Комплекс теор орг та ФК хім1


МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ''Я
НІКОПОЛЬСЬКЕ МЕДИЧНЕ УЧИЛИЩЕ
МЕТОДИЧНА РОЗРОБКА ЛЕКЦІЇ
З дисципліни: Медична хімія. (Фізична і колоїдна хімія)
Спеціальності: Сестринська справа 5.12010102
Тема: Термодинамічні й кінетичні закономірності перебігу біохімічних процесів

Кількість навчальних годин -2
Актуальність теми:
Обмін речовин (метаболізм) у живому організмі нерозривно пов’язаний із супровідним процесом –обміном енергії. Обмін речовин та енергії –найхарактерніша ознака життя; з його припиненням зупиняється і життя.
Організми засвоюють речовини, що надходять до них з навколишнього середовища (головним чином з їжею), змінюють їх хімічний склад, синтезують нові сполуки, які витрачаються на створення і оновлення елементів тканин та акумулювання великих запасів хімічної енергії. Впродовж усього життя, одночасно з асиміляцією безперервно відбувається протилежний процес – дисиміляція, або катаболізм, який полягає у розкладанні складних хімічних сполук та виділенні енергії.
Під час старіння організму процеси дисиміляції починають домінувати і запас потенціальної енергії в організмі поступово зменшується.

Навчальна мета:
Знати:
Предмет хімічної термодинаміки. Основні поняття хімічної термодинаміки: термодинамічна система (ізольована, закрита, відкрита, гомогенна, гетерогенна), параметри стану (екстенсивні, інтенсивні), термодинамічний процес.
Перший закон термодинаміки. Ентальпія. Термохімічні рівняння. Стандартні теплоти утворення та згоряння. Закон Гесса.
Другий закон термодинаміки. Ентропія. Вільна енергія Гіббса. Критерії самочинного перебігу хімічних процесів.
Ознайомити з: Застосуванням основних положень термодинаміки до живих організмів. АТФ як джерело енергії для біохімічних реакцій. Макроергічні сполуки. Хімічною кінетика як основою для вивчення швидкостей та механізмом біохімічних реакцій. Швидкістю реакції. Залежністю швидкості реакції від концентрації. Законом дії мас і швидкістю реакції. Константою швидкості реакції. Поняттям про порядок і молекулярність реакції.
Залежністю швидкості реакції від температури. Правилом Вант-Гоффа.Енергією активації. Рівнянням Арреніуса. Поняттям про теорію перехідного стану (активованого комплексу).
Каталізом і каталізаторами. Особливістю дії каталізаторів. Гомогенним та гетерогенним каталізом. Кислотно-основнийм каталізом. Механізмом дії каталізаторів. Промоторами та каталітичними отрутами.
Ферментами як біологічними каталізаторами. Особливостями дії ферментів.
Виховна мета: Виховувати відповідальність, уважність, організованість, прагнення вдосконалювати свої знання, щоб вподальшому продуктивно засвоювати знання з клінічних дисциплін.
Методичне та матеріальне забезпечення: методична розробка заняття, інструкції для студентів, правила техніки безпеки.
План та організаційна структура заняття.

Основні етапи заняття та зміст
Навчальні цілі
Методи контролю навчання
Матеріали методичного забезпечення ( контроль, наглядності, інструкції)
Розподіл часу хвилин

І Підготовчий етап

1.
Організаційні засоби

Перевірка присутності та зовнішній вигляд студентів
Журнал
1

2.
Визначення навчальних цілей та мотивація


Методрозробка інструкцій для студентів
3-4

ІІ Основний етап

3.
а) план вивчення теми (на окремому листі)





4.
б) короткий конспект, тези нового матеріалу (прикладається)





ІІІ Заключний етап

5.
а) резюме лекції, загальні висновки






б) матеріали закріпити (прикладається)






в) відповіді на можливі питання






г) завдання для самопідготовки студентів (прикладаються)





Основна та додаткова література: Л. М. Миронович, О. О. Мардашко Медична хімія , Київ, «Каравела», 2008р.ст.57-88, А.С. Мороз, Д.Д. Луцевіч,
Л. П. Яворська Медична хімія, ПП «Нова книга»,2006 р. ст 371-385,.
В. П. Музиченко, Д.Д. Луцевіч, Л. П. Яворська Медична хімія, ВСВ «Медицина»,2010 р., ст.163-180
Викладач В.Г. Шевченко.


Тема . Кінетика біохімічних реакцій і каталіз

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ
Можливість перебігу тієї чи іншої реакції передбачає термодинаміка (
·G < 0). Однак далеко не завжди термодинамічно можливі реакції справді відбуваються. Наприклад, усі органічні речовини, згідно з принципами термодинаміки, повинні були б досить швидко окиснюватися молекулярним киснем повітря до вуглекислого газу та води, оскільки цей процес супроводжувався б значним зменшенням енергії Гіббса. Однак існування рослин, тварин, наявність покладів вугілля, нафти можливі тому, що реакція окиснення насправді відбувається дуже повільно.
Хімічна кінетика розглядає залежність швидкості хімічної реакції від будови молекул реагуючих речовин, їх концентрації, температури, властивостей середовища, наявності каталізатора, інших чинників, а також вивчає механізми хімічних реакцій.
Хімічна кінетика, як і термодинаміка, є теоретичною базою різноманітних біологічних і технологічних процесів, дає можливість пояснити механізми біохімічних реакцій в організмі та вдосконалити нові технологічні процеси. Велике значення має кінетика і для медицини. Дія різних лікарських речовин значною мірою залежить від швидкості реакцій, що відбуваються в організмі.
ВИХІДНІ ЗНАННЯ
Поняття про швидкість хімічної реакції.
Залежність швидкості реакції від концентрації та температури.
Вплив каталізаторів на швидкість хімічної реакції.
Біологічна роль ферментів.
Швидкість хімічної реакції
Загальним кінетичним критерієм реакційної здатності хімічної системи є швидкість реакції.
Швидкістю хімічної реакції (
·) називають зміну концентрації будь-якої речовини, яка бере участь у реакції, за одиницю часу t в одиниці об'єму V.
У хімічній кінетиці широко використовують графічний метод зображення швидкості реакції. Криву, що відображує зміну концентрації речовини в ході хімічного перетворення, називають кінетичною кривою.
Кінетична крива для вихідної речовини А, концентрація якої зменшується з часом, та кінетична крива продукту В, концентрація якого зростає, наведені на рис. 3.2.
Розглянемо докладніше зміну концентрації продукту В (рис. 3.3). Якщо в моменти часу t1 і t2 концентрації продукту дорівнюють С1 і С2, то середню швидкість в інтервалі часу t1 і t2 можна виразити так:


Якщо, наприклад, в інтервалі часу 5 хв концентрація продукту змінюється від 0,15 до 0,25 моль/л, то відповідна середня швидкість становитиме:



Щоб вираз для швидкості був завжди додатним, при зменшенні концентрації реагенту потрібно праву частину рівняння записувати з від'ємним знаком. Отже, у загальному випадку вираз швидкості має вигляд



Необхідною умовою можливості взаємодії між двома частинками (атомами, молекулами, йонами) є взаємне зіткнення, тому швидкість реакції залежить від числа зіткнень за одиницю часу. Число зіткнень збільшується пропорційно збільшенню числа частинок в одиниці об'єму. Тобто швидкість хімічної реакції залежить від концентрації реагуючих речовин. Ця залежність виражається законом дії мас К. Гульдберга ill. Вааге (1867) основним постулатом хімічної кінетики. Згідно з цим законом, швидкість хімічної реакції пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин:

де k константа швидкості реакції; С1 і С2 концентрації реагуючих речовин, моль/л;
·1 та
·2 стехіометричні коефіцієнти у рівнянні реакції.

Швидкість реакції не залежить від концентрації твердих речовин, оскільки, по-перше, поняття «концентрація» для твердих сполук не існує, а по-друге, реакція відбувається тільки на їхній поверхні.
Фізичний зміст константи швидкості k можна встановити, якщо вважати всі концентрації такими, що дорівнюють одиниці. Тоді
· = k. Константа швидкості хімічної реакції це швидкість реакції за умови, що концентрації реагуючих речовин, або їх добуток, дорівнюють одиниці. Іноді її називають питомою швидкістю реакції. Константа швидкості, як і швидкість, залежить від природи реагуючих речовин, температури, наявності каталізатора, але, на відміну від швидкості реакції, не залежить від концентрації.
Стосовно кінетики хімічні реакції поділяють за ознакою молекулярності та порядку реакції.
Поняття про молекулярність і порядок хімічної реакції
Молекулярність хімічної реакції визначається кількістю молекул, що беруть участь в елементарному хімічному акті. Молекулярність реакції завжди є цілим додатним числом: 1, 2, рідко 3. За цією ознакою розрізняють одно-, дво-, тримолекулярні реакції. Реакції вищої молекулярності на практиці не трапляються. Це пояснюється тим, що вірогідність одночасного зіткнення чотирьох і більшого числа молекул дуже мала.
До одномолекулярних реакцій типу А В або А В +С належать реакції розкладання, дисоціації та ізомеризації, наприклад:
СаСO3 СаО + СO2.
До двомолекулярних реакцій належать реакції, в яких елементарний акт відбувається при зіткненні двох однакових або різних молекул (А +В =С або 2А В):
Н2 + І22НІ.
Значно рідше трапляються тримолекулярні реакції (А +2В С або 3А В):
2NO + O2 2NO2.
Порядок реакції визначається сумою показників степенів, які стоять при концентраціях речовин, що входять у кінетичне рівняння швидкості хімічної реакції. Реакції можуть бути першого (кінетичне рівняння
· = kC, другого (кінетичне рівняння
· = kС2 або
· = kС1 С2), третього (
· = kC3 або
· = kС1С2С3), а також нульового порядку. Нульовий порядок спостерігається в гетерогенних реакціях або в тих випадках, коли одна з реагуючих речовин знаходиться у великому надлишку, тобто її концентрація практично не змінюється. У таких реакціях швидкість є сталою величиною і не залежить від концентрації вихідних речовин (
· = k).
Для складних реакцій молекулярність і порядок, як правило, не збігаються. Можна назвати дві причини незбігу порядку та молекулярності:
1) сталість концентрації одного з учасників реакції. Наприклад, у реакції гідролізу естеру (складного ефіру) концентрація води практично стала:
с2н5соосн3 + н2о с2н5соон + сн3он.
Реакція бімолекулярна, але першого порядку:
· = kСефіру.
Або реакція розкладання твердого кальцій карбонату:
СаСO3 СаО + СO2.
Реакція мономолекулярна, але нульового порядку:
· = k;
2) ступінчастий характер реакції. Наприклад, тримолекулярна реакція хлорування нітроген (II) оксиду 2NO + Сl2 2NOCl складається з двох стадій:
NO + C12NOC12;
NOCl2 + NO2NOCl.
Перша стадія відбувається швидко, утворюється нестійкий продукт NOCl2, друга стадія повільно, тому саме від неї залежатиме загальна швидкість хлорування Нітроген (II) оксиду. Сумарна швидкість реакції виражається рівнянням
Реакція тримолекулярна, але другого порядку.
Отже, якщо швидкості окремих реакцій значно різняться, то швидкість реакції загалом та її порядок визначаються швидкістю й порядком найповільнішої стадії (таку стадію називають лімітуючою).
З біохімічних до реакцій нульового порядку належать ферментативні процеси, в яких субстрат знаходиться в надлишковій кількості відносно ферменту.
До реакцій першого порядку, які відбуваються в живих організмах, можна віднести реакції гідролізу, кінцеві етапи ферментативних перетворень, ізомеризації та реакції взаємодії антигену з антитілом.
На практиці часто виникає потреба характеризувати перебіг тієї чи іншої хімічної реакції кінетичним рівнянням, що дає змогу розрахувати період напівперетворення t1/2. Період напівперетворення це момент зменшення початкової концентрації реагуючих речовин удвічі. Цей показник є важливим для контролю за вживанням лікарських препаратів. Від швидкості метаболізму лікарських речовин залежить доза, частота й тривалість їх приймання. Так, якщо препарат метаболізується швидко, то для досягнення терапевтичного ефекту необхідні великі дози або збільшення частоти приймання (це стосується пеніциліну, сульфаніламідів короткої та середньої дії). Якщо обмін уповільнений, слід діяти навпаки (це стосується сульфаніламідів тривалої дії, гормонів щитоподібної залози тощо).
Період напівперетворення для реакцій нульового порядку пропорційний початковій концентрації речовини і може бути розрахований за формулою

де С0 початкова концентрація (маса); k0 константа швидкості реакції нульового порядку, моль/(л·с).
Для реакцій першого порядку період напівперетворення не залежить від початкової концентрації реагуючих речовин. Якою б не була початкова концентрація, половина речовини прореагує за один і той самий час. Математичний вираз матиме вигляд

де k1 константа швидкості реакції першого порядку, с-1 .
Період напівперетворення для реакцій другого порядку обернено пропорційний початковій концентрації реагуючих речовин. Чим більша початкова концентрація, тим за менший час витратиться її половина. Формула для розрахунку періоду напівперетворення для реакції другого порядку має вигляд


де k2 константа швидкості реакції другого порядку, л/(моль·с).
Прості і складні реакції
Залежно від механізму перебігу всі хімічні реакції можна розподілити на прості та складні.
Прості, або елементарні, реакції це реакції, які відбуваються лише в одному напрямку, в одну стадію і відповідають стехіометричному рівнянню. Прикладом може бути реакція
Н2 + І2 2НІ.
Простих реакцій дуже мало.
Складними називають реакції, які відбуваються більше ніж в одну елементарну стадію і складаються з двох і більшого числа простих реакцій, пов'язаних між собою. У свою чергу, за механізмом перебігу складні реакції можна розподілити на кілька типів: послідовні, паралельні, спряжені, зворотні, ланцюгові, фотохімічні.
Послідовні реакції це реакції, що відбуваються в кілька стадій, причому продукт, що утворюється в попередній реакції, стає вихідною речовиною для наступної реакції. Схематично механізм таких реакцій можна подати так:

Прикладами послідовних реакцій у біохімічних процесах є: анаеробне окиснення глюкози в цитоплазмі клітини, аеробне окиснення глюкози в мітохондріях (цикл Кребса), гідроліз крохмалю:

Швидкість процесу визначатиметься швидкістю найповільнішої реакції (лімітуючої).
Паралельні реакції це реакції, в яких з одних і тих самих речовин (або речовини) залежно від умов можуть утворюватися різні продукти:

Наприклад, під час дегідратації спирту можуть утворюватися два продукти алкен та простий ефір (етер). Переважання утворення того чи іншого продукту в цьому випадку залежить від температури:


В організмі окиснення глюкози може відбуватися в процесі дихання (аеробний процес), продукти СO2 і Н2O; або в процесі гліколізу (анаеробний процес, що складається з 11 послідовних реакцій), продукт молочна кислота. Напрямок процесу визначається наявністю кисню в клітинах.
Спряжені реакції це дві реакції, одна з яких, що відбувається мимовільно, викликає (індукує) перебіг у тій самій системі другої реакції, тобто перебіг однієї реакції залежить від здійснення іншої. Для цих реакцій характерна така схема:
A+BD;
А+СЕ.
Ці дві реакції взаємопов'язані одна з одною перебіг другої реакції індукується першою. Перша реакція не відбуватиметься доти, доки в систему не буде введено речовину С, яку називають індуктором.
До спряжених реакцій, що відбуваються в живих організмах, можна віднести процеси окиснення органічних речовин (вуглеводів, ліпідів та ін.), під час яких вивільнюється енергія, яка відразу витрачається на синтез АТФ. Аденозинтрифосфатна кислота, що утворилася під час окиснення органічних сполук, знову витрачається (індукує) на інші процеси, наприклад біосинтез білка, нуклеїнових кислот тощо. Спряжені реакції відбуваються і в дихальних ланцюгах біологічних мембран мітохондрій.
Зворотними реакціями називають такі, за яких кінцеві продукти реакції, взаємодіючи між собою, утворюють вихідні речовини:

Переважання перебігу тієї чи іншої реакції (прямої чи зворотної) залежить від різниці між їх швидкостями. Якщо швидкість прямої реакції більша, то переважно відбувається пряма реакція, і навпаки.
Значна частина реакцій гідролізу належить саме до зворотних реакцій.
Ланцюгові це реакції, що відбуваються за участю вільних радикалів (залишків молекул, що містять неспарені електрони і внаслідок цього мають високу хімічну активність).
Для всіх ланцюгових реакцій характерні три стадії: перша зародження ланцюга, друга розвиток ланцюга і третя обрив ланцюга.
Прикладом ланцюгової реакції може бути взаємодія водню з хлором. Ініціюють реакцію кванти світла, які розбивають молекулу хлору на два радикали:

Радикали Хлору (вони ще називаються первинними активними центрами) вступають у реакцію з молекулами водню, розбиваючи їх. Тобто тепер з'явилися атоми Гідрогену з неспареними електронами (радикали), які бомбардують інші молекули хлору, утворюючи молекулу хлороводню і радикал Хлору.

