Биологическая роль ванадия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Биологическая роль ванадия

Введение

ванадий химический биологический

Ванадий - двадцать третий элемент Периодической системы Д.И. Менделеева. Широкое распространение получил в металлургии и металлохимии.

До настоящего времени в литературе рассматривались лишь вопросы токсикологии окислов и солей ванадия, однако, проблема биологического действия ванадия на организм при безопасной концентрации достаточно широко не освещалась.

Поэтому, может сложиться мнение, что ванадий является исключительно токсичным элементом. Стремясь восполнить пробел в изучении ванадия, поставили перед собой следующие задачи:

1) выяснить, какие физические и химические свойства позволяют считать его необходимым элементом;

2) изучить пути поступления, распределения и выведение ванадия;

3) описать поведение ванадия в организме, его участие в биологических процессах;

4) определить синергистов и антагонистов элемента, так как любое химическое соединение не поступает в организм в изолированном виде.

Следует отметить, что, прежде всего, рассматривался организм человека.

1. Общая характеристика элемента

Ванадии (Vanadium, V) - химический элемент V В группы периодической системы. Атомный номер - 23, атомная масса М = 50,94, валентность 5, реже - 4, 3, 2. Ванадий имеет два устойчивых изотопа.

Радиус нейтрального атома ванадия 0,134 нм, радиус ионов V²⁺ - 0,093 нм, V³⁺ - 0,078 нм, V⁴⁺ - 0,067-0,086 нм, V⁵⁺ - 0,050-0,068 нм. Энергии последовательной ионизации атома ванадия 6,74, 14,65, 29,31, 48,6 и 65,2 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность ванадия 1,63.

Чистый V - светло-серый хрупкий, очень твердый металл, не окисляющийся на воздухе, плотность 6,11 г./см³, t_пл.=1920⁰С, t_кип.=3450⁰С. Растворяется только в кислотах, являющихся сильными окислителями (азотная кислота, царская водка), и расплавленных щелочах. В мелкораздробленном состоянии при нагревании энергично взаимодействуете кислородом, галогенами и серой. При низких температурах металл покрыт защитной пленкой оксида и поэтому оказывается более инертными, чем можно ожидать по значению величины его редокс-потенциала.

Получение ванадия: в промышленности при получении ванадия из железных руд с его примесью сначала готовят концентрат, в котором содержание ванадия достигает 8-16%. Далее окислительной обработкой ванадий переводят в высшую степень окисления +5 и отделяют легко растворимый в воде ванадат натрия NaVO₃. При подкислении раствора серной кислотой выпадает осадок, который после высушивания содержит более 90% ванадия. Первичный концентрат восстанавливают в доменных печах и получают концентрат ванадия, который далее используют при выплавке сплава ванадия и железа - так называемого феррованадия (содержит от 35 до 70% ванадия). Металлический ванадий можно приготовить восстановлением хлорида ванадия водородом (H), кальцийтермическим восстановлением оксидов ванадия (V₂O5 или V₂O₃), термической диссоциацией VI₂ и другими методами.

В водных растворах и животных тканях ванадий претерпевает ряд взаимных превращений.

Целый ряд физико-химических и биологических свойств позволяет считать его необходимым элементом. Это, прежде всего, небольшая молярная масса, высокая каталитическая активность, способность образовывать хелатные соединения с биологически активными соединениями. Кроме того, следует отметить повсеместное распространение ванадия в геосфере, накопление в организме и быструю экскрецию, характерные симптомы при дефиците у животных и растений.

Ванадий отличается от ниобия Nb и тантала Ta (других элементов V В группы) большей растворимостью и устойчивостью солей, а, следовательно, и биологическими свойствами. Ванадий не образуют токсичных летучих гидридов.

2. Ванадий и организмы животных

Еще в прошлом веке ванадий был впервые обнаружен в составе некоторых растений, после чего присутствие элемента №23 в углях, торфе и сланцах перестало казаться странным. Один из растительных «собирателей» ванадия хорошо знаком каждому - это ядовитый гриб бледная поганка.

В крови некоторых обитателей морей и океанов - морских ежей и голотурий содержание ванадия достигает 10%. Предполагается, что ванадий играет здесь ту же роль, что железо в гемоглобине. Но это утверждение - гипотетическое. Другие ученые придерживаются мнения, что роль ванадия в этом случае сравнима с ролью магния в хлорофилле, иными словами, ванадий, содержащийся в крови голотурий, участвует, прежде всего, в процессах питания, а не дыхания.

