2 группа (2А подгруппа) - щелочноземельные металлы (главная группа элементов)

Во 2 группу входят Be, Mg, Са, Sr, Ва, Ra (табл. 1 и 2). Все эти элементы имеют изотопы с некомпенсированным ядерным спином. В отличие от щелочных металлов, щелочноземельные распределяются в плазме и в клетках крови аналогично переходным металлам, то есть с увеличением радиуса иона содержание металла в плазме увеличивается . Ионы металлов 2 группы образуют больше комплексных соединений, чем ионы щелочных металлов.

Таблица 1. Некоторые физические и химические свойства щелочноземельных металлов

Относит, ат. масса

Бериллий Beryllium [от греч. Beryllos — берилл]

Be 2 + 34, атомный 113,3, ковалентный 89

Магний Magnesium [от Магнезия — полуостров в Греции]

Mg 2+ 78, атомный 160, ковалентный 136

Кальций Calcium [от лат. Calx — известь]

Са 2+ 106, атомный 197,3, ковалентный 174

Стронций Strontium [в честь Strontian — Шотландии]

Sr 2+ 127, атомный 215,1, ковалентный 192

Барий Barium [от греч. Barys — тяжелый]

Ва 2+ 143, атомный 217,3, ковалентный 198

Радий Radium [от лат. Radius -луч]

Ra 2+ 152, атомный 223

223 Ra*, 224 Ra, 226 Ra, 228 Ra -встречаются

Из этих ns 2 -металлов важнейшими являются Mg и Са. В живых организмах оба они относятся к макроэлементам. Например, в организме взрослого человека содержится до 1 кг Са (до 99% — в составе костей и зубов) и около 25 г Mg. Показано их значение для метаболических процессов, свертывания крови, сокращения мышц, функционирования нервной системы.

Бериллий (Be) — очень твёрдый и легкий, его сплав с медью сходен со сталью. В эпоху нанотехнологии он необходим для атомной, электронной, электротехнической, авиационной и нефтегазовой промышленности. Be обладает некомпенсированным спином и высокой латентной токсичностью, хотя его атомная масса среди прочих металлов наименьшая. Он связан диагональным соотношением с Аl, и имеет с ним много общих свойств. Контакт с солями Be вызывает поражение кожи, а ингаляция Be-содержащих аэрозолей вызывает хронический легочный гранулематоз — бериллиоз. Ион Ве 2+ имеет малые размеры, но высокую плотность заряда. В организме он ингибирует фосфатазы, особенно щелочную, участвующую в процессах образования костей, а также ферменты, активируемые Mg 2+ и К + , нарушает репликацию ДНК. Ионы Ве 2+ образуют комплексы с тетраэдрическим расположением лигандов (КЧ = 4) с различной стереохимической конфигурацией. Хелатная терапия в случае хронического отравления Be неэффективна.

Магний (Mg) — по свойствам связан диагональным соотношением с Li. Абсолютно необходим для нормальной жизнедеятельности в виде иона Mg 2+ . В клетках растений в основном хелатирован 4 азотами пиррольиых колец циклической структуры хлорофилла. В организме животных служит кофактором всех реакций с участием АТФ. Является противоионом для стабилизации двойной спирали ДНК, в каждом звене цепи которой содержатся отрицательно заряженные фосфатные группировки. Mg 2+ также необходим для нервно-мышечной передачи и мышечного сокращения.

Наиболее часто недостаток магния (в норме содержащегося в плазме крови в концентрации 0,9 мМ) наблюдается при алкоголизме, сопровождаясь также накоплением Са 2+ . При избытке магния развиваются слабовыраженные токсические реакции. Прием больших количеств солей Mg 2+ вызывает рвоту.

Интересен факт многократного усиления ферментативной активности креатиикиназы под влиянием единственного парамагнитного изотопа 25 Mg с некомпенсированным ядерным спином (+5/2). В природе он составляет 10% атомов магния. Остальные стабильные изотопы Mg, имеющие нулевой ядерный спин и не реагирующие на магнитное поле, активируют указанный фермент в несколько раз слабее. Стимуляция креатинкиназы важна для стимулирования АТФ-генерирующей деятельности митохондрий, например, при острой ишемии миокарда. Можно предполагать, что применение парамагнитного изотопа позволит значительно увеличить эффективность препаратов Mg.

