Гетерогенные равновесия в жизнедеятельности организмов

В организме человека образование костной ткани это наиболее важный гетерогенный процесс с участием неорганических соединений. Основным минеральным компонентом костной ткани является гидроксифосфат кальция Ca₅(PO₄)₃OH. Часть ионов Ca²⁺ замещена ионами Mg²⁺, а очень незначительная часть ионов OH^– замещена ионами фтора, которые повышают прочность кости.

Образование Ca₅(PO₄)₃OH из слабощелочных растворов в опытах “in vitro” можно объяснить следующим образом. Известно, что при физиологическом значении рН крови (7, 4) в системе сосуществуют ионы и . Сопоставление значений констант растворимости (СаНPO₄) = 2, 7× 10^–7 и Ca(Н₂PO₄)₂= 1× 10^–3, указывает на то, что в первую очередь в присутствии ионов Ca²⁺ образуется осадок CaHPO₄:

Ca²⁺ + ⇄ CaHPO₄

Затем образующееся соединение претерпевает следующие изменения:

3CaHPO₄ + 2OH^– + Ca²⁺⇄ Ca₄Н(PO₄)₃ + 2H₂O

Са₃(РО₄)₂× СаНРО₄

Ca₄H(PO₄)₃ + 2OH^– + Ca²⁺⇄ Ca₅(PO₄)₃ОН + Н₂О

Растворимость в ряду CaHPO₄®Ca₄H(PO₄)₃®Ca₅(PO₄)₃OH постоянно понижается, что и способствует образованию последнего соединения:

Са₃(РО₄)₂ = 2× 10^–29, Са₅(РО₄)₃ОН = 1, 6× 10^–58

Несомненно, процессы осаждения фосфатов кальция, лежащие в основе формирования костной ткани в организмах, намного сложнее.

В плазме крови концентрация ионов кальция составляет 0, 0025М, а фосфатов – 0, 001М. В плазме только половина кальция находится в ионизированном состоянии, другая половина связана с белками. Если учесть, что при рН 7, 4 только» 30% фосфатов находится в форме и 70% в форме , то легко можно вычислить, что произведение концентраций ионов Са²⁺ и в плазме крови практически совпадает с величиной (CaHPO₄). Иными словами, плазма крови представляет собой почти насыщенный раствор гидрофосфата кальция (CaHPO₄), который находится в динамическом равновесии с неорганическими составными частями костной ткани. Если произведение концентраций ионов Са²⁺ и в крови повышается, то происходит обызвествление, если оно понижается, то уменьшается содержание неорганических компонентов в костях.

Клетки костной ткани могут легко ускорять либо отложение либо растворение минеральных компонентов при локальных изменениях рН, концентрации ионов Са²⁺ или и комплексообразующих соединений. Так, при увеличении концентрации ионов Са²⁺ в плазме крови наблюдается сдвиг равновесия, приводящий к отложению кальция в костной ткани. Наоборот, снижение концентрации ионов Са²⁺ в плазме крови также вызывает сдвиг равновесия, но сопровождающийся уже растворением минеральных компонентов костной ткани. Например, при рахите из-за недостаточности всасывания ионов Са²⁺ из желудочно-кишечного тракта концентрация ионов Са²⁺ в плазме крови поддерживается постоянной за счет мобилизации (высвобождения) ионов Са²⁺ из неорганических компонентов костей.

Благодаря такому явлению, как изоморфизм, вместе с кальциевыми солями могут осаждаться в костной ткани соли и других катионов, близких по своим свойствам иону кальция: бериллия, стронция, бария.

Присутствие даже небольшого количества бериллия в окружающей среде приводит к заболеванию – бериллозу (бериллиевый рахит). Дело в том, что ионы Ве²⁺ вытесняют ионы Са²⁺ из костной ткани, вызывая ее размягчение.

Ионы стронция образуют нерастворимые соединения с теми же анионами, что и Са²⁺, термодинамические характеристики их очень близки. В природе существует феномен «дискриминации» стронция в пользу кальция: соотношение Ca/Sr в растениях в 2 раза больше, чем в почве, на которой они произрастают, но еще больше увеличивается (в 5-10 раз) в организме животных, потребляющих в пищу эти растения. Тем не менее, часть ионов Sr²⁺ включается в состав костной ткани. Избыток стронция вызывает ломкость костей (стронциевый рахит). Особую опасность представляет собой радионуклид стронций-90 (период полураспада 27, 7 года, чистый b – излучатель). Источниками стронция-90 являются радиоактивная пыль, питьевая вода, растительная и молочная пища. Оседая в костях, Sr⁹⁰ облучает костный мозг и нарушает костномозговое кроветворение.

В организме человека, помимо фосфатов, ионы Са²⁺ могут образовывать и другие малорастворимые соединения. При различных нарушениях обмена веществ могут локально повышаться концентрации некоторых ионов. Так, например, при повышении концентрации оксалат-ионов в организме могут образовываться отложения оксалата кальция, так называемые оксалатные камни. Они образуются в почках и мочевом пузыре и служат причиной мочекаменной болезни. Кроме оксалата кальция, в состав мочевых камней наиболее часто входят фосфат кальция и урат кальция (соль мочевой кислоты).

Основным принципом лечения мочекаменной болезни является извлечение из конкрементов (камней) кальция с переводом его в растворимые соединения. Наиболее принятым приемом такого извлечения является воздействие на камень тех или иных комплексообразователей, взаимодействующих с ионами двухвалентных металлов, входящими в состав камней. Примерами таких комплексообразователей являются этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА) и ее соли, а также лимонная кислота и ее соли.

Явление изоморфизма

Среди минералов нет химически чистых веществ. В их структуру входят различные химические примеси. В одних минералах количество примесей незначительно – это минералы постоянного состава, например, кварц, галит, в них количество примесей не превышает 0, 01 %.

Другие минералы содержат разные (от незначительных до больших) количества химических примесей. Так, в разных образцах сфалерита (ZnS) количество железа колеблется от 0 до 20 ат. % от суммы Zn и Fe. Такие минералы называются минералами переменного состава. Главная причина этого – явление изоморфизма.

Изоморфизмом называется явление замены в кристаллической решетке минерала одних химических элементов другими. Примером изоморфизма может служить случай изоморфизма магнезита MgCO₃ и сидерита FeCO₃. Эти минералы имеют кристаллы одинаковой формы. Между веществами MgCO₃ и сидерита FeCO₃ имеются все промежуточные по составу разновидности. Как говорят, они образуют между собой непрерывный ряд твердых (кристаллических) растворов. Записывают формулы таких минералов, объединяя элементы, изоморфно замещающие друг друга, скобками, между элементами ставится запятая: (Fe, Mg)CO₃. Если известны точные количественные соотношения этих элементов, то в формуле пишутся коэффициенты: (Mg_{0, 8}Fe_{0, 2})_{1, 0}CO₃ и т. д. Здесь сумма коэффициентов за скобками равна сумме коэффициентов внутри скобки: 0, 8+0, 2 = 1, 0.

При изоморфной замене одного атома другим существенного изменения кристаллической решетки не происходит. Поэтому для явления изоморфизма необходимы следующие условия:

1. Ионные радиусы изоморфно замещающихся элементов должны быть близки.

2. Близость химических свойств элементов, замещающих друг друга.

3. Сохранение электронейтральности кристаллической структуры минерала.

В паре магнезит – сидерит радиусы Mg²⁺(0, 078 нм) и Fe²⁺(0, 082), близки, химические свойства также сходны, оба двухвалентны, т.е. нейтральность кристаллической решетки сохраняется.