Далі процес іде за ланцюгом. Ця стадія називається розвитком ланцюга. Отже, реакція між хлором та воднем здійснюється за допомогою двох активних центрів: атомів Хлору та Гідрогену.
Третя стадія обрив ланцюга. Причиною може стати взаємодія вільного радикалу з вільним радикалом або взаємодія їх зі сторонніми речовинами, наприклад з матеріалом посудини, в якій відбувається ця реакція:

Дія деяких токсичних речовин відбувається саме за ланцюговим механізмом і призводить до необоротних змін. У медицині використовують низку препаратів, які називають антиоксидантами. В основі дії антиоксидантів лежить їх здатність обривати розгалужене ланцюгове окиснення і тим самим перешкоджати окисним процесам.
Прикладом природного антиоксиданту може бути
·-токоферол (вітамін Е), однією з функцій якого є гальмування процесів утворення пероксидів ненасичених жирних кислот. Крім того, вітамін Е затримує окиснення вітаміну А і, можливо, деяких інших жиророзчинних вітамінів, зберігаючи їхні біологічні властивості. У цьому і виявляється його антиоксидантна дія.
Фотохімічні реакції це реакції, які відбуваються за участю світла. Ці реакції можна розглядати як окремий випадок ланцюгових реакцій, в яких джерелом енергії є енергія електромагнітних коливань різної частоти. Одним з прикладів фотохімічної реакції може бути процес фотосинтезу, який відбувається у хлоропластах рослин під цією світла:

Прикладом фотохімічної реакції, яка відбувається в організмі людини, може бути утворення вітамінів групи D: D3 холекальциферолу та D2 ергокальциферолу. Утворення цих вітамінів відбувається переважно в шкірі під дією сонячного або штучного ультрафіолетового світла. Нестача в організмі дітей вітамінів групи D призводить до послаблення процесів утворення кісткової тканини внаслідок порушення обміну Фосфору і Кальцію.
Вплив температури на швидкість реакції
З підвищенням температури зростає швидкість руху частинок і ймовірність їх зіткнення. Для оцінювання впливу температури на швидкість реакції використовують правило Вант-Гоффа, згідно з яким підвищення температури на 10 °С збільшує швидкість хімічної реакції у 24 рази:

де
·1 i
·2 початкова й кінцева швидкості; Т1 і Т2 початкова та кінцева температури;
· температурний коефіцієнт Вант-Гоффа. Його значення коливається від 2 до 4. Для біохімічних процесів його значення змінюється в межах від 7 до 10.
На відміну від хімічних процесів залежність швидкості біохімічних процесів від температури значно складніша, оскільки вони відбуваються у вузькому температурному інтервалі 050 °С. За межами цього інтервалу життєві процеси зупиняються і настає смерть. Розглядаючи температурну залежність життєвої кривої (рис. 3.4), можна встановити три температурні точки: температурний мінімум, оптимум та максимум.
У межах температури від мінімуму до оптимуму інтенсивність життєвого процесу зростає. Тут спостерігається приблизно така сама залежність, як і в звичайному хімічному процесі.
Температурний оптимум для тварин коливається у межах 3640 °С. Подальше підвищення температури призводить до різкого зниження процесу, і при досягненні максимальної температури організм гине, що пов'язано з денатурацією білків та інактивацією ферментів.
Далеко не кожне зіткнення призводить до хімічної взаємодії. Теорію активних зіткнень розробив С. Арреніус. Результативним є зіткнення між частинками, які мають деякий надлишок енергії порівняно із середньою енергією молекул у системі за певної температури.
Такі частинки називають активними. Надлишкову енергію, необхідну для подолання сил відштовхування (енергетичного бар'єра), що виникають між електронними оболонками реагуючих частинок, називають енергією активації. З іншого боку, енергія активації (Еа) Це енергія, необхідна для перетворення неактивних частинок на активні.
Енергія активації вимірюється в кілоджоулях на моль (кДж/моль).
Кожна хімічна реакція відбувається через утворення активованого комплексу, в якому старі хімічні зв'язки ще не розірвалися, а нові вже почали утворюватися. Розглянемо це на прикладі реакції
А+ВСАВ + С.
При наближенні атома А до молекули ВС послаблюється зв'язок ВС і виникає зв'язок АВ. Утворюється активований комплекс ABC*, коли атом В однаковою мірою належить вихідній молекулі ВС та молекулі АВ продукту реакції:
A+BCABC*AB+C
Активований комплекс не є молекулою або проміжною сполукою, оскільки реагуючі молекули в перехідному стані мають максимальну енергію і система нерівно-важна. Під час реакції змінюються відстані між АВ та ВС, що призводить до зміни енергії системи.
Розглянемо зміну енергії Е системи під час цієї реакції (рис. 3.5), де Е1 енергія системи до реакції (А + ВС), а E2 енергія системи (АВ + С), що утворилася внаслідок реакції.
Для переходу від Е1 до Е2 система має подолати енергетичний бар'єр, величина якого залежить від будови електронних оболонок частинок, що взаємодіють. Різниця між енергією активованого комплексу та сумою енергій вихідних речовин Е1 дорівнює енергії активації Еа1 прямої реакції. Відповідно Еа2 є енергією активації зворотної реакції. Різниця між цими величинами дорівнює тепловому ефекту реакції:



Енергія активації для більшості процесів перебуває в межах від 50 до 250 кДж/моль. Лише для реакцій за участю атомів та радикалів вона становить менш як 50 кДж/моль завдяки їхній високій реакційній здатності.
Залежність між константою швидкості реакції, енергією активації та температурою виражає рівняння Арреніуса:

де А частотний коефіцієнт, який враховує кількість ефективних зіткнень (стала Арреніуса); е основа натурального логарифма; Еа енергія активації; R універсальна газова стала; Т абсолютна температура.
Зменшити енергію активації можна різними шляхами: нагріванням, дією випромінювання, підвищенням тиску, а також за допомогою введення каталізаторів.

МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ''Я
НІКОПОЛЬСЬКЕ МЕДИЧНЕ УЧИЛИЩЕ
МЕТОДИЧНА РОЗРОБКА ЛЕКЦІЇ
З дисципліни: Медична хімія. (Фізична і колоїдна хімія)
Спеціальності: Сестринська справа 5.12010102
Тема: Електродні потенціали та електрорушійні сили, їх біологічна роль та застосування в медицині

Кількість навчальних годин -2
Актуальність теми:
Уявлення про окисно-відновні потенціали необхідні при вивченні окисно-відновних процесів в організмі.
Біологічне окиснення є основним джерелом енергії в організмі. Цей процес має багатоступінчастий характер і може відбуватися шляхом перенесення електронів або протонів. Більшість біохімічних окисно-відновних реакцій відбуваються за участю йонів гідрогену. Величина окисно-відновного біохімічного потенціалу дає змогу передбачити напрямок потоку електронів під час біологічного окиснення та розраховувати зміну енергії при перенесенні електронів.
Мембранні та дифузні потенціали виникають у клітинах рослинних та тваринних організів і призводять до утворення різних біопотенціалів та біострумів.
Як відомо, нервова клітина людини складається з тіла клітини та аксона. Клітина і аксон оточені мембраною, тому концентрація йонів усередені клітини відрізняється від концентрації цих самих йонів у зовнішньому середовищі. Різна концентрація йонів по обидві сторони мембрани нервової клітини призводить до встановлення мембранного потенціалу. Існує потенціл спокою та потенціал дії при збудження клітини (внаслідок раптового підвищення та падіння мембранного потенціалу). Потенціали дії створюють струм, тому два електроди, які прикріплені до різних ділянок тіла , реєструють різницю потенціалів. Це покладено в основу електрокардіографічних, електроенцефалографічних, електроміографічних методів діагностики.

Навчальна мета:
Знати:
Електродні потенціали та механізм їх виникнення. Рівняння Нернста. Стандартні електродні потенціали. Стандартний водневий електрод. Електроди першого і другого роду. Окисно-відновні електроди. Рівняння Петерса. Йонселективні електроди. Скляний електрод.
Ознайомити з: Електрохімічними (гальванічними) елементами та електрорушійними силами. Дифузійними та мембранними потенціалами, їх біологічним значенням. Біопотенціалами. Потенціометричними методами дослідження в медицині.
Виховна мета: Виховувати відповідальність, уважність, організованість, прагнення вдосконалювати свої знання, щоб в подальшому продуктивно засвоювати знання з клінічних дисциплін.

Методичне та матеріальне забезпечення: методична розробка заняття, інструкції для студентів, правила техніки безпеки.

План та організаційна структура заняття.

Основні етапи заняття та зміст
Навчальні цілі
Методи контролю навчання
Матеріали методичного забезпечення ( контроль, наглядності, інструкції)
Розподіл часу хвилин

І Підготовчий етап

1.
Організаційні засоби

Перевірка присутності та зовнішній вигляд студентів
Журнал
1

2.
Визначення навчальних цілей та мотивація


Методрозробка інструкцій для студентів
3-4

ІІ Основний етап

3.
а) план вивчення теми (на окремому листі)





4.
б) короткий конспект, тези нового матеріалу (прикладається)





ІІІ Заключний етап

5.
а) резюме лекції, загальні висновки






б) матеріали закріпити (прикладається)






в) відповіді на можливі питання






г) завдання для самопідготовки студентів (прикладаються)






Основна та додаткова література: Л. М. Миронович, О. О. Мардашко Медична хімія , Київ, «Каравела», 2008р.ст.89-98, А.С. Мороз, Д.Д. Луцевіч,
Л. П. Яворська Медична хімія, ПП «Нова книга»,2006 р., ст.505-540,
В. П. Музиченко, Д.Д. Луцевіч, Л. П. Яворська Медична хімія, ВСВ «Медицина»,2010 р., ст.208-213
Викладач В.Г. Шевченко.

Тема . Електродні потенціали і механізм їх виникнення

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ
Електродні процеси є окисно-відновними реакціями, що відбуваються на електродах. Вимірювання електродних потенціалів сприяє проведенню багатьох діагностичних визначень, таких як визначення рН біологічних рідин, концентрації продуктів обміну речовин у нормі та при патології, а також якості лікарських препаратів. Вивчення механізмів виникнення електродних потенціалів допоможе краще зрозуміти методи діагностики, що ґрунтуються на вимірюванні електродних потенціалів.
ВИХІДНІ ЗНАННЯ
Мінеральний склад живих організмів.
Електропровідність і опір різних біологічних тканин.
Вплив різних чинників на електропровідність.
Особливості будови атомів металів.
Будова і властивості металічної кристалічної ґратки.
Розділ хімії, в якому вивчають закономірності взаємного перетворення електричної та хімічної енергії, називають електрохімією. Такі перетворення здійснюються лише в електрохімічних системах, складовими яких є:
електроліт, що забезпечує проходження електричного струму (провідник другого роду) й містить речовини, здатні окиснюватися або відновлюватися на електродах;
два електроди, що забезпечують контакт з електролітом та обмін електронами з учасниками реакції;
зовнішній ланцюг (провідник першого роду) металічний провідник, що з'єднує електроди.
Електрохімічні реакції є окисно-відновними гетерогенними реакціями, що відбуваються на електродах, тобто на межі поділу двох фаз. Електроди бувають активними та інертними. Активними називають електроди, матеріал яких бере участь в електрохімічних перетвореннях. Внаслідок цього маса таких електродів з часом змінюється.
Інертні електроди в електродних перетвореннях участі не беруть. Вони слугують лише для створення контакту електроліту із зовнішнім ланцюгом.
Електролітами найчастіше можуть бути водні або неводні розчини однієї чи кількох речовин.
Електрохімічну систему, що виробляє електричну енергію завдяки хімічним перетворенням, називають хімічним джерелом струму. У цьому разі електрод, що посилає електрони у зовнішній ланцюг, називають негативним електродом анодом. Електрод, який приймає електрони із зовнішнього ланцюга, називають позитивним електродом катодом.
Електрохімічну систему, в якій за рахунок зовнішньої електричної енергії здійснюються хімічні перетворення, називають електролізером або електролітичною ванною. У такому разі електрод, що приймає електрони від учасників реакції, називають анодом. Електрод, який віддає електрони реагуючим речовинам, називають катодом.
У будь-якій електрохімічній системі на аноді відбувається окиснення, а на катоді відновлення.
Електродні потенціали
Відомо, що кристалічна ґратка металу складається з озитивно заряджених йонів Меn+та відносно вільних електронів («електронного газу»). Під час занурення мета левої пластинки у воду під дією полярних молекул води катіони металу гідратуються. Зв'язок їх із кристалічною ґраткою послаблюється, і деяка їх кількість відокремлюється від металу й переходить у воду. Металева пластинка внаслідок такого переходу набуває негативного заряду. Між катіонами металу, що перейшли у воду, та негативно зарядженою пластинкою встановлюється рухома окисно-відновна рівновага:
Me013 EMBED Equation.3 1415Men+ +ne-
Виникає подвійний електричний шар на зразок електричного конденсатора великої ємності. Обкладками конденсатора є, з одного боку, надлишкові негативні заряди на металі, а з іншого надлишкові катіони в розчині поблизу поверхні металу (рис. 3.15, а).