В Аргентине проводились опыты с введением соединений ванадия в пищу быков и свиней. При этом у животных улучшался аппетит, и они быстро прибавляли в весе. Известно также, что плесень «черный аспергил» развивается нормально только в присутствии солей ванадия. Все факты говорят о том, что ванадий играет определенную роль в жизненных процессах, но какую именно - это еще предстоит уточнить.

3. Поступление, распределение, выведение

Поступление, распределение, выведение будем рассматривать на примере организма человека.

Ванадий содержится в организме взрослого человека в основном в мягких тканях (примерно 18 мг). В организм человека ванадий поступает с пищей. Дневная доза с пищей для человека составляет 2 мг. Пищевые продукты, богатые ванадием: моллюск, грибы, шпинат, петрушка, семя укропа, черный перец. Большое количество ванадия содержится в растительном масле, печени, жирном мясе, морской рыбе, сое и хлебных злаках. Напитки, жиры и масла, свежие фрукты и свежие овощи содержат наименьшее количество ванадия.

Абсорбция соединений ванадия зависит от их растворимости и химической природы. В желудке существуют ионы VO₂⁺ и H₃V₂O₇^-, а в крови - V₃O₉^3-, H₃V₂O₇^- и H₂VO₄ ^- . Водорастворимые анионы абсорбируются хорошо, обычно около 10% вводимой дозы. Катионные формы ванадий (II) - ванадий V - слабо абсорбируются вследствие гидролиза и осаждения малорастворимых основных солей:

VC1₃+H₂O > VOCl+2HCl.

При вдыхании соединений ванадия их абсорбция из легких в кровь тем больше, чем интенсивней абсорбция из кишечника.

При экспозиции ванадия в виде V₂O₅ его соединения были обнаружены почти сразу же в моче, что указывает на быструю абсорбцию.

Выведение абсорбированного ванадия происходит в основном через почки и лишь незначительно с фекалиями (соотношение 5:1).

Накопление ванадия в органах наблюдается в порядке уменьшения содержания: сердце > селезенка > щитовидная железа > легкие > почки. В тканях сохраняется 10% от введенной дозы, причем половина этого количества накапливается в костях.

Кумулятивный эффект у ванадия отсутствует. У человека при ежедневном потреблении 2 мг ванадия 15-30 мкг его выделяется, через почки.

4. Биологическое действие

Соединения ванадия издавна использовались как стимуляторы при анемии, а также при сифилисе, туберкулезе, неврастении, ревматизме. Ванадий считают необходимым из-за его физико-химических свойств.

Биологические процессы с участием ванадия

Основные биологические процессы, в которых участвует ванадий:

- играет роль этиологического фактора (причина, без которой болезнь никогда не разовьется) при маниакально-депрессивном психозе, при котором имеет место нарушение обмена натрия в эритроцитах, вызванное повышенной внутриклеточной концентрацией ванадия;

- оказывает влияние на обмен глюкозы в организме путем стимуляции ее окисления;

- катализирует окисление серотонина и близких к нему аминов тирамина, адреналина и др.;

- усиливает связывание кислорода гемоглобином и миоглобином;

- принимает участие в процессах клеточного роста, дифференцировки и восстановления тканей.

Действие ванадия на организм

Ванадий препятствует развитию атеросклероза, регулирует уровень глюкозы в крови, участвует в формировании костей, улучшает состояние зубов, контролирует работу сердечнососудистой системы.

Снижение уровня холестерина

Имеются указания о его способности влиять на обмен холестерина, фосфолипидов и на активность некоторых ферментов, а также тормозить развитие гиперхолестеринемии.

Ванадий уменьшает выработку холестерина в клетках печени и снижает содержание в крови липидов, ускоряя их метаболизм. Достаточное содержание ванадия в мозге поддерживает его сосуды в хорошем состоянии и препятствует развитию склероза, предотвращает риск сердечнососудистых заболеваний, гипертонии.

Он не только тормозит биосинтез холестерина, но и мобилизует его отложения, депонированные в ткани печени. Под влиянием ванадия, взятого в расчете на металл в дозе 0,05 мг на особь, (белые крысы), отмечалось увеличение активности пероксидазы, каталазы, церулоплазмииа, карбоангидразы и снижение насыщенности железом трансферина и количества свободных тиогрупп крови. Применение суточной дозы 0,2 мг повышало резистентность животных к физической нагрузке, активность пероксидазы и снижало активность карбоангидразы, каталазы, количество свободных тиогрупп крови.

