Химия и биологическая роль биогенного элемента № «15» - фосфор

Введение
Биогенными называют элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности клеток и организмов. Из 92 встречающихся в природе стабильных элементов в живых организмах обнаружен 81. Однако, для того чтобы называться биогенным, элемент должен постоянно присутствовать в организме в количествах, сходных у разных индивидуумов, а его нехватка должна вызывать характерные симптомы недостаточности.
Одним из важнейших биогенных элементов, удовлетворяющим этим требованиям, является фосфор. Фосфор содержится во всех частях зеленых растений, но особенно много его в семенах и плодах. В организме животных и человека он сосредоточен в костях, мышцах, нервно ткани.
Его содержание в организме человека составляет примерно 1% от общей массы тела [1]. Суточная потребность в фосфоре составляет 1,5 г. В случае его нехватки развивается нервное истощение, слабость, повышенная утомляемость, мышечные боли, остеопороз, гипотензия, сердечная недостаточность, гипокальциемия и снижение общей сопротивляемости организма [5].
Цель данной работы – изучить химические свойства и биологическую роль фосфора.
Глава 1. Химические свойства фосфора и его соединений
1.1 Свойства элемента
Фосфор – неметалл семейства р-элементов. Номер в таблице Менделеева – 15. Согласно мнению историков, технология получения фосфора была известна еще арабским алхимикам в 12 веке. Его получали путем выпаривания мочи и нагревания сухого остатка с углем и песком [7].
Электронная конфигурация атома фосфора: 1s22s22p63s23p3. В возбужденном состоянии s-электроны внешнего электронного уровня распариваются на d-подуровень: 1s22s22p63s13p33d1 (рис.1). В соединениях способен проявлять валентность III (основное состояние) и V (возбужденное состояние). Степень окисления меняется от -3 до +5. Наиболее устойчивы соединения, в которых фосфор находится в степени окисления +5. Максимальное координационное число 6. Неметаллические свойства и электроотрицательность фосфора значительно ниже, чем у кислорода, азота и галогенов. Восстановительная активность преобладает над окислительной [2,7].
Рисунок 1 – Переход фосфора в возбужденное состояние
В земной коре фосфор содержится в основном в виде фосфатов (V). Наиболее распространены минералы гидроксилапатит и фторапатит. Фосфор имеет только один природный изотоп 31P, искусственно получены радиоактивные изотопы [2].
По признаку количественного содержания фосфор относится к макроэлементам. Это органоген, т.к. он образует основную массу биополимеров (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды).
1.2. Простые вещества
Атомы фосфора объединяются в двухатомные, четырёхатомные и полимерные молекулы.
Наиболее известны три аллотропных модификаций фосфора. При конденсации паров образуется белый фосфор. Тетраэдрическая молекула белого фосфора Р4 состоит из трехчленных циклов и в сечении имеет вид равностороннего треугольника с острыми углами. Такие значения углов обычно достигаются сильным искривлением и напряжением межатомных связей. Таким образом, молекулу можно уподобить туго скрученному резиновому жгуту, готовому самопроизвольно и с большой силой распрямиться. Этим объясняется необыкновенная химическая активность [8]. Белый фосфор очень токсичен, светится в темноте, хорошо растворим в жирах и обладает высокой проницаемостью через мембраны клеток.
В молекуле Р4 связи Р-Р легко разрываются. Поэтому при длительном хранении или нагревании белый фосфор переходит в более стабильные полимерные модификации – красный и черный фосфор [2]. Красный и черный фосфор малорастворимы и нетоксичны [7]. Красный фосфор – вещество красного цвета, в темноте не светится. Черный фосфор имеет слоистую структуру, обладает металлическим блеском.
Фосфор проявляет восстановительные свойства, окисляясь кислородом, галогенами и серой.
Р4 + 5О2 = Р4О10 (60оС)
Р4 + 10Сl2 = 4PCl5 (90oC)
В реакции с металлами проявляется его окислительная активность [2,12].
3P красный +Na→Na3P (200 °С)
1.3 Соединения фосфора
В соединениях с кислородом – более электроотрицательным элементом – фосфор проявляет положительные степени окисления. Строению молекул оксида фосфора (III) и (V) отвечают формулы Р4О6 и Р4О10, хотя для простоты их часто записывают как Р2О3 и Р2О5. В молекуле оксида фосфор стремится сохранить энергетически выгодную структуру тетраэдра, свойственную молекуле Р4

. Поэтому молекулы оксидов имеют сложное пространственное строение.