Кальций (Са) — содержится в организме в большем количестве, чем все остальные металлы. Более 99% кальция входит в состав костей и зубов в виде нерастворимого фосфата гидроксиапатита Са10(РО4)6(ОН)2 или в виде карбонатапатита Са10(РО4)6СО3. Са участвует в большинстве процессов метаболизма, поскольку является внутриклеточным медиатором с весьма многообразными функциями. От его концентрации в межклеточной жидкости и в полости эндоплазматического ретикулума (ЭР) зависит конформационное изменение (свертывание) белковых молекул. Поэтому Са называют главным неорганическим вторичным переносчиком (мессенджером). Дефицит Са проявляется задержкой роста, ломкостью костей, болезнями зубов и другими нарушениями, в частности, усилением всасывания нежелательных или токсичных ионов металлов. Напротив, высокий уровень Са 2+ в диете может подавлять всасывание других металлов, в том числе необходимых организму. Двухвалентный ион кальция в свободном виде цитотоксичен.

Ввиду первостепенной важности Са для жизнедеятельности в организме существует эффективный механизм обеспечения гомеостаза этого металла. В него входят три гормона: паратиреоидный гормон (паратгормон, парати-рин, ПТГ), кальцитонин и кальцитриол (1,25-дигидроксихолекальциферол). Первый из них — полипептид, секретируемый паращитовидной железой при снижении концентрации Са 2+ в плазме. Он стимулирует высвобождение иона кальция из костей и реабсорбцию («резорбцию») в почках, одновременно подавляя реабсорбцию фосфата.

Калъцитонин — полипептидный йодсодержащий гормон, образующийся в С-клетках щитовидной железы — ингибирует реабсорбцию обоих ионов в крови, снижая их уровень. Подавляет активность остеокластов, в регуляции уровня Са 2+ антагонистичен ПТГ.

Кальцитриол — стероидный гормон, образующийся в почках и печени при гидроксилировании витамина D3, причем реакция в этих органах происходит по-разному: в печени — 25-гидроксилирование, а в почках — 1а-гидро-ксилирование 25-дигидрооксихолекальциферола.

Этот процесс регулируется местными цитокинами и катализируется щелочной фосфатовой, секретируемой остеобластами. Она отщепляет фосфат от пирофосфата. В организме кости депонируют Са, РO 3- 4, а также Mg и Na. В ткани зубов, в отличие от костной, белковый матрикс содержит также коллагены и протеогликаны (глюкозаминогликаны). Плотность костной ткани увеличивается в присутствии фтора. Показано также, что фруктоборат кальция в присутствии витамина D3 стимулирует восстановление поврежденных артрозом, артритом, остеопорозом и остеохондрозом костных и хрящевых тканей в суставах. Механизмы этого влияния в деталях не изучены.

Помимо структурной функции, Са контролирует некоторые важнейшие обменные процессы: синтез секреторных или мембранных белков с дисульфидными связями, обеспечивающими правильность трехмерной структуры белка, мышечное сокращение и свертывание крови.

Стронций (Sr) — по А. Ферсману «металл красных огней», используемый в пиротехнике. В настоящее время применяется в производстве катодно-лучевых трубок для цветного телевидения и мониторов, так как содержащее стронций стекло эффективно задерживает рентгеновское и катодное излучение. Керамика («ферриты») обладает мощными магнитными свойствами. Является уникальной легирующей присадкой для изготовления морозостойкой стали при производстве рельсов и машин для работы в высоких широтах, за Полярным кругом.

Считается металлом, обычно не вызывающим токсических реакций; содержится в костях (до 0,3 г). При избытке, например, у курильщиков, он подавляет оссификацию, заменяя Са в костях. Поскольку ковалентный радиус Sr 2+ больше, чем у Са 2+ (соответственно, 192 и 174 пм), при такой замене кристаллическая решетка апатита костной ткани разрыхляется, что проявляется болезнью Кашина-Бека. Изотоп 90 Sr с периодом полураспада (t1/2) 28 лет радиоактивен и может быть токсичен для организма.

Барий (Ва) — в виде 2-валентного катиона ядовит из-за антагонизма с К + (но не с Са 2+ ), поскольку ионные радиусы обоих металлов сходны (соответственно, 143 и 133 пм). Ва 2+ нарушает мышечное сокращение. Лечение интоксикации состоит во внутривенном введении солей К + . В организме Ва откладывается в костях и в пигментной оболочке глаз. На примере Ва видно, что для биологического действия ионный радиус металла более важен, чем заряд (ковалентные радиусы Ва 2+ и Са 2+ составляют, соответственно, 198 и 174 пм). Как и в случае с Sr, при замене в костях Са на Ва они становятся ломкими, что проявляется в виде остеопороза.

Радий (Ra) —по химическим свойствам близок к Са. Все изотопы этого металла радиоактивны. Биологическая роль связана с радиоактивностью, однако в природных условиях из-за низкого содержания (до 2 пг/сутки) она близка к нулю.

Таблица 2. Содержание в организме, токсическая (ТД) и летальная дозы (ЛД) щелочноземельных металлов