Инсулиновое действие ванадийсодержащих соединений

В последние годы было установлено, что соли ванадия имитируют эффекты инсулина.

Инсулиноподобное действие проявляют обе биологически активные формы ванадия (ванадат VO₃^2- и ванадил VO^2-). По существу, все основные эффекты инсулина, направленные на регуляцию метаболизма углеводов и липидов, имитируются соединениями ванадия. Так, в присутствии ванадия стимулируется транспорт глюкозы и ее метаболизм в жировой ткани, диафрагме, в скелетных мышцах и мозге. В печени и мышцах усиливается синтез гликогена. Кроме того, в печени ингибируется глюконеогенез, а в жировой ткани тормозится липолиз и стимулируется липогенез. Действие ванадия на поглощение глюкозы в скелетных мышцах обусловлено его влиянием на экспрессию и транслокацию в плазматическую мембрану инсулин-регулируемого транспортера.

На животных с экспериментальным диабетом установлено, что соединения ванадия нормализуют гликемию (содержание глюкозы в крови).

Возможность применения ванадийсодержащих соединений при диабете I типа позволяет преодолевать резистентность к инсулину и не повышать его дозу. У больных диабетом II типа соединения ванадия способствуют повышению чувствительности к инсулину.

Регуляция водно-солевого баланса

Ванадий участвует в клеточном механизме регуляции «натриевого насоса», поэтому он важен для поддержания баланса натрия и калия в организме, что позволяет поддерживать нормальное артериальное давление, снижать отеки, регулировать работу мышечной и нервной тканей.

Противоопухолевое действие

Ванадий стимулирует правильное деление клеток организма, действуя при этом как антиопухолевое средство. Канадская фармацевтическая фирма «Ангиотек» разрабатывает программу по лечению ревматоидных артритов и остеоартритов, основываясь на данных о том, что ортованадат ингибирует ферменты, участвующие в процессах, ведущих к разрушению суставов. Следует подчеркнуть, что исходя из биологических эффектов, ванадийсодержащие соединения являются скорее лекарственными средствами, чем пищевыми добавками.

Регуляция процессов кроветворения

Ванадий усваивается организмом при помощи молекул-переносчиков, подобных тем, которые транспортируют железо. Поэтому уровень ванадия в организме изменяется в соответствии с потреблением железа и, таким образом, ванадий влияет на уровень гемоглобина в крови.

Формирование костного скелета

Ванадий способствует накоплению солей кальция в костях, участвует в формировании зубов, повышает их устойчивость к кариесу. Достаточный уровень ванадия в организме предотвращает деформации опорно-двигательного аппарата, а у детей - способствует росту скелета.

Повышение потребления кислорода

Была установлена способность ванадия в биотических количествах повышать потребление кислорода животным организмом, выявлено действие ванадия на активность ферментов тканевого дыхания - сукцинатдегидрогеназы и цитохромоксидазы. Можно говорить о наличии у ванадия «зональности» действия, которая выражается в том, что под влиянием малых (биотических) количеств ванадия (3,2 мкг/кг) происходит повышение активности ферментов («зона биотического действия»), при увеличении дозы до 128 мкг/кг прекращается или ослабляется эффект («зона бездействия»), а при применении макродозы (5,12 мг/кг) наступает угнетение ферментативного процесса («зона фармакотоксилогического действия»).

Влияние на обмен серотина

То, что катион ванадия может выполнять активную физиологическую роль, подтверждается и неравномерным распределением его при нормальных условиях в головном мозгу и концентрацией в подкорковой области - в зоне зрительных бугров. Именно в подкорковой области осуществляется наиболее активный обмен серотонина. В противоположность стимулирующему влиянию ванадия на обмен серотонина большие дозы (интоксикация) тормозят этот обмен. В настоящее время установлено, что серотонин вызывает резкое повышение проницаемости кровеносных сосудов (была установлена прямая зависимость между этим явлением и содержанием ванадия в организме).

5. Аномальное содержание ванадия в организме

О проявлении биологической роли ванадия можно судить о том влиянии, которое он оказывает при повышенном и пониженном содержании в организме.

Пониженное содержание

Дефицит ванадия у людей не идентифицирован. Большинство сообщаемых клинических признаков недостатка ванадия являются сомнительными.

Рационы, используемые в исследованиях с отсутствием ванадия, имели изменяющееся содержание белка, аминокислот, аскорбиновой кислоты, железа, меди и возможно других нутриентов, которые могут воздействовать на ванадий.