У фосфора гораздо больше кислородсодержащих кислот, чем у любого другого элемента. Из оксокислот фосфора наибольшее значение для организма имеют ортофосфорная кислота H3PO4 и ее соли [11].
Фосфорная кислота – трехосновная кислота средней силы, не образует гидраты, смешивается с водой во всех отношениях. В обычных условиях диссоциирует только по первой ступени, диссоциация электролитов по второй ступени происходит намного слабее, по третьей ступени в нормальных условиях почти не происходит.
H3PO4 = H+ + H2PO4-
При нейтрализации фосфорной кислоты гидроксидом натрия в зависимости от молярного соотношения кислоты и щелочи могут образовываться кислые и средние соли:
H3PO4+ 3NaOH →Na3PO4+ 3Н2О фосфат натрия
H3PO4+ 2NaOH →Na2HPO4+ 2Н2О гидрофосфат натрия
H3PO4+ NaOH →NaH2PO4+ Н2О дигидрофосфат натрия
Фосфорная кислота обладает всеми общими свойствами кислот, но гораздо слабее таких кислот, как серная и азотная [4].
Многие соединения фосфора высокотоксичны. Например, фосфорорганические производные зарин и заман являются сильными нервно-паралитическими ядами, которые ингибируют ферменты в нервной системе. Весьма токсичен трехфтористый фосфор PF3, который реагирует с катионом железа Fe2+ гемоглобина, затрудняя связывание кислорода [1].
Глава 2. Биологическая роль фосфора
2.1. Значение фосфора для регуляции метаболизма
Фосфор поступает в организм в составе органических молекул, в пищеварительном тракте различными фосфатазами высвобождается в неорганический фосфор. Всасывание происходит в тонкой кишке.
Фосфор настолько важен для живых организмов, что существует целый класс белков переносчиков фосфата, единственная функция которых – формировать комплекс с гидрофильным остатком фосфорной кислоты, и переносить его через липидную клеточную мембрану [8].
К реакциям фосфорилирования в широком смысле относят все биохимические реакции, при которых происходит включение в какую-либо молекулу остатка фосфорной кислоты. Все реакции фосфорилирования происходят с затратами энергии. Их биологическое значение огромно. Многие молекулы участвуют в реакциях только в фосфорилированной форме. Только фосфорилированные нуклеотиды включаются в состав полимерных цепей ДНК и РНК. В результате фосфорилирования АДФ образуется АТФ.
Фосфорилирование необходимо для активирования углеводов и глицерина. Фосфорилирование белков и липидов ферментами протеинкиназами и липидкиназами – важнейший механизм передачи гормональных и других внеклеточных сигналов [5]. Для большинства регуляторных молекул между их связыванием с мембранным рецептором и изменением работы клетки лежит цепь химических реакций, которые обеспечивают передачу сигнала – сигнальную трансдукцию. В ряде случаев последний этап сигнальной трансдукции состоит в фосфорилировании определенных эффекторных белков, что ведет к усилению или ослаблению их активности, что, в свою очередь, определяет клеточную реакцию. Катализируют фосфорилирование белков протеинкиназы, а дефосфорилирование – протеинфосфатазы. Фосфорилирование происходит по гидроксильным группам серина, треонина и тирозина [8].
Фосфор участвует в фосфоглицеральдегиддегидрогеназной, фосфорилазной ферментативных реакциях.
2.2. Буферная фосфатная система
Растворимые фосфаты при взаимодействии с водой гидролизуются с образованием определенной реакции среды. В организме они создают буферную фосфатную систему, которая отвечает за постоянство кислотно-щелочного равновесия во внутриклеточной жидкости и крови. Фосфатная буферная система состоит из сопряженной кислотно-основной пары, состоящей из иона Н2РО4- (донор протонов) и иона НРО42- (акцептор протонов). В норме отношение HРO42– к H2РO4– равно 4 : 1.
Роль кислоты выполняет однозамещенный фосфат NaH2PO4, роль соли – двузамещенный фосфат Na2HPO4 [3].
Фосфатная буферная система составляет всего 1% от буферной емкости крови, но является основной для поддержания кислотно-щелочного равновесия в тканях. Нейтрализация кислых и щелочных продуктов происходит следующим образом:
Na2HPO4 + HCl =NaH2PO4 + NaCl
NaH2PO4 + NaOH = Na2HPO4 + H2O
Избыток фосфорных солей удаляется из организма почками