Тема: Біологічна роль Карбону

План

Час виконання - 2 години.

Мета роботи: ознайомитися з біологічною роллю Карбону та його неорганічних сполук.

Карбону належить головна роль в утворенні біосистем. Атоми Карбону, завдяки особливій будові верхнього енергетичного рівня (чотири валентні електрони в збудженому стані розміщені на 2s¹2p³ орбіталях, здатних до

sp³-, sp²- i sp –гібридизації), утворюють міцні зв’язки – прості, подвійні або потрійні. Вони сполучаються між собою у лінійні, розгалужені та циклічні структури, причому можуть замикатися в цикли як між собою, так і за участю гетероатомів (N, P, O, S), утворюючи карбоциклічні та гетероциклічні сполуки.

У хімічних сполуках Карбон може виявляти різні ступені окиснення: -4 (СН₄, SiC), -1 (CaC₂, Ag₂C₂), 0 ( C_графіт, С_алмаз), +2 (СО, HCN), +4 (СО₂, Н₂СО₃), причому в складі однієї молекули можуть знаходитися атоми з різними ступенями окиснення. Це також є причиною багатоманітності сполук даного елемента.

Неорганічними сполуками Карбону є його бінарні сполуки з металами (карбіди – СаС₂, АІ₄С₃ та ін.) та неметалами (CS₂, CF₄, SiC), оксиди (СО і СО₂), карбонатна кислота та її солі (карбонати і гідрогенкарбонати), ціанідна і тіоціонатна кислоти та солі цих кислот – ціаніди, тіоціанати (роданіди) та ін.

Карбон (ІІ) оксид, або чадний газ СО – це безбарвний, дуже отруйний газ, який одержують при неповному згорянні різних видів палива

2С + О₂ = 2СО.

У хімічному відношенні це несолетворний оксид, який за звичайних умов не реагує з водою, кислотами, лугами. Тільки при пропусканні його крізь розплав лугів утворюються солі метанової кислоти:

СО + КОН НСООК.

З гемвмісними білками, зокрема гемоглобіном крові, карбон (ІІ) оксид утворює карбоксигемоглобін – стійку комплексну сполуку, яка на відміну від гемоглобіну не може зв’язувати і переносити кисень від легень до тканин. Тому вже при незначній концентрації СО в повітрі (0,07 % об.) наступає отруєння людини. Для захисту організму від чадного газу використовують спеціальні протигази, обладнані гопкалітовим патроном. Цей патрон заповнюють сумішшю оксидів MnO₂ i CuO, які можуть реагувати з карбон (ІІ) оксидом. Антидотом при отруєннях чадним газом є кисень, надлишкову концентрацію якого створюють у спеціальній барокамері (метод оксигенобаротерапії).

Гідроген ціанід HCN (стара назва – ціаністий водень) за звичайних умов існує у вигляді рідини, яка добре змішується з водою, утворюючи ціанідну або синильну кислоту. Ця кислота та її солі (ціаніди) – дуже отруйні сполуки. Навіть у мізерних дозах (ГДК – 0,01 мг/м³) вони смертельно діють на організм, що пояснюється їх високою здатністю до комплексоутворення, особливо з d – елементами. Ціанід – йони легко зв’язуються з катіонами Феруму (ІІ), що входять до складу цитохромів – групи ферментів ланцюга дихання. Оскільки вміст цитохромів в організмі менший , ніж гемоглобіну, то стає зрозумілою причина більшої токсичності синильної кислоти порівняно з чадним газом (смертельна доза – 0,05 г).

Проте у мікрокількостях ціанід – йони утворюються в організмі і використовуються ним для побудови деяких біоструктур, зокрема ціанокобаламіну (вітаміну В₁₂). У молекулі цього вітаміну ціанід – йони виконують роль лігандів у складі хелатного комплексу.

Ціанідна кислота та її солі як продукти обміну виділяються з організму з повітрям та сечею у вигляді неотруйного роданід – йона SCN ^-, який утворюється за реакцією:

CN ^- + S = SCN ^–

При отруєнні ціанідами застосовують кисень, метгемоглобіноутворювачі (амілнітрат, натрію нітрит) або натрію тіосульфат, який реагує з калій ціанідом за рівнянням:

KCN + Na₂S₂O₃ = KSCN + Na₂CO₃.

Важливою сполукою Карбону (ІV) є діоксид карбону СО₂ (вуглекислий газ), який є кінцевим продуктом біологічного окиснення в клітинах різних біосубстратів – глюкози, ліпідів та, меншою мірою, білків.

У хімічному відношенні СО₂ - кислотний оксид, який відповідає карбонатній кислоті Н₂СО₃. Це слабка кислота, яка утворює середні та кислі солі – відповідно карбонати та гідрогенкарбонати. У розчині вона дисоціює ступінчасто:

Н₂СО₃ Н ⁺ + НСО₃^- І стадія

НСО₃^- Н ⁺ + СО₃^2- ІІ стадія

Процес дисоціації практично відбувається за першою стадією, тому в плазмі крові присутні гідрогенкарбонат – йони НСО₃^-, які в суміші з карбонатною кислотою утворюють карбонатну буферну систему крові.

Отже, одна частина вуглекислого газу зв’язується (гідратується), а інша – виділяється з організму шляхом дифузії. З клітин СО₂ спочатку дифундує в міжклітинну рідину, а потім у плазму, де частково розчиняється у воді. Решта його проникає в еритроцити, в яких СО₂ зв’язується з білковою частиною молекули гемоглобіну – глобіном, утворюючи нестійкий карбамін

R – NH₂ + CO₂ R – NH – COOH

Зв’язаний вуглекислий газ виноситься еритроцитами до альвеол легень, де він виділяється з повітрям, яке ми видихаємо.

Вміст вуглекислого газу в атмосфері становить близько 0,03 % за об’ємом. Він відіграє важливу роль у підтриманні певного температурного режиму на поверхні Землі, оскільки молекули вуглекислого газу здатні вбирати УФ – випромінювання, запобігаючи витоку тепла за її межі. Проте, через активну виробничу діяльність людства спостерігається постійне збільшення концентрації вуглекислого газу в атмосфері, що призводить до глобальних кліматичних змін („парникового ефекту”).