Дефицит ванадия у животных приводил к повышению частоты абортов и снижению количества молока, приблизительно 40% детенышей погибали, увеличивался вес щитовидной железы, уменьшался рост. При выращивании коз на диете, специально обедненной ванадием, наблюдалось увеличение числа выкидышей и смертности среди новорожденных животных. При этом наступление смерти часто сопровождалось судорогами (конвульсиями). У опытных животных отмечалась деформация скелета (задних конечностей) и увеличение объема щитовидной железы. В опытах на крысах было показано, что введение ванадия на фоне дефицита йода или действия других струмогенных факторов, способно оказывать положительный эффект на восстановление функций щитовидной железы.

Основные проявления дефицита ванадия:

- увеличение риска развития атеросклероза;

- увеличение риска развития сахарного диабета.

Повышенное содержание

В присутствии VOSО₄ нарушается синтез жирных кислот и фосфолипидов. Механизм этого влияния не выяснен.

Известно, что ванадий ингибирует более 13 ферментных систем. Например, ванадат, подобно арсенату, замещает фосфат в реакции с глицеральдегид-3-фосфатом, нарушая фосфорилирование и синтез АТФ.

Нарушение синтеза АТФ.

Ванадий и его соединения - яды широкого спектра действия; они поражают систему кровообращения, органы дыхания, нервную систему, а также вызывают воспалительные и аллергические заболевания кожи.

Для соединений ванадия характерно раздражающее действие на слизистые оболочки (при вдыхании и заглатывании пыли), нарушение белкового обмена и обмена серотонина, дистрофические изменения в паренхиматозных органах, функциональные нарушения нервной и сердечной деятельности.

При воздействии ванадия снижается сопротивляемость организма инфекции, что влечет за собой повышение уровня заболеваемости пневмонией, гриппом и др. Среди лиц, работающих с соединениями ванадия, может отмечаться повышение заболеваемости гипертонической болезнью.

Имеют место случаи профессиональных заболеваний кожи, в частности появление папулезной сыпи на конечностях и лице, а также экземы аллергического характера.

Основные проявления избытка ванадия при острой интоксикации:

- воспалительные реакции кожи и слизистых оболочек глаз, глотки, верхних дыхательных путей;

- аллергические реакции (экзема, астмоподобные состояния);

- лейкопения и анемия.

При хронической интоксикации:

- снижение содержания в организме аскорбиновой кислоты;

- снижение содержания цистина в волосах;

- повышение частоты заболеваний бронхолегочной системы;

- увеличение риска развития новообразований.

Токсичность ванадата снижается аскорбиновой кислотой. При приеме ванадата в токсичных дозах в организме снижается концентрация витамина С. Витамин С защищает мышей от действия ванадия в токсичных дозах. Вероятно, что V(V), восстанавливаясь до менее токсичных V(IV) и V(III), окисляет аскорбиновую кислоту. V(IV) и V(III) могут образовывать хелаты с аскорбиновой кислотой.

6. Синергисты и антагонисты ванадия

Антагонистами ванадия являются хром и содержащиеся в пище белки. В настоящее время синергисты ванадия точно не установлены, но предполагается, что им является кобальт.

Хром

Совместное поступление ванадия и хрома сопровождается взаимовлиянием на их токсикокинетику, результатом которого является изменение процессов всасывания и выведения металлов из организма. Отложение во внутренних органах зависят от дозовых соотношений компонентов комбинаций и связанной с ними взаимовлияния при контакте с биосубстратами. Замедление выведения ванадия из организма в присутствии хрома, более выражено проявляющееся при наличии меньшей дозы его в смесях, объясняется отложением его во внутренних органах в виде труднорастворимых соединений.

Сопоставление параметров поведения ванадия и хрома на разных этапах метаболического пути показало, что суммарное содержание их в той или иной биосреде (например, в целом организме) при комбинированном поступлении в разных дозовых соотношениях существенно не превышает пределы суммы содержания изолированно введенных металлов. Учитывая то обстоятельство, что степень токсического действия металлов коррелирует с их содержанием в биосредах, можно предполагать только об аддитивном токсическом эффекте ванадия и хрома при их комбинированном поступлении в организм.

Таким образом, хром является антагонистом ванадия, но в тоже время следует говорить об их аддитивном эффекте при токсичных дозах.

Кобальт

Установлено, что организм взрослого человека содержит около 30 мг ванадия и 5_мг кобальта. Это может быть объяснено большой физиологической значимостью кобальта по сравнению с ванадием, более привычными для организма процессами утилизации его, с которыми организм хорошо справляется.