Різницю потенціалів, що виникає між металом та водним середовищем у стані рівноваги, називають рівноважним електродним потенціалом, або потенціалом електрода.
Під час занурення металу в розчин його солі також виникає подвійний електричний шар, але в цьому разі можливі два механізми його утворення. Якщо концентрація катіонів металу в розчині не досягає рівноважної або метал досить активний, то рівновага процесу окиснення металу зміщується праворуч, металева пластинка заряджається негативно (рис. 3.15,6). Якщо концентрація катіонів металу в розчині перевищує рівноважну або метал малоактивний, то рівновага зміщується ліворуч, металева пластинка заряджається позитивно (рис. 3.15, в).
Різниця потенціалів, що виникає між металом та рідкою фазою, також є електродним потенціалом (Е). Потенціал металу в розчині його солі записують як
Потенціалу приписують той знак, який виникає на металі в подвійному електричному шарі.
Електродний потенціал залежить від природи металу, концентрації його йонів у розчині, температури та рН середовища. Цю залежність виражають рівнянням НернстаПетерса:

де Е електродний потенціал металу, В; Е0 електродний потенціал за концентрації йонів металу, що дорівнює одиниці, В; R універсальна газова стала, яка дорівнює 8,314 Дж/(Кмоль); Ттемпература, К; п заряд йонаметалу;F стала Фарадея, яка дорівнює 96 500 Кл/моль; [Ox], [Red] концентрації окисненої та відновленої форм реагуючих речовин (для металічного електрода ; [Red] = const. Підставляючи у рівняння НернстаПетерса чисельні значення сталих величин і замінивши натуральний логарифм на десятковий, одержують спрощений вигляд рівняння при Т = 298 К:
Потенціал, який виміряно за стандартних умов
Т= 298 К) називають стандартним електродним потенціалом (Е°).
Абсолютне значення потенціалу окремого електрода виміряти неможливо, оскільки він реалізується в різних фазах. Можна виміряти тільки різницю потенціалів. Для цього потрібно потенціал одного з електродів умовно прийняти таким, що дорівнює нулю. Найчастіше з цією метою використовують стандартний водневий електрод (рис. 3.16), який складається з платинової пластинки, вкритої електролітично осадженою платиною (платиновою черню). Електрод занурений у водний розчин сульфатної кислоти з Сн+= 1моль/л та омивається струменем газоподібного водню під тиском 101,325 кПа. Молекули водню, що поглинаються пористою поверхнею платини, частково дисоціюють до атомів, тому на поверхні платини встановлюється рівновага:



Рівновага на межі електрода з розчином

Водневий електрод можна зобразити схемою 2H+|H2|Pt. На ньому відбувається реакція


Потенціал стандартного водневого електрода умовно приймають за нуль:

Якщо Сн+13 EMBED Equation.3 14150, то рівняння для електродного потенціалу водневого електрода має вигляд:

Систему, що складається з металу, зануреного в розчин своєї солі, називають гальванічним напівелементом. Для визначення електродного потенціалу металу водневий електрод з'єднують у гальванічний елемент з цим напівелементом, тобто металевою пластинкою, зануреною в 1 М розчин її солі.
Причиною виникнення електричного струму в гальванічному елементі є різниця електродних потенціалів катода й анода, яку називають електрорушійною силою гальванічного елемента (ЕРС) і вимірюють у вольтах:

де Ек, ЕА електродні потенціали катода й анода.
Електрорушійна сила гальванічного елемента (рис. 3.17) дорівнює різниці потенціалів електродів, з яких він складається. Оскільки потенціал водневого електрода дорівнює нулю, то величина стандартного електродного потенціалу металу дорівнює електрорушійній силі гальванічного елемента.

ЕРС, виміряна за температури 298 К, є значенням стандартного електродного потенціалу металу Е°.
Для визначення електродного потенціалу, наприклад, цинку складають гальванічний елемент з двох напівелементів: стандартного водневого та цинкового електрода в розчині його солі з концентрацією йонів Цинку 1 моль/л. У цьому разі гальванічний елемент записують так:


на водневому процес відновлення водню:
Під час роботи цього гальванічного елемента відбувається реакція
Електрони у зовнішньому ланцюзі рухаються від цинкового електрода до водневого. На цинковому електроді відбувається процес окиснення цинку:


Стандартний електродний потенціал цинкового електрода чисельно дорівнює ЕРС такого гальванічного елемента й становить 0,763 В.
Електрони у зовнішньому ланцюзі рухаються від водневого електрода до мідного. На водневому електроді окиснюється водень:

на мідному відновлюються катіони Купруму:

У гальванічному елементі відбувається реакція

Аналогічно вимірюють електродний потенціал міді. Мідну пластинку занурюють у розчин солі Купруму з концентрацією йонів Купруму 1 моль/л та з'єднують зі стандартним водневим електродом. Гальванічний елемент має вигляд


ЕРС цього елемента і, відповідно, стандартний електродний потенціал міді дорівнюють +0,337 В.
З наведених прикладів можна зробити висновок, що стандартні потенціали електродів, які посилають електрони до водневого електрода, мають знак «мінус», а електроди, що приймають електрони від водневого електрода, знак «плюс».
Більшість стандартних електродних потенціалів визначають експериментально. Однак для лужних і лужноземельних металів значення Е° обчислюють лише теоретично. Це пояснюється тим, що ці метали взаємодіють з водою.
Гальванічні елементи можна також складати з двох різних металів, занурених у розчини відповідних солей. Наприклад, мідно-цинковий гальванічний елемент складається з цинкової пластини, зануреної в розчин ZnSО4, та мідної в розчин CuSО4. Такий елемент називають елементом ДаніеляЯкобі. Під час роботи цього елемента, тобто при замкнутому ланцюзі, цинк окиснюється:

На мідному електроді відбувається відновлення йонів Купруму:

Електрони від негативно зарядженого анода (Zn) по зовнішньому ланцюгу переходять до позитивно зарядженого катода (Си). Сумарне рівняння має такий вигляд:

Схематичне зображення цього гальванічного елемента:


Ряд стандартних електродних потенціалів
Залежність електродного потенціалу від природи металу визначають величиною Е°. У зв'язку з цим усі метали розміщують у порядку зростання значень їх стандартних електродних потенціалів. Цей ряд називають рядом стандартних електродних потенціалів, або електрохімічним рядом напруг М.М. Бекетова. Значення стандартних електродних потенціалів наведено в табл. 3.1.


Стандартний електродний потенціал є мірою хімічної активності металу. Положення того чи іншого металу в ряді напруг характеризує відновну здатність металів та окисну здатність їхніх йонів у водних розчинах.
Чим менша алгебраїчна величина потенціалу, тим вища відновна здатність цього металу і нижча окисна здатність його йонів. З ряду стандартних електродних потенціалів видно, що найсильнішим відновником є металічний літій, а найслабшим золото.
Метали, розміщені у ряді напруг ліворуч від водню, витісняють його з води. Однак це не означає, що витіснення відбуватиметься в усіх випадках. Лужні та лужноземельні метали (до магнію) взаємодіють з водою на холоді, магній витісняє водень лише з гарячої води. Метали, розміщені між магнієм і кадмієм, зазвичай не витісняють водень із води. Це пояснюється захисною дією оксидних плівок, що утворюються на їхній поверхні. Метали, розміщені в ряді напруг праворуч від водню, не витісняють водень із води.
Усі метали, розміщені в ряді напруг лівіше від водню, витісняють його із розбавлених кислот, аніони яких не виявляють окисних властивостей.
Метали здатні витісняти один одного з розчинів солей. При цьому кожний метал витісняє всі наступні за ним у ряді напруг метали. Однак слід пам'ятати, що метали, розміщені в ряді напруг до магнію, витісняють водень не лише з води, а й з будь-якого розчину. Тому взаємне витіснення металів із розчинів їхніх солей відбувається лише у випадку металів, які розміщені в ряді напруг після магнію.
Зі стандартних електродних потенціалів випливає: чим більша різниця стандартних електродних потенціалів двох елементів, тим більша ЕРС утвореного з них гальванічного елемента.
Концентраційний гальванічний елемент
Концентраційним називають елемент, обидва електроди якого виготовлені з одного й того самого металу і занурені в розчини солі цього металу з різною концентрацією (С1 і С2). Прикладом такого елемента є мідний гальванічний елемент (рис. 3.18), схема якого така:


Рівновага Cu2+ + 2е- 13 EMBED Equation.3 1415Cu на поверхні двох електродів буде неоднаковою. На електроді з нижчою концентрацією електроліту відбуватиметься процес окиснення атомів металу:

Цей електрод має негативний заряд і слугує анодом. І навпаки, на електроді з вищою концентрацією електроліту відбуватиметься процес відновлення катіонів металу:


Цей електрод має позитивний заряд і слугує катодом.
Електрорушійну силу такого гальванічного елемента обчислюють за рівнянням



ЕРС тим вища, чим більше відрізняються між собою концентрації електролітів у розчинах. Концентраційний гальванічний елемент працює доти, доки концентрації електроліту біля анода і катода не зрівняються.
Аналогічні електродні процеси відбуваються в елементах, що складаються з двох цинкових, двох нікелевих, двох срібних, двох залізних електродів, занурених у розчини солей цих металів різної концентрації.
Потенціали окисно-відновних реакцій
Якщо занурити платину або інший інертний електрод (електрод, який не надсилає у розчин свої йони) у розчин електроліту, в якому знаходиться окиснена та відновлена форми даної речовини, то різниця потенціалів між інертним електродом та рідкою фазою є окислювально-відновним потенціалом системи, або редокс-потенціалом (від початкових складів слів reductio відновлення та oxydatio окиснення).
Його обчислюють за рівнянням НеонстаПетепса:

де Е окисно-відновний потенціал цієї системи, В; Е° стандартний окисно-відновний потенціал, В; [Ох] і [Red] концентрації окисненої і відновленої форм, моль/л; п кількість електронів, які віддає відновник або приймає окисник.
Якщо платиновий електрод занурити у розчин солі Феруму (III), то електродний процес виражають рівнянням

Для порівняння потенціалів системи приймають відношення
тоді Е = Е°.
При цьому в розчині водночас знаходяться окиснена Fe3+ та відновлена Fe2+ форми, їхні концентрації змінні величини. Окисно-відновний потенціал цієї системи дорівнює:




Величини окисно-відновних потенціалів вимірюють відносно стандартного водневого електрода.
Потенціал окисно-відновної системи, виміряний відносно стандартного водневого електрода за умови, що відношення концентрацій окисненої та відновленої форм дорівнює 1, називають стандартним електродним окисно-відновним потенціалом.
Таким, чином потенціал окисно-відновного електрода залежить від величини його стандартного потенціалу та від співвідношення концентрацій окисненої й відновленої форм речовини.
Стандартні електродні потенціали для багатьох окисно-відновних систем визначені експериментально (табличні дані).
Потенціометричне визначення рН
Суть потенціометричних методів аналізу полягає у вимірюванні електрорушійної сили відповідного гальванічного елемента. Цими методами визначають водневий показник середовища рН та концентрацію електролітів у розчині.
Потенціометричний метод визначення рН порівняно з індикаторним має низку переваг: високу точність вимірювання рН (0,020,05 одиниці), можливість визначення рН багатокомпонентних систем та забарвлених розчинів.
З розвитком електродної техніки цей метод усе ширше застосовують у біології, медицині та фармації. Оскільки він є неруйнівним, його можна застосовувати для вимірювання рН різних біологічних середовищ організму. Не менш важливе значення має рН-метрія для дослідження біохімічних, ферментативних та фізіологічних процесів in vitro.
Для визначення рН потрібно скласти гальванічний елемент з двох електродів: перший стандартний (електрод порівняння) зі сталим значенням електродного потенціалу; другий електрод визначення (індикаторний), потенціал якого залежить від концентрації (активності) йонів Гідрогену. Найбільшого поширення в потенціометричному вимірюванні рН як електрод порівняння набув хлоросрібний, а як індикаторний скляний електрод з водневою функцією.
Хлоросрібний електрод (рис. 3.19) складається зі срібної дротини з нанесеним на неї шаром аргентум хлориду 1 та розміщеної у розчині КСl 4, корпусу 2 і контакту 3. Цей електрод схематично записують так:

Потенціал хлоросрібного електрода в насиченому розчині КС1 дорівнює 0,222 В і є величиною сталою, тому цей електрод і використовують як електрод порівняння.
Скляний електрод (рис. 3.20) складається зі скляного корпусу 1, який має мембрану кулястої форми 3, виготовлену зі спеціального електродного скла.
Мембрану таких електродів виготовляють з натрієвого або літієвого скла. У корпусі електрода знаходиться розчин НС1 з певною концентрацією йонів Н+ 4, в який занурено допоміжний електрод 2, найчастіше хлоросрібний. Винятково висока селективність скляних електродів до йонів Гідрогену зумовлена хімічною природою скла.
На межі поділу скло розчин відбувається обмін йонами за схемою:




Потенціал скляного електрода залежить від активності йонів Гідрогену в розчині. Такі електроди називають скляними електродами з водневою функцією, їх використовують для потенціометричного визначення рН розчинів.
Величина стандартного потенціалу скляного електрода залежить від хімічного складу електродного скла й змінюється з часом, тому перед застосуванням їх калібрують за стандартними буферними розчинами.
Для вимірювання рН складають гальванічне коло зі скляного електрода з водневою функцією індикаторного) і хлоросрібного (електрода порівняння). Схема цього елемента має такий вигляд:

ЕРС такого елемента вимірюють спеціальними приладами потенціометрами, які дістали назву рН-метрів.
Потенціометричне титрування
Потенціометричне титрування застосовують для визначення концентрації розчинів сильних і слабких електролітів.
Основні переваги цього методу висока точність і чутливість, а також можливість проводити визначення більш розбавлених розчинів. Крім того, потенціометричне титрування дає змогу визначати концентрацію кількох речовин у розчині без їх попереднього розділення та проводити титрування каламутних і забарвлених розчинів.
Принцип методу полягає у визначенні точки еквівалентності за результатами вимірювання ЕРС. Поблизу точки еквівалентності відбувається різка зміна (стрибок) ЕРС гальванічного елемента або потенціалу індикаторного електрода.
Для визначення концентрації розчинів складають гальванічне коло (рис. 3.21) з індикаторного електрода та електрода порівняння.




Як зазначалося вище, як електрод порівняння найчастіше використовують хло-росрібний електрод Ag | AgCl, KC1.
За допомогою двох електродів складають гальванічний елемент, ЕРС якого контролюють у процесі титрування. Зміну електрорушійної сили під час титрування зображено на рис. 3.22, а.

Графік, зображений нарис. 3.22, а, називають інтегральною кривою потенціометричного титрування. Різка зміна електрорушійної сили, або стрибок ЕРС, що виникає внаслідок зміни потенціалу індикаторного електрода, відповідає точці еквівалентності (середина стрибка). Іноді на інтегральній кривій чітко визначити точку еквівалентності буває складно, оскільки на кривій титрування немає стрибка. У таких випадках використовують диференціальну потенціометричну криву, яку будують у координатах
·E/
·V-V (рис. 3.22, б), де
·Е зміна електрорушійної сили після добавляння кожного наступного об'єму титранту, а V об'єм добавленого титранту. Точці еквівалентності відповідає максимум на такій кривій титрування.
Якщо в розчині є кілька йонів, що вступають у взаємодію з титрантом, то за певних умов відбувається ступінчасте осадження або нейтралізація аналізованих речовин. На кривій титрування (рис. 3.23) у цьому разі спостерігатиметься кілька стрибків ЕРС, або максимумів, кожний з яких відповідатиме нейтралізації чи осадженню певного йона.

Як приклад можна розглянути визначення концентрації хлоридної кислоти в шлунковому соку методом потенціометричного титрування.
У посудину для титрування відмірюють піпеткою 10,0 мл профільтрованого шлункового соку, добавляють 50,0 мл дистильованої води і занурюють у цей розчин хлоросрібний і скляний електроди. За допомогою йонометра вимірюють величину ЕРС цього елемента. Розчин титрують 0,1 М розчином КОН порціями по 0,5 мл, вимірюючи після добавляння кожної порції титранту величину ЕРС. У процесі титрування ЕРС спочатку повільно зростає, потім спостерігається її різке збільшення (стрибок титрування), а далі ЕРС знову повільно збільшується. Титрування продовжують доти, доки різниця значень ЕРС між передостанньою і останньою порціями титранту не становитиме 25 мВ. За цими даними будують інтегральну та диференціальну криві титрування (рис. 3.24), знаходять точку еквівалентності та об'єм титранту і обчислюють концентрацію хлоридної кислоти.


