опасно, так как не имеет запаха, что затрудняет его обнаружение. В плазме крови монооксид углерода диффундирует в эритроциты и вступает в обратимое химическое взаимодействие с гемоглобином (Гем):

(Гем)FеО₂ + СО  (Гем)FeСО + О₂;

(Гем)Fе + СО  (Гем)FeСО.

Образующийся карбонилгемоглобин (Гем)FeСО координационно насыщен и уже не способен присоединить к себе кислород. Вследствие этого становится невозможным перенос кислорода от легких к тканям, наступает удушье. Монооксид углерода легко образует комплексные карбонилы железа (II), что объясняет механизм многих биохимических процессов и действие ряда лечебных препаратов. Например, введение в отравленный угарным газом организм восстановленного железа резко ускоряет удаление СО из организма (в виде карбонила железа). При отравлении угарным газом в настоящее время используют различные лечебные препараты, в основе действия которых лежит именно образование карбонильных комплексов.

Кремний в организме человека содержится в примесных количествах (10^-3%) и концентрируется в основном в печени, надпочечниках, волосах, хрусталике глаза. В организм кремний попадает воздушным путем - через легкие, в виде пылеобразного диоксида кремния. Систематическое воздействие на легкие пыли, содержащей диоксид кремния вместе с частицами угля и алюминия, может вызвать заболевание - пневмокониоз. При вдыхании пыли, содержащей SiO₂, возникает силикоз.

Из соединений кремния в медицинской практике используется карборунд SiC для шлифовки пломб и пластмассовых протезов и силикат-цемент для приготовления пломб.

Германий, как и кремний, относится к примесным микроэлементам (10^–5%). Известно, что соединения германия усиливают процессы кроветворения с участием костного мозга. При этом отмечается относительно малая токсичность соединений германия.

Олово по содержанию в организме занимает место между кремнием и германием (10^–4%). Олово попадает в организм человека из луженых жестяных банок с консервированными продуктами. Растворяясь в кислой среде, олово в виде соли попадает в кровь. К счастью, неорганические соединения олова (II) не отличаются особой токсичностью, но оловоорганические соединения являются ядовитыми. Установлено (на опытах с подопытными крысами), что в малых количествах олово стимулирует рост животных. Однако механизм такого стимулирования пока еще не ясен.

В медицинской практике олово применяется в качестве составной части пломбировочных материалов.

С возрастанием атомной массы и усилением металлических свойств токсичность элементов 14-й группы ПС возрастает. Так, соединения свинца относятся к ядам, которые действуют преимущественно на нервную и сосудистую системы. Ионы свинца Рb²⁺ образуют устойчивые комплексы с различными биолигандами. В частности, они блокируют сульфгидрильные группы SH в белках, а также в молекулах ферментов, участвующих в синтезе порфиринов, регулирующих синтез гена и других биомолекул:

RSH + Pb²⁺ + HSR  RSPbSR + 2Н⁺.

Этим определяется токсичность свинца.

Ионы свинца могут замещать жизненно важные микроэлементы в ферментах (Е). Это приводит к ингибированию металлоферментов: ЕЭ²⁺ + Рb²⁺  ЕРb²⁺ + Э²⁺, что нарушает правильное течение метаболизма. Ионы свинца вступают также во взаимодействие с цитоплазмой микробных клеток, образуя гелеобразные альбуминаты.

В форме труднорастворимого фосфата Рb₃(РО₄)₂ свинец (до 90%) концентрируется в скелете. Соединения свинца влияют на синтез белка, энергетический баланс клетки и ее генетический аппарат, кроме того, он способствует развитию кариеса.

Свинец поступает и постепенно накапливается в растениях и тканях животных и человека в результате загрязнения свинцом окружающей среды. Применение алкильных соединений свинца в качестве антидетонаторов привело к значительному загрязнению атмосферы и почвы. В настоящее время имеются экологически опасные регионы, где содержание свинца в 1000 раз превышает естественный уровень. Человек ежесуточно поглощает до 100 мкг свинца с водой, пищей и атмосферным воздухом. Суточное поступление до 0,2 - 2 мг свинца считается безопасным. Массовая доля свинца в организме человека 10^-6%.

Оксид свинца РbО применяется в медицинской практике - он входит в состав лейкопластыря. Образование гелей при взаимодействии ионов свинца с белками используется для подавления воспалительных процессов. С этой целью применяют свинцовые примочки, чаще всего раствор ацетата свинца Рb(СН₃СОО)₂3Н₂О.