Несмотря на выраженные различия в поведении ванадия и кобальта в организме, они обладают также многими сходными биологическими свойствами. Эти металлы являются биологически важными элементами. Так Сo активирует ряд ферментов, регулирующих тканевое дыхание, кроветворение и угнетающе действует на энзимы, образуя комплексы с белками, содержащими SH-группы. Известно также, что кобальт в малых дозах активирует, а в больших - угнетает жизненно важные биохимические процессы.

Одновременное введение ванадия и кобальта в разных дозовых соотношениях сопровождается усилением комбинированного эффекта, характеризующимся высоким уровнем задержки ванадия в организме крыс.

При остром воздействии металлов на уровне смертельных эффектов обнаруживается четко выраженное явление усиления токсического действия.

Конкурирующее взаимодействие между V и Со, основанное на их физико-химических свойствах и взаимоотношениях с биосубстратами, происходит только на этапе абсорбции металлов и характеризуется преимущественной задержкой ванадия в органах вторичного депонирования.

Заключение

Была дана общая характеристика ванадия, выделен целый ряд физико-химических и биологических свойств, позволяющих считать его жизненно необходимым элементом.

Описаны пути поступления, распределения и выведения его из организма. Рассмотрена биологическая роль элемента в животном организме.

Характеризуются биологические процессы в организме человека с участие ванадия, раскрыто его биологическое действие, в частности снижение уровня холестерина, инсулиновое действие, регуляция водно-солевого баланса, противоопухолевое действие, регуляция процессов кроветворения, формирование костного скелета и повышение потребления кислорода.

Даны симптомы аномального содержания ванадия, а также выделены синергисты и антагонисты ванадия. Так, хром является антагонистом ванадия, но в тоже время следует говорить об их аддитивном эффекте при токсичных дозах, а кобальт предположительно является синергистом, хотя в настоящее время синергисты ванадия точно не установлены.

Список использованной литературы

1. Большая медицинская энциклопедия (БМЭ) [Текст]. В 30 т. Т. 4. Валин - Тамбия / главн. ред. Б.В. Петровский. - М.: Советская энциклопедия, 1976. - 575 с.

2. Ванадий [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.smed.ru/guides/208/#article. - Загл. с экрана.

3. Ванадий - V [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://webelements.narod.ru/elements/V.htm. - Загл. с экрана.

4. Ершов, Ю.А. Механизмы токсического действия неорганических соединений [Текст] / Ю.А. Ершов, Т.В. Плетенева. - М.: Медицина, 1989. - 272 с.: ил.

5. Инсулиновое действие ванадийсодержащих соединений [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://medi.ru/pbmc/ 8800402.htm. - Загл. с экрана.

6. Казакова, Б.И. Элемент №23: Ванадий [Текст] / Б.И. Казакова, Е.В. Грузинова // Химия и жизнь. - 1966. - №4. - С. 60-65.

7. Казимов, М.А. Экспериментальное изучение комбинированного действия ванадия и кобальта [Текст] / М.А. Казимов // Вопросы гигиены труда в нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности. - Алма-Ата: Изд-во Изд-во НИИ краевой патологии Минздрава Казахской ССР, 1986. - С. 120-129.

8. Казимов, М.А. Экспериментальное изучение особенностей токсикокинетики ванадия и хрома при их совместном поступлении в организм [Текст] / М.А. Казимов // Гигиенические вопросы производства цветных металлов в Казахстане. - Алмата: Изд-во Алма-Атинского государственного медицинского института, 1987. - С. 128-136.

9. Кирпичики моего здоровья [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://content.mail.ru/arch/25170/1861702.html&clean =1&print=1. - Загл. с экрана.

10. Кулиева, Т.Х. Влияние ванадия на активность некоторых ферментов тканевого дыхания [Текст] / Т.Х. Кулиева // Здравоохранение Туркменистана. - 1974. - №3 (171). - С. 17-19.

11. Лидин, Р.А. Химические свойства неорганических веществ [Текст]: учеб. пособие для вузов / Р.Н. Лидин, В.А. Молочко, Л.Л. Андреева; под ред. Р.А. Лидина. - М.: Химия, 1996. - 480 с.: ил.

12. Рощин, А.В. Ванадий и его соединения [Текст] / А.В. Рощин - М.: Медицина, 1986. - 184 с.

Размещено на Allbest.ru