У цьому випадку точці еквівалентності відповідає об'єм титранту 3,8 мл. Концентрацію кислоти обчислюють за формулою

Електрохімічні явища в біологічних системах
У боротьбі за існування живі організми добувають енергію з навколишнього середовища й перетворюють її на форму, доступну для всіх систем організму.
Цей процес має відбуватися в умовах збереження сталої температури всередині організму. За цих умов енергія хімічних реакцій перетворюється на електричну. Електрохімічні явища супроводжують більшість біологічних процесів: скорочення скелетних м'язів і серця, проведення нервового імпульсу тощо. Електрохімічні явища широко використовують для діагностики та лікування захворювань. Вивчення механізмів виникнення біопотенціалів і поширення біострумів, а також їх вплив на перебіг фізіологічних процесів в організмі людини одна з цікавих і малодосліджених галузей медицини.
Здатність відновника відщеплювати електрони характеризується величиною стандартного електродного потенціалу, подібно до того як здатність кислоти віддавати протони Гідрогену характеризується константою рівноваги К:
Донор електронів (відновник) Акцептор електронів (окисник)
Окисно-відновні потенціали мають велике значення для перебігу всіх процесів у живому організмі. В окисно-відновному гальванічному елементі енергія виникає в результаті розділення процесів окиснення й відновлення, що відбуваються на електродах. Якщо прибрати перегородку, окисник і відновник безпосередньо реагуватимуть між собою. У біологічних системах речовини, що мають різні значення потенціалів, роз'єднані в мітохондріях, що перешкоджає взаємодії між речовинами з різними потенціалами. Дихальний ланцюжок клітини, локалізований у мітохондріях, складається з низки ферментів, які за допомогою кисню «спалюють» водень (у форми відновленого коферменту НАДФН нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат) з продуктів харчування. Вивільнена при цьому енергія запасається у формі енергії фосфатних зв'язків АТФ. Електрони, що відщеплюються від атомів Гідрогену, переносяться від акцептора з меншим значенням потенціалу до акцептора з більшим значенням потенціалу, доки не досягнуть сполуки з максимальним значенням потенціалу. В умовах організму цією сполукою є кисень. Електронне рівняння має вигляд

У результаті окиснення киснем повітря різних продуктів виділяється багато теплоти. Так, при окисненні 1 моль глюкози виділяється 288 кДж, причому ця теплота вивільнюється в кілька стадій. Під час окиснення різних речовин у тканинах на шляху між речовиною, що окиснюється, й киснем вмикаються ферменти, які є ніби переносниками електронів:
Окиснювана речовина а бв г дO2.
Особливість побудови гальванічних елементів у природі полягає в тому, що речовини, які мають різко відмінні значення потенціалів, ніколи не стикаються один з одним, наприклад, кисень ніколи не зустрічається з воднем. Це дає змогу організму побудувати свої «електричні машини» у вигляді послідовно розміщених «гальванічних елементів». Локалізовані в мітохондріях компоненти цих «елементів» утворюють свого роду біохімічну батарею для синтезу й перетворення АТФ:

Таким чином, АТФ та АДФ (фосфорорганічні сполуки) відіграють роль акумуляторів енергії в організмі людини. Згоряння однієї молекули глюкози дає змогу «зарядити» 38 молекул АДФ, перевівши їх в АТФ. Коефіцієнт корисної дії такої біохімічної системи значний і становить 45 % (ККД парової машини, як відомо, не перевищує 20 %). Уперше ці перетворення були відкриті академіком В.О. Енгельгардтом у 1939 р. і дістали назву окисного фосфорилування, оскільки на різних етапах окиснення енергія фіксується в пірофосфатних зв'язках молекул аденозинтрифосфатної кислоти (АТФ). Механізм перетворення енергії АТФ під час руху організму полягає у взаємодії молекул АТФ зі спеціальним м'язовим білком міозином. У результаті цього молекула білка коротшає відбувається скорочення м'язів. Отже, рухаючи ногою, рукою або навіть ледь поворушивши пальцем, ми розряджаємо «акумулятори» наших м'язів молекули АТФ. Значну роль у скороченні м'язів відіграють йони Са2+. В умовах спокою м'яза йони Са2+ знаходяться всередині системи спеціальних каналів і трубочок (саркоплазматичний ретикулум) м'язових клітин. Під впливом нервового імпульсу йони Са2+ виходять у цитоплазму м'язової клітини й активують дії м'язових білків. При зникненні імпульсу йони Са2+ знов засмоктуються в систему каналів і трубочок.
АТФ, щоправда, у значно меншій кількості, можна отримати і без участі ланцюга дихання (тобто за відсутності кисню). Це може бути здійснено в клітині внаслідок розщеплення глюкози до піровиноградної кислоти, а потім завдяки ферментативному перетворенню останньої на молочну кислоту. Цей шлях від глюкози до молочної кислоти називають молочнокислим бродінням, або гліколізом. Він дає змогу вивільняти з глюкози енергію без використання кисню. Проте ККД такого перетворення низький. Під час гліколізу глюкози виділяється 22 кДж/моль енергії (2 моль АТФ), а під час дихання 288 кДж/моль (38 моль АТФ).
Механізм розвитку пухлинних клітин
У 1923 р. О. Варбург зазначив, що пухлинні клітини поглинають менше кисню й утворюють більше молочної кислоти, ніж нормальні. Подальші дослідження показали, що всі канцерогени порушують процеси дихання клітини внаслідок загибелі «дихаючих» мітохондрій. Таким чином, перехід до гліколізу є ніби способом виживання клітини з ушкодженим (тим чи іншим способом) диханням. Посилення гліколізу потребує багато часу (рак у деяких випадках розвивається роками) і лише тоді, коли гліколіз здатний цілком замінити дихання, нормальна клітина перетворюється на примітивну клітину (пухлинну), здатну тільки до поділу.
Незважаючи на те, що подальші дослідження показали, що клітини не всіх пухлин мають анаеробний (безкисневий) спосіб дихання, тобто порушення дихання це скоріше наслідок, а не причина утворення пухлини, теорія Варбурга спонукала до розроблення способів профілактики й терапії деяких пухлин. Так, при окремих формах раку гортані введення в їжу компонентів, що забезпечують роботу дихальних ферментів (коферменте нікотинамід і флавін, солі Феруму), дає можливість вилікувати ранні форми цього виду раку. Цікаво зазначити, що ракові клітини набагато чутливіші до «перекиснень» і перегрівань, ніж нормальні. У зв'язку з цим вважають, що ракові клітини можуть бути зруйновані анаеробними бактеріями.
МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ''Я
НІКОПОЛЬСЬКЕ МЕДИЧНЕ УЧИЛИЩЕ
МЕТОДИЧНА РОЗРОБКА ЛЕКЦІЇ
З дисципліни: Медична хімія. (Фізична і колоїдна хімія)
Спеціальності: Сестринська справа 5.12010102
Тема: Поверхневі явища. Адсорбція на межі поділу фаз.

Кількість навчальних годин -2
Актуальність теми:
У життєдіяльності організму поверхневі явища мають велике значення, бо життя людини починається з дихання, яке відбувається за участю кисню. Він вбирається альвеолами легень, далі кисень зв’язується гемоглобіном і переноситься еритроцитами. Структурну основу мембрани складають дифільні (амфіфільні) молекули ліпідів, найчстіше вони є у складі фосфоліпідів.Подвійний шар фосфоліпідів –основа замкнених структур (ліпосом) різних білків. Усередені подвійного шару фосфоліпідів знаходяться молекули білків, вони відіграють роль каталізатора хімічних реакцій, що відбуваються а мембранах, та рецепторів сигналів, за допомогою яких клітина взаємодіє з навколишнім середовищем та іншими клітинами.
Адсорбція має велике практичне значення. Її широко застосовують в медичній практиці для очищення організму від чужерідних речовин (отрут, токсинів, великих доз сильнодіючих лікарських препаратів), очищення питної води та стічних вод тощо.
Навчальна мета:
Знати:
Поверхневі явища та їх значення в біології й медицині. Поверхневий натяг рідин і розчинів. Ізотерма поверхневого натягу. Поверхнево-активні та поверхнево-неактивні речовини. Поверхнева активність. Правило ДюклоТраубе.
Адсорбція на межі поділу рідинагаз та рідинарідина. Рівняння Гіббса. Орієнтація молекул поверхнево-активних речовин у поверхневому шарі. Уявлення про структуру біологічних мембран. Адсорбція на межі поділу тверде тілогаз. Рівняння Ленгмюра. Адсорбція з розчину на поверхні твердого тіла. Фізична та хімічна адсорбція. Закономірності адсорбції розчинених речовин, пари та газів. Рівняння Фрейндліха.
Фізико-хімічні основи адсорбційної терапії (гемосорбція, плазмосорбція, лімфосорбція, ентеросорбція, аплікаційна терапія). Імуносорбенти.
Ознайомити з: Адсорбцєю електролітів: вибірковою та йонообмінною. Правило ПанетаФаянса. Йонообмінниками природними та синтетичними. Роллю адсорбції та йонного обміну в процесах життєдіяльності рослинних і тваринних організмів.
Хроматографією. Класифікацією хроматографічних методів аналізу за ознакою агрегатного стану фаз, технікою виконання та механізму розподілу. Застосуванням хроматографії в біології та медицині.
Виховна мета: Виховувати відповідальність, уважність, організованість, прагнення вдосконалювати свої знання, щоб в подальшому продуктивно засвоювати знання з клінічних дисциплін.
Методичне та матеріальне забезпечення: методична розробка заняття, інструкції для студентів, правила техніки безпеки.
План та організаційна структура заняття.

Основні етапи заняття та зміст
Навчальні цілі
Методи контролю навчання
Матеріали методичного забезпечення ( контроль, наглядності, інструкції)
Розподіл часу хвилин

І Підготовчий етап

1.
Організаційні засоби

Перевірка присутності та зовнішній вигляд студентів
Журнал
1

2.
Визначення навчальних цілей та мотивація


Методрозробка інструкцій для студентів
3-4

ІІ Основний етап

3.
а) план вивчення теми (на окремому листі)





4.
б) короткий конспект, тези нового матеріалу (прикладається)





ІІІ Заключний етап

5.
а) резюме лекції, загальні висновки






б) матеріали закріпити (прикладається)






в) відповіді на можливі питання






г) завдання для самопідготовки студентів (прикладаються)





Основна та додаткова література: Л. М. Миронович, О. О. Мардашко Медична хімія , Київ, «Каравела», 2008р.ст. 104-112,
А.С. Мороз, Д.Д. Луцевіч, Л. П. Яворська Медична хімія, ПП «Нова книга»,2006 р., ст.562-602,
В. П. Музиченко, Д.Д. Луцевіч, Л. П. Яворська Медична хімія, ВСВ «Медицина»,2010 р., ст. 240-263
Викладач В.Г. Шевченко.

Тема. Поверхневий натяг рідин. Адсорбція на межі поділу фаз.

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ
Велике значення поверхневих явищ для медицини визначається тим, що більшість лікарських форм є дисперсними системами з великою питомою поверхнею: порошки, таблетки, емульсії, суспензії, мазі тощо. У виробництві лікарських засобів важливу роль відіграють такі поверхневі явища, як адсорбція, змочування, адгезія. Питання стабілізації, зберігання, підвищення ефективності терапевтичної дії ліків нерозривно пов'язані з рівнем досліджень у галузі хімії поверхневих явищ.
ВИХІДНІ ЗНАННЯ
Типи хімічних зв'язків, міжмолекулярна взаємодія.
Теорія електролітичної дисоціації С. Арреніуса.
Поняття про адсорбцію.
Будова плазматичної мембрани клітини.
Поверхневі явища
До поверхневих явищ відносять ті ефекти та особливості властивостей речовин, що спостерігаються на поверхнях поділу фаз. Причиною поверхневих явищ є особливий стан молекул у шарах рідин і твердих тіл, що безпосередньо прилягають до поверхні поділу. Ці шари різко відрізняються за багатьма фізико-хімічними характеристиками (питома енергія, густина, в'язкість, електропровідність тощо) від властивостей фаз у глибині їх об'єму. Відмінність пов'язана з певною орієнтацією молекул у поверхневих шарах та іншим енергетичним станом порівняно з молекулами в об'ємі. Крім того, у багатокомпонентних системах (наприклад, розчинах) склад поверхневого шару не відповідає складу об'ємних фаз. Особливості поверхневих шарів зумовлені наявністю надлишку поверхневої енергії.
Поверхневий натяг
Тверді тіла й рідини мають поверхні поділу із сусідніми фазами (наприклад, повітрям).
Розглянемо дію міжмолекулярних сил на молекулу в глибині та на поверхні рідини на прикладі двофазної системи рідина повітря. Кожна молекула Л у внутрішніх шарах рідини зазнає однакової дії з боку інших молекул (рис. 3.25), що її оточують. Тому сили міжмолекулярної взаємодії врівноважені. Якщо ця молекула знаходиться в поверхневому шарі на межі з газом, то взаємодія цієї молекули з молекулами газу набагато менша, ніж з молекулами рідини, й молекула намагається втягнутися в середину рідини (в такому стані вона матиме меншу енергію). Це, у свою чергу, призводить до зменшення площі поверхні. Цим пояснюється кулеподібна форма крапель рідини, що перебувають у вільному стані в аерозолях, туманах, емульсіях.



Рис. 3.25. Міжмолекулярні сили, що діють на молекулу рідини в об'ємі та на поверхні

Отже, якщо молекули на поверхні поділу фаз мимовільно прагнуть втягнутися всередину, то зрозуміло, що зворотний процес переміщення молекули з об'єму на поверхню потребує витрати енергії, яка дорівнює роботі
·1 необхідної для переміщення однієї молекули, помноженій на число таких молекул п:

де Gs вільна поверхнева енергія.
Якщо поверхневу енергію віднести до одиниці поверхні, то отримаємо поверхневий натяг: ,.

де
· поверхневий натяг, Дж/м2 ; S площа поверхні, м2.
Поверхневий натяг це сила, що діє на поверхні й намагається скоротити вільну поверхню до найменших розмірів за певного об'єму.
Поверхневий натяг обчислюють, знаючи масу краплі рідини, що відірвалася від капіляра:
F = mg; S = 2
·r (площа круглого отвору капіляра), тоді
· = mg /2
·r.
Маса однієї краплі т = V
·/ п. Звідси отримаємо:

де V об’єм рідини;
· густина рідини; g прискорення вільного падіння; r радіус капіляра; n кількість крапель в об'ємі V.
Якщо дві рідини однакового об'єму по черзі пропускати крізь один капіляр, то


Для визначення поверхневого натягу крізь капіляр пропускають певний об'єм досліджуваної речовини й рахують краплі, що відриваються від капіляра. Потім пропускають крізь капіляр такий самий об'єм рідини з відомим поверхневим натягом, зазвичай воду. Знаючи число крапель п1і п2 в об'ємі V для двох рідин та їх густину, обчислюють поверхневий натяг досліджуваної речовини.
Поверхневий натяг розчинів, як правило, відрізняється від
· чистого розчинника. Залежність а розчину від концентрації розчиненої речовини за умови Т= const називають ізотермою поверхневого натягу. Для водних розчинів розрізняють три основних типи ізотерми поверхневого натягу (рис. 3.26). Верхня крива зображує залежність
· від концентрації розчинів сильних неорганічних електролітів (NaCl, CaCl2, Na2S04 тощо). Йони цих речовин добре гідратовані внаслідок того, що енергія взаємодії між молекулою води та йоном більша, ніж молекул води між собою
Внаслідок високої енергії гідратації йони інтенсивно втягуються в глибину розчину.
Речовини, розчинення яких зумовлює підвищення поверхневого натягу рідин, називають поверхнево-інактивними речовинами. Скорочено їх позначають ПІР.
Речовини, розчинення яких не впливає на поверхневий натяг рідин, називають поверхнево-неактивними речовинами (ПНР).
Речовини, розчинення яких зумовлює зниження поверхневого натягу рідин, називають поверхнево-активними речовинами (ПАР).
Здатність речовини змінювати поверхневий натяг рідин на межі поділу фаз називають поверхневою активністю.


Рис. 3.26. Ізотерми поверхневого натягу
До ПАР відносять органічні речовини з несиметричною будовою молекул, що складаються з полярних і неполярних груп. Полярні властивості мають такі групи, як СООН, ОН, NH2, N02, СНО та ін. Усі ці групи здатні до гідратації та є гідрофільними. Неполярною частиною молекул ПАР є гідрофобний карбоновий ланцюг або радикал. Молекули, що містять гідрофільне та гідрофобне угруповання, називають дифільними.


Завдяки дифільній будові ПАР їхні молекули мимовільно утворюють орієнтований моношар на поверхні поділу фаз (рис. 3.27). Полярні групи («голови») молекул розміщуються у водній, (полярній) фазі, а гідрофобні радикали («хвости») витісняються з водного середовища й переходять у менш полярну фазу, наприклад у повітря.
Причиною такої орієнтації є те, що енергія взаємодії молекул води між собою більша, ніж з гідрофобними частинами молекул

Зниження поверхневого натягу в розчинах ПАР зумовлене нерівномірним розподілом їхніх молекул між поверхневим шаром та глибиною розчину. Дифільні молекули ПАР накопичуються на межі поділу, їх концентрація у поверхневих шарах значно вища, ніж у глибині об'єму фаз.
Особливо велике практичне значення мають міцелоутворювальні ПАР (про те, що таке міцела, та її будову див. наступну тему), наприклад мила. їхні молекули містять великий гідрофобний радикал і сильнополярну групу. В розчинах таких сполук з підвищенням концентрації до деякої критичної величини, яку називають критичною концентрацією міцелоутворення (ККМ), можуть самочинно утворюватися міцели агрегати з орієнтованих молекул. Неполярні радикали об'єднуються один з одним і досягають мінімального контакту з водним середовищем.
Солюбілізація
Цікавою і важливою властивістю водних розчинів ПАР, в яких є міцели, є їх здатність розчиняти значні кількості не розчинних у воді вуглеводнів на зразок бензолу, різних олій, молекули яких занурюються всередину міцел. Процес розчинення в міцелярних системах не розчинних у чистих рідинах сполук називають солюбілізацією, або колоїдним розчиненням.
Значення міцелярних розчинів ПАР для біологічних систем визначається в основному здатністю міцел солюбілізувати різні речовини. Крім того, міцели розглядають як моделі біологічних мембран завдяки подібності деяких властивостей будови мембран та міцел. Міцели солей жовчних кислот відіграють важливу роль у транспортуванні та адсорбції ліпідів, є емульгаторами холесте-ролу, забезпечують виведення ліків з організму. Для фармації важлива можливість добування за допомогою міцел ПАР водорозчинних препаратів з нерозчинних у воді речовин, наприклад вітамінів А та Е. Наявність міцел ПАР змінює швидкість всмоктування лікарських засобів, зменшує концентрацію вільних ліків.
Адсорбція
Поглинання однією речовиною інших речовин називають сорбцією.
Якщо процес сорбції відбувається тільки на поверхні, то її називають адсорбцією, яка є зростанням концентрації речовини на межі поділу фаз. Якщо речовина, що поглинається, дифундує вглиб поглинача й розподіляється по об'єму, це явище називають абсорбцією.
На практиці досить складно провести чітку межу між адсорбцією та абсорбцією, тому обидва процеси об'єднують одним поняттям сорбція.
Велике практичне значення має адсорбція, тож далі розглядатимемо тільки цей вид сорбції.
Речовину, на поверхні якої відбувається адсорбція, називають адсорбентом, а речовину, що адсорбується, адсорбатом, або адсорбтивом.
Адсорбція може відбуватися на поверхні таких фаз: тверде тіло газ, тверде тіло рідина, рідина газ.
Адсорбцію Г виражають відношенням кількості адсорбату х, що припадає на одиницю площі поверхні адсорбенту S, у моль/м2:

Якщо адсорбентом є тверда пориста речовина, загальну поверхню якої визначити неможливо, то адсорбцію відносять до одиниці маси адсорбенту і виражають у моль/г:


Адсорбція на нерухомій межі поділу фаз
Тверді адсорбенти це природні та штучні матеріали з великою зовнішньою або внутрішньою поверхнею, на якій відбувається адсорбція газів або речовин з розчину. Непористі адсорбенти мають зовнішню поверхню, для пористих адсорбентів характерна внутрішня поверхня. Найважливішими характеристиками твердих адсорбентів є величина питомої поверхні Sпит (м2/кг) і характер розподілу пор за розмірами.
Величину адсорбції знаходять, визначивши концентрацію розчину до та після адсорбції:

де Г величина адсорбції, моль/г; х кількість адсорбованої речовини, моль; т маса адсорбенту, г; V об'єм розчину, з якого відбувається адсорбція, л; С0 початкова концентрація адсорбату, моль/л; Срівн рівноважна концентрація адсорбату, моль/л.
Ступінь адсорбції (h) це відношення кількості адсорбованої речовини до початкової кількості речовини:

Для визначення величини адсорбції на твердому адсорбенті часто використовують рівняння Ленгмюра:

де Г
· гранична адсорбція, моль/г; а константа, що дорівнює відношенню констант швидкості десорбції та адсорбції; вона чисельно збігається з рівноважною концентрацією, за якої Г= 1/2 Г
·.
Відповідно до рівняння графічна залежність адсорбції від концентрації при Т = = const має вигляд, зображений на рис. 3.28.

Аналіз ізотерми адсорбції Ленгмюра свідчить, що в ділянці малих концентрацій залежність адсорбції має лінійний характер.
Що стосується ділянки великих концентрацій, то адсорбція досягає граничного значення, що відповідає утворенню моношару з молекул, які адсорбуються на поверхні. Таким чином, зі збільшенням концентрації речовини величина адсорбції зростає не безперервно і наближається до граничної величини (відбувається «насичення» адсорбенту).
Гранична адсорбція є межею адсорбції, або граничною ємністю адсорбенту. Вона залежить від маси адсорбенту та розмірів молекул адсорбату. Очевидно, що чим більші молекули адсорбату, тим більшу площу поверхні адсорбенту вони займають і тим менша величина Г
· .
Адсорбція на рухомій межі поділу фаз
Поверхнево-активні речовини під час розчинення у воді накопичуються у поверхневому шарі, а поверхнево-інактивні речовини, навпаки, концентруються в об'ємі розчину. На поверхні виявляється та речовина, яка забезпечує найменший поверхневий натяг. У першому випадку це молекули ПАР, у другому молекули розчинника (води). Відбувається адсорбція.
У тих випадках, коли концентрація речовини в поверхневому шарі більша, ніж в об'ємі, Г>0 адсорбція позитивна. Це характерно для розчинів ПАР. У разі нестачі речовини в поверхневому шарі, Г < 0 адсорбція негативна, що спостерігається в розчинах ПІР. Практичне значення має тільки позитивна адсорбція, тому під терміном «адсорбція» мають на увазі саме цей випадок.
Простих і доступних методів прямого визначення надлишку розчиненої речовини на рухомій межі поділу фаз поки що не існує. Проте можна визначити поверхневий натяг рідини. Гіббс (1878) встановив залежність між поверхневим надлишком розчиненої речовини Г та зміною поверхневого натягу. Математичний вираз цієї залежності називають рівнянням Гіббса:

де Г величина адсорбції розчиненої речовини, яка виражається кількістю цієї речовини (моль), що припадає на одиницю площі поверхні адсорбенту, моль/м2; Сррівноважна концентрація розчиненої речовини, моль/л (у вузьких інтервалах вимірювань розраховують як середню величину Ѕ (C1 + С2);
·
· змінення поверхневого натягу
·
· =
·р-ну -
·розчинника;
·Сзміна концентрації розчину; R універсальна газова стала (8,314 Дж/(моль К)); Т температура, К.
Рівняння Гіббса дає змогу визначити величину поверхневого надлишку за зменшенням поверхневого натягу а, зумовленого зміною концентрації розчину.
Значення адсорбційних процесів для медицини
Розвиток цивілізації, насамперед зростання промислового виробництва, хімізація сільського господарства й побуту, інтенсивне використання горючих копалин призвели до появи в довкіллі величезної кількості токсичних для здоров'я людини речовин, таких, що не траплялися в попередні етапи еволюції. До внутрішнього середовища людини нині потрапляють десятки тисяч чужорідних сполук. Ось чому в останні десятиліття в медицині з'явився новий напрямок, що інтенсивно розвивається, а саме еферентна медицина (від лат. еференс виводити). На відміну від традиційних методів лікування, заснованих на введенні ліків до організму, еферентна медицина дає змогу за допомогою сорбентів виводити з нього шкідливі й токсичні речовини, отже, захищати внутрішнє середовище організму. Варто зазначити, що за допомогою методів еферентної медицини відбувається очищення не лише від токсичних речовин, що потрапляють із зовнішнього середовища, тобто токсинів екзогенного походження, а й токсинів ендогенного походженнятоксичних речовин, що утворюються і накопичуються в організмі, наприклад при опіках, променевій хворобі, нирковій та печінковій недостатності тощо.
Сучасна фармацевтична промисловість випускає адсорбенти в різних лікарських формах: гранулах, порошках, таблетках, пастах, гелях.
Залежно від основи їх поділяють на такі групи:
на основі активованого вугілля карболен, карболонг, ультрасорб, вугілля активоване;
на основі полівінілпіролідону ентеродез, ентеросорб;
на основі силіційорганічних речовин ентеросгель, полісорб;
на основі сполук Алюмінію та Магнію алмагель, гастал, фосфалюгель;
на основі медичної глини смекта, неосмектин;
похідні альгінової кислоти альгісорб;
аніонообмінні смоли колестирамін та колестипол.
Залежно від конкретних цілей сорбційна детоксикація організму здійснюється гемосорбцією, плазмосорбцією, лімфосорбцією, імуносорбцією, ентеросорбцією.
Ентеросорбція метод, що грунтується на зв'язуванні й виведенні з організму через травний канал токсинів, мікроорганізмів з лікувальною або профілактичною метою.
Історія методу налічує багато тисяч років. У Єгипті понад 3 тис. років тому використовували деревне вугілля для зовнішнього і внутрішнього застосування. Цілющі властивості ентеросорбентів відзначали лікарі Давньої Греції. На Русі ентеросорбцію відносили до народних методів лікування. За історичною версією призначення знахарем деревного вугілля продовжило після отруєння життя Александру Невському. Деревним вугіллям і порохом присипали рани, товчене вугілля призначали внутрішньо дітям і дорослим при діареях.
Нині метод ентеросорбції знаходить усе ширше застосування в медицині. Найбільший інтерес серед сорбентів становлять препарати на основі лігніну природного полімеру рослинного походження, продукту переробки деревини. Уперше лікарський препарат на основі лігніну був розроблений у 1943 р. у Німеччині. Аналогічна російська розробка з'явилася в 70-х роках XX ст.
Упродовж останніх десятиліть ученими було розроблено кілька видів ентеросорбентів. Це препарати на основі яблучних і цитрусових пектинів з додаванням різних рослинних екстрактів і корисних бактерій, що мають жовчогінну і загальнооздоровчу дію як на травний канал, так і на весь організм. Серед таких сорбентів можна назвати токсфайтер, поліфепан та ін. Бувають сорбенти й інших видів, на зразок полісорбу, силікагелю тощо.
Основним показником ефективності ентеросорбенту є його здатність створювати поглинальну поверхню. Найпростіші ентеросорбенти, наприклад активоване вугілля («Карболен»), утворюють поглинальну поверхню, що становить 200300 м2 на 1 г сорбенту. Є і сильніші сорбенти на основі гранульованого вугілля і вуглеволокнистих матеріалів. Вони мають поглинальну здатність у 1000 й більше квадратних метрів поверхні на грам.
Гемосорбція (грец. haima кров + лат. sorbereпоглинати) метод позаниркового очищення крові від токсичних речовин шляхом адсорбції отрути на поверхні сорбенту.
Для гемосорбції використовують сорбенти двох класів: неселективні, що поглинають з крові кілька речовин, і селективні, які поглинають речовини певної структури. До першої групи належать активовані вугілля, на поверхні яких збираються індоли, скатоли, гуанідинові основи, жирні кислоти, білірубін, органічні кислоти тощо. До селективних сорбентів відносять йонообмінні смоли, здатні видаляти з організму йони Калію, амонію, гаптоглобін, білірубін. Розроблено хемосорбенти вибіркової дії для видалення ліпопротеїдів, протеолітичних ферментів.
Під час гемосорбції кров у кількості 12 об'єми циркулюючої крові (зазвичай 69 л) за допомогою насоса пропускають крізь колонку, що містить сорбент (активоване вугілля, смоли та інші синтетичні речовини). На сорбенті адсорбуються токсини. Таким чином, відбувається так зване «очищення крові». Після гемосорбції кількість токсинів у крові зменшується і тому вони виходять з інших тканин печінки, легенів, мозку та ін. Там їх концентрація знижується майже вдвічі (зазвичай через 1224 год після процедури). Саме в цей період проводять другу гемоперфузію. Одну проводити взагалі немає сенсу отруйні речовини швидко відновлюють свою концентрацію, при цьому деяким пацієнтам потрібно від 2 до 6 сеансів гемосорбції, щоб досягти вираженого детоксикаційного ефекту.
Усе приладдя для гемосорбції випускається стерильним, готовим для негайного використання.
Основними показаннями для проведення гемосорбції є: екзогенні інтоксикації (алкогольна, наркотична, токсична та ін.); ендогенні інтоксикації (печінкова недостатність, ниркова недостатність, панкреатит, жовтяниці різного генезу та ін.); системні й аутоімунні захворювання (ревматоїдний артрит, бронхіальна астма, аутоімунний гепатит, аутоімунний тиреоїдит тощо); гострі отруєння снодійними медикаментами, хлор- і фосфорорганічними сполуками, алкалоїдами, саліцилатами, важкими металами, амітриптиліном; важкі генералізовані форми інфекційних захворювань (черевний тиф, вірусний гепатит, дифтерія та ін.); тяжкі ендотоксикози хірургічного і терапевтичного генезу; псоріаз, нейродерміт, екзема; харчові та лікарські алергії; маніакальні й депресивні стани при психічних захворюваннях.
Під час гемосорбції можливі ускладнення, зокрема зниження артеріального тиску, виражений озноб (пірогенна реакція), кровоточивість, повітряна емболія, емболія сорбентом.
Лімфосорбція один із способів очищення організму від токсичних речовин, що ґрунтується на видаленні їх із лімфи хворого пропусканням її крізь сорбційні фільтри (різні марки вуглів-сорбентів). За цим методом проводять дренаж грудної лімфатичної протоки, результатом якої є видалення маркерів початкової токсинемії і чинників вторинної токсичної агресії, які потрапляють у лімфу грудної лімфатичної протоки з місць запалень.
При цьому разом з лімфою видаляються токсичні метаболіти. Відновлення втрати лімфи, що досягає 5 л/добу, проводять шляхом внутрішньовенного введення відповідної кількості плазмо-замінних розчинів.
Недоліком методу є те, що разом з токсичними продуктами видаляються цінні для організму речовини: білки, жири, електроліти, ферменти, лімфоцити.
Основними показаннями до лімфосорбції вважають: гострі деструктивні процеси в черевній порожнині з ендогенною інтоксикацією у стадії аутоагресії і гомеостатичної неспроможності (тяжкий деструктивний панкреатит, розлитий гнійний перитоніт); печінкова недостатність з вираженим цитолізом гепатоцитів або значним холестазом; гнійно-деструктивні процеси в лівій легені та плеврі, середостінні; пероральні отруєння припікальними отрутами (оцтова есенція) з подальшим розвитком екзотоксичного шоку; сепсис із місцем запалення в черевній і плевральній порожнинах.
Плазмосорбція ґрунтується на здатності деяких токсичних речовин осідати на поверхні активованого вугілля або інших поверхнево-активних структур під час проходження плазми пацієнта через сорбційну колонку. Таким чином, очищена кров повертається хворому, а токсини, що спричинили патологічний процесс, залишаються у сорбційній колонці.
Плазмосорбція може бути неселективною (як сорбент використовують активоване вугілля), напівселективною (застосовують йонообмінні смоли) і селективною (застосовують імуносорбен-ти або афінні сорбенти). З метою активної детоксикації плазмосорбцію зрідка застосовують ізольовано, проте вона часто доповнює плазмафорез. Така комбінація, як плазмафорез + плазмосорбція, доцільна при патологічних станах, пов 'язаних з ендотоксикозом.
Основними показаннями до проведення плазмосорбції є тяжкі декомпенсовані стадії ендоток-сикозу різного генезу (після поранень, травм, термічних уражень, отруєнь, радіаційних уражень тощо); тяжкі генералізовані форми інфекційних захворювань; хронічні аутоімунні захворювання (бронхіальна астма, системні захворювання сполучної тканини, гематологічні захворювання та ін.); хронічний ендотоксикоз при захворюваннях печінки, нирок, легенів; незадоволення своїм зовнішнім виглядом (деякі види надмірної маси, стан шкіри).
Імуносорбція це зв 'язування й видалення з крові антитіл або антигенів за допомогою імуносорбентів. Реакція зв 'язування певних молекул ґрунтується на реакції антиген антитіло.
Цей метод є одним із найсучасніших і найперспективніших варіантів видалення з крові патологічних молекул. На противагу іншим методам, наприклад, екстракорпоральній гемокорекції, імуносорбція дає змогу не просто видаляти всю виділену з організму плазму, і навіть не всю групу молекул, що мають патогенні властивості, а тільки певний вид молекул, які «розпізнаються» і осідають у пристрої, заповненому специфічним імуносорбентом.
Сорбентом є зв'язані з носієм антитіла (антигени), здатні зв'язуватися з антигенами (антитілами), які циркулюють у крові. Через такий сорбент пропускають кров або плазму, у процесі чого і досягають ефекту очищення від конкретного патологічного агента.
В основному з успіхом застосовують два специфічних адсорбційних методи: метод видалення ліпопротеїнів низької щільності при спадкових формах гіперхолестеринемії (LDL-аферез) і сорбцію з використанням протеїну А при аутоімунних захворюваннях. Метод дає змогу зв'язувати антитіла та імунні комплекси і зумовлювати модифікацію імунної відповіді.

МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ''Я
НІКОПОЛЬСЬКЕ МЕДИЧНЕ УЧИЛИЩЕ
МЕТОДИЧНА РОЗРОБКА ЛЕКЦІЇ
З дисципліни: Медична хімія. (Фізична і колоїдна хімія)
Спеціальності: Сестринська справа 5.12010102
Тема: Фізикохімія дисперсних систем. Властивості розчинів біополімерів.
Кількість навчальних годин -2
Актуальність теми:
Дисперсні системи широко розповсюдженні, як у неживій так і у живій природі. Грунти, глини, пористі тіла, волокнисті матеріали, порошки, дими , тумани – все це об’єкти колоїдної хімії. Окрема клітина живого організму є гетерогенною колоїдною системою, утвореною високомолекулярними і низькомолекулярними сполуками.
Внаслідок своїх специфічних властивостей полімери, що утворюються під час біосинтезу в клітинах живих організмів (біоплімери) виконують слідуючі функції – каталізують біохімічні реакції (ферменти), регулюють реакції(гормони), зберігають та передають генетичну інформацію(ДНК), є резервними поживними речовинами (крохмаль, глікоген), відіграють захисну роль (антигенні полімери, цукри, камеді та слиз рослин), виконують структурну та опорну функції (колген, фіброїн, кератин).
Навчальна мета:
Знати: Організм як складна сукупність дисперсних систем. Класифікація дисперсних систем за ступенем дисперсності. Колоїдний стан. Ліофільні та ліофобні колоїдні системи. Будова колоїдних частинок.
Методи одержання та очищення колоїдних розчинів. Діаліз, електродіаліз, ультрафільтрація. Гемодіаліз та апарат “штучна нирка”.
Оптичні властивості колоїдних систем.
Електрокінетичні явища. Електрофорез. Застосування електрофорезу в медичних дослідженнях.
Ознайомитись з: Кінетичною (седиментаційною) та агрегативною стійкістю дисперсних систем. Коагуляцією. Коагуляцією під дією електролітів. Порогом коагуляції. Правилом ШульцеГарді. Колоїдним захистом. Мікрогетерогенними системами: аерозолями, емульсіями, суспензіями. Високомолекулярними сполуками (ВМС) основою живих організмів. Глобулярною та фібрилярною структурою білків. Порівняльною характеристикою розчинів високомолекулярних сполук, істинних та колоїдних розчинів.
Набряканням і розчиненням полімерів. Механізмом набрякання. Впливом рН середовища, температури та електролітів на набрякання. Ізоелектричним станом білка. Ізоелектричною точка (ІЕТ).
Роллю набрякання у фізіології організму.
Порушенням стійкості розчинів ВМС. Висолюванням, денатурацією, коацервацією.
Драглюванням розчинів ВМС. Властивостями драглів.
Аномальною в’язкістю розчинів ВМС. В’язкістю крові.
Виховна мета: Виховувати відповідальність, уважність, організованість, прагнення вдосконалювати свої знання, щоб в подальшому продуктивно засвоювати знання з клінічних дисциплін.
Методичне та матеріальне забезпечення: методична розробка заняття, інструкції для студентів, правила техніки безпеки.
План та організаційна структура заняття.

Основні етапи заняття та зміст
Навчальні цілі
Методи контролю навчання
Матеріали методичного забезпечення ( контроль, наглядності, інструкції)
Розподіл часу хвилин

І Підготовчий етап

1.
Організаційні засоби

Перевірка присутності та зовнішній вигляд студентів
Журнал
1

2.
Визначення навчальних цілей та мотивація


Методрозробка інструкцій для студентів
3-4

ІІ Основний етап

3.
а) план вивчення теми (на окремому листі)





4.
б) короткий конспект, тези нового матеріалу (прикладається)





ІІІ Заключний етап

5.
а) резюме лекції, загальні висновки






б) матеріали закріпити (прикладається)






в) відповіді на можливі питання






г) завдання для самопідготовки студентів (прикладаються)





Основна та додаткова література: Л. М. Миронович, О. О. Мардашко Медична хімія , Київ, «Каравела», 2008р.ст.104-147,
А.С. Мороз, Д.Д. Луцевіч, Л. П. Яворська Медична хімія, ПП «Нова книга»,2006 р., ст.603-675,
В. П. Музиченко, Д.Д. Луцевіч, Л. П. Яворська Медична хімія, ВСВ «Медицина»,2010 р., ст.264-314
Викладач В.Г. Шевченко.
Дисперсні системи широко розповсюдженні, як у неживій так і у живій природі. Грунти, глини, пористі тіла, волокнисті матеріали, порошки, дими , тумани – все це об’єкти колоїдної хімії. Найближче до біологічний об’єктів знаходяться системи, які включають рідке дисперсне середовище (воду) і дисперсну фазу (білки, полісахариди, ліпіди тощо). Окрема клітина живого організму є гетерогенною колоїдною системою, утвореною високомолекулярними і низькомолекулярними сполуками.
Тканина – це гетерогенна система вищого порядку, де дисперсною фазою є клітина, а диспергійним середовищем – оточуюча її рідина. Кров, протоплазма, м’язові та нервові клітини, біомембрани, волокна, гени, віруси – це колоїдні утворення. Колоїдно-хімічні процеси лежать в основі харчування, росту та розвитку рослинних та тваринних організмів, а також людини.
Знання властивостей і особливостей колоїдно – дисперсних систем є необхідною умовою розуміння дуже складних процесів життєдіяльності організмів. Особливого значення набуває розробка моделей клітин, живих мембран, нервових волокон, транспортування кисню тощо.
Дуже актуальною є проблема охорони довкілля. Очищеня та регенерація стічних промислових вод, вловлювання забруднювачів атмосфери, руйнування димів і смогів – усі ці процеси грунтуються на законах фізичної і колоїдної хімії.
Тема. Коагуляція колоїдних розчинів. Колоїдний захист

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ
Питання стійкості дисперсних систем посідають центральне місце в колоїдній хімії, оскільки основний клас колоїдних систем ліофобні колоїди термодинамічно нестабільні, схильні до коагуляції. Надання системам стійкості потребує спеціальних методів стабілізації. Лише за таких умов можливе отримання й використання багатьох цінних матеріалів, продуктів, зокрема лікарських препаратів, аерозольних засобів тощо.
ВИХІДНІ ЗНАННЯ
Поняття про розчини.
Класифікація розчинів за різними ознаками.
Теорія електролітичної дисоціації С. Арреніуса.
Теорія хімічних зв'язків.
Поняття про подвійний електричний шар.
Поняття про адсорбційні процеси.
Поняття про будову колоїдної частинки.
Будова і властивості біополімерів білків, вуглеводів, ліпідів, нуклеїнових кислот.
Коагуляція колоїдних систем
Під стійкістю дисперсної системи розуміють сталість її стану і основних властивостей: дисперсності, рівномірного розподілу частинок дисперсної фази в об'ємі дисперсійного середовища та характеру взаємодії між частинками.
Н.П. Пєсков (1920) ввів у науку поняття про два види стійкості дисперсних систем: седиментаційну (кінетичну) та агрегативну.
Седиментаційна (кінетична) стійкість системи сприяє збереженню рівномірного розподілу частинок в об'ємі, тобто протистоянню дії сил гравітації та процесам осідання або спливання частинок. Основними умовами цієї стійкості є високий ступінь дисперсності, що не дає змоги силам тяжіння перевищити прагнення частинок до рівномірного розподілу в дисперсійному середовищі внаслідок броунівського руху.
Седиментація є однією з причин руйнування дисперсної системи, тобто розшарування її на дві окремі фази: дисперсну фазу та дисперсійне середовище. Це явище можна спостерігати на прикладі емульсій або суспензій, оскільки вони належать до грубодисперсних систем, а вони седиментаційно нестійкі.
Агрегативна стійкість дисперсних систем це здатність протистояти агрегації (злипанню) частинок дисперсної фази.
Агрегативна стійкість дисперсних систем дуже різна. Одні системи можуть існувати лише впродовж секунд після їх утворення, інші довготривалі. Найбільш нестійкими за природою є ліофобні (гідрофобні) колоїдні системи, оскільки саме для них характерна слабка взаємодія між частинками дисперсної фази та дисперсійного середовища. Частинки таких систем легко злипаються, утворюючи агрегати більших розмірів.
Процес злипання колоїдних частинок з утворенням більших агрегатів та втратою агрегативної стійкості називають коагуляцією.
Для надання стабільності дисперсним системам необхідна наявність тих чи інших факторів стійкості.
Фактори агрегативної стійкості дисперсних систем поділяють на термодинамічні (електростатичний, адсорбційно-сольватний, ентропійний) та кінетичні, які зменшують швидкість агрегації частинок дисперсної фази (структурно-механічний, гідродинамічний).
Зазвичай агрегативна стійкість зумовлюється одночасною дією кількох факторів. При цьому основну роль відіграють два фактори агрегативної стійкості: електростатичний бар'єр, що створюється силами відштовхування, та адсорбційно-сольватний, зумовлений утворенням на поверхні частинок сольватних оболонок з молекул дисперсійного середовища (або гідратних оболонок з молекул води у випадку водних розчинів). Наявність цих оболонок перешкоджає механічному зближенню частинок між собою.
У процесі розвитку уявлень про стійкість і механізми коагуляції дисперсних систем було створено багато теорій, які намагалися розглянути ці процеси з різних позицій, але жодна з них не могла повною мірою пояснити всі експериментальні факти, що стосуються стійкості та коагуляції дисперсних систем.
Сучасна фізична теорія стійкості дисперсних систем була створена Б.В. Дерягіним, Л.Д. Ландау (1937), а пізніше, незалежно від них, голландськими фізико-хіміками Е. Фервеєм та Дж. Овербеком (1941). Відповідно до перших літер прізвищ авторів теорія має назву ДЛФО. Ця теорія ґрунтується на зіставленні міжмолекулярної взаємодії частинок дисперсної фази у дисперсійному середовищі та електростатичної взаємодії дифузних йонних шарів з урахуванням теплового (броунівського) руху частинок дисперсної фази.
Згідно з теорією ДЛФО, стан системи залежить від балансу енергії притягання та енергії відштовхування. Якщо переважає енергія відштовхування, то система агре-гаційно стійка, а якщо енергія притягання система втрачає агрегаційну стійкість і відбувається коагуляція.
Якщо частинки золю мають високий електричний потенціал, а дифузний шар достатню товщину, то під час перекривання подвійних електричних шарів двох частинок енергія електростатичного відштовхування переважатиме над енергією міжмолекулярного притягання. Виникає енергетичний бар'єр, що перешкоджає злипанню частинок (рис. 3.41, б). Частинки, які наблизилися одна до одної, знову віддаляються і система є агрегативно стійкою. Стискання (зменшення товщини) дифузного шару, наприклад під час добавляння електролітів, призводить до того, що відстань між частинками стає дуже малою. На такій відстані енергія притягання значна і переважає над енергією відштовхування (рис. 3.41, а). За таких умов енергетичний бар'єр істотно знижується і система стає агрегативно нестійкою, тому відбувається процес коагуляції.

Коагуляція колоїдних розчинів може бути зумовлена різними чинниками: добавлянням електролітів, нагріванням або заморожуванням, механічними діями (інтенсивним струшуванням, перемішуванням).
Найважливішим та найбільш дослідженим чинником коагуляції є дія електролітів. Електроліти, добавлені до золів, дуже швидко і різко впливають на товщину подвійного електричного шару й на
·-потенціал, що є одним із основних чинників стійкості гідрофобних колоїдних систем.
Під час вивчення впливу електролітів на процес коагуляції було встановлено низку закономірностей, які відомі під назвою правші коагуляції.
1. Коагулювальну дію виявляють не всі йони електроліту, а тільки ті, що мають заряд, протилежний знаку заряду колоїдної частинки, причому коагулювальна здатність йонів виражається тим сильніше, чим вищий їх заряд. Цю закономірність називають правилом значності, або правилом ШульцеГарді.
2. У ряду йонів з однаковим зарядом їх коагулювальна активність зростає зі зменшенням гідратації. Йони лужних металів за їх коагулювальною здатністю розміщуються в ряд:

Аніони також утворюють аналогічні ряди, але різниця в їх коагулювальній здатності незначна:


Ці ряди називають ліотропними рядами.

3. Електроліти спричинюють коагуляцію при досягненні ними певної концентрації. Мінімальна молярна концентрація еквівалента електроліту, що зумовлює коагуляцію,
Називають порогом коагуляції


Поріг коагуляції розраховують за формулою:


де 13 EMBED Equation.3 1415 поріг коагуляції, моль/л (іноді виражається в мілімолях на літр (ммоль/л));
13 EMBED Equation.3 1415 молярна концентрація еквівалента електроліту, моль/л; V золю об'єм золю, л;
Vул-ту об'єм добавленого електроліту, л.

4. У ряду органічних йонів коагулювальна дія зростає з підвищенням адсорбційної здатності.
Ліофобні колоїди характеризуються нестійкістю та здатністю до зменшення дисперсності з часом. Самочинний процес укрупнення частинок у ліофобних золях називають старінням, або автокоагуляцією. Причиною старіння є повільний процес перекристалізації ядра міцели та змінення дзета-потенціалу.
Колоїдний захист
Основна причина стійкості дисперсних систем пов'язана з процесом сольватації (гідратації). Оболонка з гідратованих протиіонів дифузного шару навколо колоїдної частинки захищає її від злипання. Чим товщий дифузний шар, тим стабільніший відповідний гідрозоль.
Стійкість ліофобних золів до коагуляції зростає за наявності високомолекулярних сполук білків, полісахаридів тощо.
Здатність захищати золі від коагуляції кількісно виражають захисним числом, яке дорівнює кількості міліграмів сухої ВМС, що захищає 10 мл золю від коагуляції при приливанні до нього 1 мл 10 % розчину NaCl. Очевидно, що чим більше значення захисного числа, тим слабша захисна дія цієї ВМС. Найбільшу захисну дію мають білки: желатин, казеїн (захисні числа становлять 0,010,1). Найслабшу крохмаль, декстрини (захисні числа 2045).
Механізм захисної дії ВМС можна пояснити тим, що їх макромолекули адсорбуються на поверхні колоїдних частинок, створюючи адсорбційні сольватні шари, які підвищують їхню гідрофільність.

Проблеми колоїдного захисту і коагуляції в біології та медицині
У біологічних системах є механізми, що забезпечують в одних випадках стабілізацію колоїдних та грубодисперсних систем, а в інших навпаки, призводять до коагуляції. Коагуляція може бути проявом захисних реакцій організму, а іноді супроводжувати патологічні стани.
У живих організмах роль стабілізаторів (захисних речовин) виконують білки, пектини, полісахариди. Наприклад, малорозчинні карбонат і ортофосфат кальцію містяться у біологічних рідинах у певних концентраціях і не утворюють осадів завдяки дії білкових молекулам, що є у крові. Цікаво, що білки плазми крові підвищують розчинність кальцій карбонату майже в п'ять разів, що уможливлює існування солі в захищеному стані. Саме білки крові, адсорбуючись на поверхні крапель ліпідів, холестеролу перешкоджають їх відкладанню на стінках судин.
Якщо захисна дія білків знижується внаслідок патологічних станів, старіння організму, починають переважати процеси коагуляції. Утворення камінців у нирках пов'язано з недостатньою захисною дією муцинів слизових оболонок сечовивідних шляхів та ще деяких речовин. Сечова кислота, її солі, оксалати та інші речовини після втрати захисних оболонок переходять у важкорозчинні сполуки, які й відкладаються у вигляді камінців відбувається процес коагуляції.
Такі хвороби, як атеросклероз (відкладання на стінках кровоносних судин холестеролу та інших жироподібних речовин), кальциноз, подагра (відкладання у тканинах сечової кислоти та її солей), відкладання солей у суглобах, утворення камінців у жовчних протоках, нирках безпосередньо пов'язані зі зниженням захисних властивостей білків та процесами коагуляції.
Кров, як і інші біологічні рідини, такі як слина, лімфа, спинномозкова рідина, є дисперсною системою. Дисперсна фаза її представлена форменними елементами: лейкоцитами, еритроцитами, тромбоцитами та ін., а дисперсійне середовище плазмою. Тому в ній також є механізми, що стабілізують її як дисперсну систему. На поверхні еритроцитів постійно адсорбуються йони, які створюють захисний шар, що перешкоджає коагуляції. Однак при деяких патологічних станах, що спостерігаються в організмі, ці йони можуть заміщуватися великими молекулами білків (наприклад, імуноглобулінами, які утворюються під час запальних процесів). Сумарний заряд макромолекул білків стає меншим за сумарний заряд, створюваний йонами електроліту, і еритроцити швидко склеюються й осідають. Здатність еритроцитів осідати під дією сили гравітації (седиментація) з певною швидкістю використовують з метою діагностики у клінічних аналізах. За значенням ШОЕ (швидкість осідання еритроцитів) діагностують наявність в організмі запальних процесів. У здорової людини ШОЕ має певні стандартні значення, а під час запальних процесів вона збільшується. Визначення ШОЕ є обов'язковим показником загального аналізу крові.
Згортання крові ще один приклад процесів коагуляції в організмі людини і тварин. З одного боку, його можна розглядати як захисний механізм, що запобігає значним крововтратам при порушенні цілості кровоносних судин, а з іншого, цей процес призводить до утворення тромбів, які, відриваючись, закупорюють судини і можуть стати причиною смерті організму. В клінічних лабораторіях проводять спеціальні аналізи коагулографію, за допомогою якої встановлюють здатність крові до згортання. Коагулографію обов'язково проводять перед хірургічним втручанням, оскільки під час операції у кров пацієнта вводять антикоагулянти (найчастіше гепарин), а після операції коагулянти для зменшення крововтрат.
Процеси консервування крові, яке здійснюють на станціях переливання крові, потребують видалення з неї йонів Са2+ одного з факторів її згортання. їх можна видалити різними методами, але найчастіше це роблять, добавляючи натрію цитрат (натрієва сіль лимонної кислоти). Цитрат-іони осаджують Са2+ з крові, тим самим запобігаючи її коагуляції.
Знання про механізми колоїдного захисту дисперсних систем широко використовують також при виготовленні ліків. Для ефективної дії лікарських препаратів на організм людини їх слід вводити в організм у стані, наближеному до того, в якому вони знаходяться в організмі, а саме у високодисперсному. Тому в медицині одним із методів застосування лікарських препаратів є введення їх у колоїдному стані.
Принцип колоїдного захисту використовують при приготуванні препарату коларголу, що є комплексною сполукою Ag з білком. Цей препарат має бактерицидну дію і використовується для промивання сечогінних шляхів, в очній практиці та дерматології як в'яжучий і антисептичний засіб. Частинки коларголу так добре захищені білковою оболонкою, що не коагулюють навіть при висушуванні.
Сучасна хімічна наука, фармацевтична промисловість, медицина працюють у напрямі створення речовин, матеріалів, фармацевтичних препаратів, які мають стабілізувальну дію на дисперсні системи, що використовуються в медицині, і уповільнюють або гальмують процеси коагуляції.
Характеристика окремих класів дисперсних систем
Поверхнево-активні речовини. Найцінніші в практичному відношенні властивості ПАР зумовлені їх дифільністю наявністю гідрофільної та гідрофобної частин. ПАР класифікують за різними ознаками. Так, існують водорозчинні та жиророзчинні ПАР. За здатністю молекул дисоціювати на йони ПАР поділяють на йоногенні та неіоногенні. Йоногенні ПАР можуть бути катіоноактивними, аніоноактивними та амфотерними.
Аніоноактивні ПАРце солі жирних кислот і лужних металів (мила) RCOOMe, алкілсульфати та їхні солі ROSO3Me, алкілсульфонати RSO3Me, де R вуглеводневий радикал типу СnН2n+1 з числом атомів С10С20, a Me йони Na+, K+, NH4+. У цих ПАР поверхнево-активні йони заряджені негативно.
Катіоноактивні ПАРсолі амінів [RN+H3]Cl-, [RN+(CH3)3]Cl-. Поверхнево-активні йони таких речовин заряджені позитивно.
Амфотерні ПАР амінокислоти. Залежно від рН розчину ці речовини можуть виявляти аніоноактивні (у лужному середовищі) або катіоноактивні (у кислому середовищі) властивості.
Неіоногенні ПАР це речовини, молекули яких не дисоціюють на йони.
Поверхнево-активні речовини відіграють важливу роль у виробництві м'яких лікарських форм як стабілізатори. З аніоноактивних ПАР у фармації використовують мила. Вони є стабілізаторами мазей та кремів. Катіоноактивні ПАР солі амонієвих, сульфонієвих та фосфонієвих основ використовують у медицині як бактерицидні та дезінфекційні засоби. На особливу увагу заслуговують гліколіпіди (складні ефіри сахарози та вищих жирних кислот). Вони не подразнюють слизові оболонки, не спричинюють печіння очей, їх використовують у зубних пастах, шампунях, милах, мийних засобах. Деякі гліколіпіди використовують для утворення кишковорозчинних покриттів на таблетках з метою захисту їх від дії шлункового соку.
Мікрогетерогенні системи. Дисперсні системи більш грубої дисперсності, ніж золі, відносять до мікрогетерогенних систем. Розмір частинок у таких системах становить від 10-7 до 10-4 м. До них належать системи з газоподібним дисперсійним середовищем (аерозолі, порошки) та рідким середовищем (суспензії, емульсії, піни).
Аерозолями називають дисперсні системи з газоподібним дисперсійним середовищем та дисперсною фазою, що складається з твердих або рідких частинок.
За агрегатним станом частинок аерозолі поділяють на тумани (дисперсна фаза складається з крапель рідини), дими (аерозолі з твердою дисперсною фазою), пил (частинки твердої дисперсної фази за розміром більші, ніж у димі). Можливі системи змішаного типу, коли на твердих частинках конденсується волога. Так виникає смог туман, утворений на частинках диму.
Утворення аерозолів у вигляді пилу, димів, туманів небажане й шкідливе для живих організмів. Боротьбу з димами та промисловим пилом ведуть за допомогою промислових фільтрів.
Практичне значення аерозолів досить велике. Дуже широко використовують аерозолі пестицидів під час оприскування лісів і полів для боротьби зі шкідливими комахами. За допомогою аерозолів (дим вогнищ) захищають фруктові сади від раптових заморозків.
Аерозолі широко використовують і в медицині. Стерильні аерозолі в спеціальних балонах застосовують для стерилізації операційного поля, ран, опіків; інгаляційні аерозолі, що містять лікарські речовини, використовують для лікування дихальних шляхів. Аерозолі використовують замість перев'язних матеріалів; у вигляді клею їх застосовують у хірургічній практиці для склеювання ран, шкіри, судин тощо.
Порошки є дисперсними системами з газоподібним дисперсійним середовищем та твердою дисперсною фазою, що складається з частинок розміром від 10-8 до 10-4 м. Порошки характеризуються такими властивостями, як здатність до злипання, змочуваність, сипкість, гігроскопічність.
Під здатністю до злипання мають на увазі здатність частинок порошку утворювати агрегати.
Сипкість це рухливість частинок порошку одна відносно одної та здатність переміщуватися під дією зовнішньої сили. Сипкість залежить від розміру частинок, вологості та ступеня ущільнення.
Гігроскопічність і здатність до змочування це здатність порошку поглинати вологу з навколишнього середовища. Поглинання вологи призводить до зміни багатьох властивостей порошків. Тому до складу порошків додають лактозу, що характеризується відсутністю гігроскопічності.
Важливою властивістю порошків є також здатність до гранулювання. Гранульовані продукти менше розпилюються та злежуються, вони стійкіші під час зберігання, зручні у розфасуванні та дозуванні. Гранули є однією з лікарських форм, проміжним продуктом, з якого пресуванням виготовляють таблетки. Номенклатура ліків, що випускаються у вигляді порошків, гранул і таблеток, становить до 80 % готових лікарських засобів.
Суспензії це мікрогетерогенні системи з рідким дисперсійним середовищем та твердою дисперсною фазою. Розмір частинок дисперсної фази вищий, ніж у колоїдних системах, тобто становить 10-б10-4 м. Седиментаційна стійкість суспензій дуже мала через великі розміри частинок. У суспензіях тверді частинки можуть перебувати у завислому стані дуже короткий час і осідають під дією сили гравітації.
Підвищення концентрації дисперсної фази до гранично можливої величини в агрегативно стійких суспензіях призводить до утворення висококонцентрованих суспензій, які називають пастами. Як і суспензії, пасти стійкі тільки за наявності сильних стабілізаторів, коли частинки дисперсної фази в них добре сольватовані й розділені тонкими плівками рідини, які й виконують функцію дисперсійного середовища. Внаслідок малої відсоткової частки дисперсійного середовища в пастах уся рідина зв'язана в сольватних плівках. Відсутність вільної рідкої фази надає таким системам високої в'язкості.
Емульсії це дисперсні системи, в яких дисперсійне середовище та дисперсна фаза є рідинами, що не змішуються або обмежено змішуються між собою. Рідина, що є дисперсною фазою, перебуває в диспергованому стані у вигляді дрібних крапель. Найчастіше емульсії утворюються з води та іншої рідини (це можуть бути органічні речовини: бензен, бензин, жир тощо), яку позначають як «масло».
За природою рідини дисперсної фази та дисперсійного середовища розрізняють два типи емульсій:
до прямих (емульсії першого роду) належать ті, в яких дисперсною фазою є масло, а дисперсійним середовищем вода. Скорочено їх позначають М/В;
до зворотних (емульсії другого роду) належать емульсії, в яких полярною дисперсною фазою є вода, а неполярним дисперсійним середовищем масло. їх позначають В/М.



В основу іншої класифікації покладено концентрацію розчиненої речовини. Залежно від концентрації дисперсної фази емульсії поділяють на:
розбавлені концентрація дисперсної фази становить до 0,1 % об'єму всієї емульсії;
концентровані містять від 0,1 до 74 % дисперсної фази;
висококонцентровані містять понад 74 % дисперсної фази.
У розбавлених та концентрованих емульсіях краплі мають кулеподібну форму (рис. 3.42, а), а у висококонцентрованих краплі дисперсної фази настільки зближені, що відбувається їх деформація, кулеподібна форма переходить у форму багатогранників. Під мікроскопом вони нагадують бджолині стільники (рис. 3.42, б). Емульсії такого типу мають властивості гелів.
Емульсії завдяки значній міжфазній поверхні та надлишку вільної поверхневої енергії є термодинамічно нестійкими.
Розбавлені емульсії можуть існувати тривалий час, концентровані емульсії потребують застосування емульгаторів.
Емульгатори це розчинні ПАР та ВМС, добавляння яких до емульсій надає їм стійкості. Засвоєння жирів в організмі відбувається через їх емульгування жовчними кислотами.
Дія емульгаторів зумовлена здатністю їхніх молекул або йонів адсорбуватися (накопичуватися) на межі двох фаз дисперсної фази та дисперсійного середовища. Вони створюють на поверхні крапель оболонку, яка перешкоджає їх злипанню (процес злипання крапель називають коалесценцією) та коагуляції. Емульгатор, як правило, має краще розчинятися у дисперсійному середовищі, ніж у дисперсній фазі, а якщо він твердий, то краще змочуватися. Саме на цьому ґрунтується вибір емульгатора. Емульгатори, які добре розчиняються у воді (гідрофільні), зумовлюють утворення емульсій першого типу МІВ (масло у воді), оскільки вони розчиняються у воді, яка і є дисперсійним середовищем. Емульгатори, які краще розчиняються у неполярних розчинниках (гідрофобні), сприяють утворенню емульсій другого типу ВІМ (вода у маслі). Вони розчиняються в неполярному розчиннику, який і відіграє роль дисперсійного середовища.
До гідрофільних емульгаторів належать: мила, що містять лужні метали, глина, крейда, гіпс, крохмаль, желатин. Як гідрофобні емульгатори можуть бути використані: нерозчинні у воді мила (кальцієві, магнієві солі ВЖК), смоли, холестерол, каучуки та ін. Третю групу емульгаторів називають ліофільно-гідрофобними. Молекули цих речовин за природою є дифільними, тобто одна частина молекули ліофільна розчиняється в неполярній частині (в маслі) дисперсної системи, а друга гідрофобна, розчиняється в полярній частині (у воді). Прикладом емульгаторів ліофільно-гідрофобної природи можуть бути солі ВЖК, утворені лужними металами. Радикал калій стеарату (С17Н35) гідрофобна частина розчиняється у маслі, а гідрофільна сіль карбоксильної групи (COOK) у воді (рис. 3.43).

У деяких випадках добавляння емульгатора може змінити тип емульсії. Наприклад, якщо до емульсії М/В, яку стабілізували калій стеаратом, добавити розчин MgCl2 або СаС12, утвориться нерозчинна сіль ВЖК (нерозчинне мило):
2С17Н35СООК + MgCl2 (C17H35COO)2Mg + 2KC1,
яка належить до гідрофобних емульгаторів і призведе до обертання фаз і переходу до емульсії другого типу В/М.
Емульсії відіграють важливу роль у природі (молоко, молочний сік рослин тощо), мають велике практичне значення в багатьох галузях діяльності людини: у будівництві, харчовій, хімічній, косметичній промисловості, медицині. Значна кількість лікарських речовин для внутрішнього та зовнішнього застосування є емульсіями (наприклад, синтоміцинова, стрептоцидова та ін.).
Пінице висококонцентровані системи, в яких дисперсна фаза складається з бульбашок газу, а дисперсійне середовище (рідке чи тверде) утворює тонкі плівки між ними. Така структура пін зближує їх з висококонцентрованими емульсіями, однак, незважаючи на подібність структур, стійкість пін значно нижча, ніж емульсій.
Піни характеризуються дисперсністю, стійкістю та кратністю. Дисперсність визначають числом бульбашок. Мірою стійкості піни є тривалість її існування. Стійку піну можна отримати лише за наявності стабілізатора. Кратність піни (
·) визначають як відношення об'єму піни (Vп) до об'єму розчину ПАР (Vж), витраченого на її утворення:

· = Vп /Vж. Її значення досягає
· = 10100.
Процеси ціноутворення застосовують при тушінні пожеж, для очищення поверхонь від забруднень, у харчовій, косметичній промисловостях. Пінні аерозолі використовують як кровоспинні засоби. Широко застосовують тверді піни пінопласти, пемзу. Значення суспензій, емульсій та пін у фармації й медицині підкреслюється тим, що вони входять до обов'язкового асортименту ліків, які випускають як за заводською технологією, так і в аптеках.



МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ''Я
НІКОПОЛЬСЬКЕ МЕДИЧНЕ УЧИЛИЩЕ
МЕТОДИЧНА РОЗРОБКА ЛЕКЦІЇ
З дисципліни: Медична хімія. (Біоорганічна хімія)
Спеціальності: Сестринська справа 5.12010102
Тема: Біоорганічна хімія як наука. Класифікація, будова та реакційна здатність біоорганічних сполук
Кількість навчальних годин -2

Актуальність теми:
Біоорганічна хімія вивчає будову і властивості речовин, що беруть участь у процесах життєдіяльності, у безпосередньому зв'язку з пізнанням їх біологічних функцій. Без знання властивостей біополімерів та біорегуляторів неможливе пізнання суті біологічних процесів. Можливість синтетичного добування аналогів природних сполук відкриває шляхи до розуміння механізму дії хімічних сполук у клітині. Тому біоорганічна хімія відіграє визначну роль у з'ясуванні таких важливих питань, як молекулярний механізм імунітету, процесів зору, дихання, пам'яті, нервової провідності, а також механізм дії ферментів та лікарських речовин.
Завдання курсу біоорганічної хімії полягає в тому, щоб створити у студентів цілісне уявлення про будову і властивості хімічних сполук, підвести їх до свідомого осмислення взаємозв'язку неорганічних та органічних речовин.

Навчальна мета:
Знати:
Предмет і значення біоорганічної хімії.
Види науково обґрунтованих класифікацій та номенклатури біоорганічних сполук, що враховують будову карбонового ланцюга та наявність у молекулі функціональних груп. Префікси, суфікси та закінчення, які застосовують у назвах біоорганічних сполук, що мають функціональні групи, за міжнародною номенклатурою IUPAC.
Ознайомитись з: Ізомерією органічних сполук.
Загальною характеристикою хімічних реакцій біоорганічних сполук. Класифікацією реакцій за механізмом. Характеристикою нуклеофілів та електрофілів.
Виховна мета: Виховувати відповідальність, уважність, організованість, прагнення вдосконалювати свої знання, щоб вподальшому продуктивно засвоювати знання з клінічних дисциплін.

Методичне та матеріальне забезпечення: методична розробка заняття, інструкції для студентів, правила техніки безпеки.

План та організаційна структура заняття.

Основні етапи заняття та зміст
Навчальні цілі
Методи контролю навчання
Матеріали методичного забезпечення ( контроль, наглядності, інструкції)
Розподіл часу хвилин

І Підготовчий етап

1.
Організаційні засоби

Перевірка присутності та зовнішній вигляд студентів
Журнал
1

2.
Визначення навчальних цілей та мотивація


Методрозробка інструкцій для студентів
3-4

ІІ Основний етап

3.
а) план вивчення теми (на окремому листі)





4.
б) короткий конспект, тези нового матеріалу (прикладається)





ІІІ Заключний етап

5.
а) резюме лекції, загальні висновки






б) матеріали закріпити (прикладається)






в) відповіді на можливі питання






г) завдання для самопідготовки студентів (прикладаються)






Основна та додаткова література: Л. М. Миронович, Біоорганічначна хімія , Київ, «Каравела», 2010р.ст.8-22,
В. П. Музиченко, Д.Д. Луцевіч, Л. П. Яворська Медична хімія, ВСВ «Медицина»,2010 р., ст.339-352

Викладач В.Г. Шевченко.
Тема . Біоорганічна хімія як наука.
Класифікація, будова та реакційна здатність біоорганічних сполук

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ
Біоорганічна хімія вивчає будову і властивості речовин, що беруть участь у процесах життєдіяльності, у безпосередньому зв'язку з пізнанням їх біологічних функцій. Без знання властивостей біополімерів та біорегуляторів неможливе пізнання суті біологічних процесів. Можливість синтетичного добування аналогів природних сполук відкриває шляхи до розуміння механізму дії хімічних сполук у клітині. Тому біоорганічна хімія відіграє визначну роль у з'ясуванні таких важливих питань, як молекулярний механізм імунітету, процесів зору, дихання, пам'яті, нервової провідності, а також механізм дії ферментів та лікарських речовин.
Завдання курсу біоорганічної хімії полягає в тому, щоб створити у студентів цілісне уявлення про будову і властивості хімічних сполук, підвести їх до свідомого осмислення взаємозв'язку неорганічних та органічних речовин.
ВИХІДНІ ЗНАННЯ
Будова атомів хімічних елементів.
Види хімічних формул.
Види хімічних зв'язків.
Основні типи хімічних реакцій.
Біоорганічна хімія вивчає будову і властивості речовин, що беруть участь у процесах життєдіяльності, їх біологічні функції. Основні об'єкти ц дослідження – це біологічні полімери (біополімери) та біорегулятори.
Біополімери високомолекулярні природні речовини, що є структурною основою всіх живих організмів і відіграють певну роль у процесах життєдіяльності. До біополімерів належать пептиди й білки, полісахариди (вуглеводи), нуклеїнові кислоти. До цієї групи відносять і ліпіди, які самі по собі не є високомолекулярними сполуками, але в організмі зв'язані з іншими біополімерами.
Біорегулятори це сполуки, які хімічно регулюють обмін речовин. До них відносять вітаміни, гормони, ферменти, синтетичні біологічно активні речовини, у тому числі лікарські препарати.
У живому організмі відбувається велика кількість хімічних реакцій. Сукупність цих реакцій називають обміном речовин, або метаболізмом. Речовини, що утворюються у клітинах, тканинах та органах рослин і тварин у процесі метаболізму, називають метаболітами. Метаболізм має два напрямки катаболізм і анаболізм.
Катаболізм це реакції розкладання речовин, що надходять в організм з їжею. Вони супроводжуються окисненням органічних речовин і виділенням енергії.
Анаболізм це синтез складних молекул із простіших, у результаті якого утворюються й поновлюються структурні елементи живого організму. Ці реакції потребують витрати енергії. Термін «біосинтез» використовують стосовно хімічних реакцій синтезу in vivo. Отже, анаболізм можна визначити як сукупність біосинтетичних процесів у живому організмі.
Особливості органічних сполук
Усі органічні сполуки містять хімічний елемент Карбон, майже всі Гідроген, а також елементи-неметали Оксиген, Нітроген, Сульфур, Фосфор, галогени Флуор, Хлор, Бром, Йод.
Атоми Карбону сполучаються не лише з атомами інших елементів, а й між собою, утворюючи ланцюги або кільця:

Молекулярна формула відображає якісний та кількісний склад молекули:
СН4, С2Н6, С4Н10
Молекулярні формули не дають уявлення про будову речовини. Одній молекулярній формулі можуть відповідати дві або більше сполук (ізомерія). Так, однакову молекулярну формулу С2Н6О мають етиловий спирт СН3СН2ОН та диметиловий етер СН3ОСН3.
Структурна формула показує послідовність сполучення атомів між собою, а також тип зв'язків між ними:

Для зручності запису часто використовують скорочену структурну формулу, яка показує зв'язки тільки між атомами С:


Недолік структурних формул полягає в тому, що вони не відображають дійсного розміщення атомів у просторі. Більш повне уявлення про будову молекул дають стереохімічні формули та молекулярні моделі, однак ми їх не розглядатимемо.
Електронна природа хімічних зв'язків
Хімічні властивості органічних речовин зумовлені типом хімічних зв'язків, природою атомів, що сполучаються, та їх взаємним впливом у молекулі. Ці фактори, у свою чергу, визначаються електронною будовою атомів та взаємодією їхніх атомних орбіталей.
Розглянемо електронну будову атома Карбону основного елемента-органогена в основному та збудженому (С*) станах:



В органічній хімії широко використовують уявлення про гібридні орбіталі.
Гібридизація це змішування електронних орбіталей та вирівнювання їх за формою та енергією. Залежно від числа і форми орбіталей, що вступили в гібридизацію, атом Карбону може перебувати в одному з трьох станів гібридизації (валентних станів).
І валентний стан sp3-гібридизація. При змішуванні чотирьох зовнішніх атомних орбіталей збудженого атома Карбону (однієї s- та трьох р-орбіталей) виникають чотири рівноцінні sp3-гібридні орбіталі. Вони мають форму несиметричної об'ємної вісімки. Внаслідок взаємного відштовхування sp3-гібридні орбіталі спрямовані у просторі до вершин тетраедра (рис. 2.1), а валентні кути між ними дорівнюють 109°28' (найбільш вигідне розміщення).




Такий стан гібридизації характерний для атомів Карбону в насичених вуглеводнях.





Основним типом хімічного зв'язку в органічних сполуках є ковалентний. Він утворюється між атомами неметалів за рахунок перекривання електронних орбіталей (рис. 2.2) та формування спільних електронних пар.

·-Зв'язок утворюється при перекриванні орбіталей вздовж лінії, що сполучає центри атомів.
·-Зв'язок може виникати при перекриванні будь-яких (s-,p-, гібридних) орбіталей. Він міцний і важко розривається.
П валентний стан sр2-гібрйдизація. При змішуванні трьох зовнішніх атомних орбіталей збудженого атома Карбону (однієї s- та двох p-орбіталей) виникають три рівноцінні sp2-гібридні орбіталі (рис. 2.3), розміщені в одній площині під валентним кутом 120°.


В атомів, що перебувають у стані sр2-гібридизації, залишається ще по одній негіб-ридизованій р-орбіталі, які розміщені у перпендикулярній площині. Для них характерний інший вид перекривання бічне перекривання, що призводить до утворення
·-зв'язку (рис. 2.4).

· -Зв'язок утворюється при бічному перекриванні негібридизованих p-орбіталей. Він менш міцний, ніж
·-зв'язок, і легко розривається.


Рис. 2.4. Бічне перекривання електронних орбіталей (утворення
·-зв’язків)

Отже, між двома атомами С у стані sp2-гібридизації утворюється подвійний зв'язок 1
·-зв'язок та 1
·-зв'язок:


III валентний стан sp-гібридизація. При змішуванні двох зовнішніх атомних орбіталей збудженого атома Карбону (однієї s- та однієї р-орбіталі) виникають дві рівноцінні sp-гібридні орбіталі, розміщені лінійно під валентним кутом 180о (рис. 2.5).




В атомів, що знаходяться у стані sp-гібридизації, залишається ще по дві негібридизовані p-орбіталі, які розміщені у перпендикулярних площинах та можуть утворювати 2
·-зв'язки. Таким чином, між двома атомами С у стані sp-гібридизації утворюється потрійний зв'язок 1
·-зв'язок та 2
·-зв'язки:
НС
·СН
Залежно від числа спільних електронних пар між атомами розрізняють прості (одинарні) та кратні (подвійні, потрійні) зв'язки. Останні є поєднанням
·- і
· - зв'язків.
Наприклад:
Одинарний зв'язок: СС; СО; СN; СН; СHal;
Подвійний зв'язок: С=С; С=О;
Потрійний зв'язок: С=С; C=N.
Полярність ковалентних зв'язків зумовлена нерівномірним розподілом єлект ронної густини між двома атомами. Причиною полярності є різниця в електронегативностях атомів. Електронегативність характеризує здатність атома притягуй до себе спільні електронні пари.

· Неполярний зв'язок утворюється між однаковими атомами або різними атомами з близькими значеннями електронегативностей:
НН; СС; СН; С=С; С=С.

· Полярний зв'язок утворюється між різними атомами:
С->О; С=>О; С->Наl.
Полярний зв'язок більш реакційноздатний, ніж неполярний.

Ізомерія органічних сполук
Ізомерія це явище існування сполук, що мають однаковий кількісний і якісний склад, але відрізняються за порядком зв'язування атомів у молекулі або розміщенням у просторі. Внаслідок цього ізомери мають різні фізичні та хімічні властивості.
Термін «ізомери» було введено в науку в 1830 р. шведським ученим Й.Я. Берце-ліусом, але теоретичне обґрунтування ізомерії належить російському хіміку О.М. Бут-лерову, автору теорії хімічної будови органічних сполук. У сучасній науці розрізняють два основних види ізомерії структурну (ізомерія будови) та просторову (стереоізомерія).




Структурні ізомери різняться за хімічною будовою, тобто структурою, і їх ще називають ізомерами будови. Наприклад, бутан та ізобутан (2-метилпропан) мають однакову молекулярну формулу С4Н10, але відрізняються порядком сполучення атомів:




Структурні ізомери поділяють на групи:
Ізомери за карбоновим ланцюгом відрізняються різною послідовністю зв'язування атомів Карбону, як, наприклад, у бутані та ізобутані.
Для органічних сполук циклічної будови ізомерія ланцюга може бути пов'язана з різною величиною циклу або різним способом сполучення:
Класифікація органічних сполук
Величезну кількість органічних сполук, яких нині відомо понад 10 млн, класифікують за будовою карбонового скелета та наявністю функціональних груп.
Залежно від будови карбонового скелета органічні сполуки поділяють на ациклічні та циклічні.
Ациклічні (аліфатичні) сполуки мають відкритий карбоновий ланцюг і можуть бути насиченими (тільки одинарні зв'язки між атомами Карбону) та ненасиченими (крім одинарних зв'язків мають також подвійні та потрійні зв'язки між атомами С):

Карбоновий ланцюг може бути нерозгалуженим і розгалуженим:

Циклічні сполуки мають замкнений ланцюг. Залежно від природи атомів, що складають цикл, розрізняють карбоциклічні та гетероциклічні сполуки.
Карбоциклічні сполуки містять у циклі тільки атоми Карбону й поділяються на дві різні за хімічними властивостями групи: аліфатичні циклічні (скорочено аліциклічні) та ароматичні сполуки:


Найпростішим представником аліциклічних вуглеводнів (циклоалканів) є циклопропан, що містить тричленний цикл. Число атомів Карбону в циклах може бути різним:


Родоначальником ароматичних вуглеводнів (аренів) є бензол (за новою номенклатурою бензен). Нафталін (нафтален) та фенантрен належать до поліциклічних аренів:

Гетероциклічні сполуки містять у циклі, крім атомів Карбону, один або кілька атомів інших елементів гетероатомів (О, S, N):

Гетероцикли також можуть бути аліциклічними та ароматичними (частіше ароматичними).
Органічні сполуки можна розглядати як похідні вуглеводнів, отримані введенням функціональних груп.
Функціональна група це атом або група атомів, що визначає властивості цілого класу органічних речовин:


Сполуки з однією функціональною групою називають монофункціональними (наприклад, етанол), з кількома однаковими функціональними групами поліфункціональними (наприклад, гліцерин), з декількома різними функціональними групами гетерофункціональними (наприклад, коламін):



Усі класи органічних сполук взаємопов'язані. Перехід від одних класів до інших відбувається внаслідок перетворення функціональних груп без зміни скелета. Сполуки кожного класу складають гомологічний ряд.
Гомологи це речовини одного класу, що мають подібну будову і властивості, але відрізняються один від одного на одну або кілька груп СН2. Групу СН2 називають гомологічною різницею:



Класифікація вуглеводнів
Вуглеводні це органічні сполуки, що складаються тільки з атомів Карбону та Гідрогену й не містять функціональних груп. За ступенем насиченості вуглеводні поділяють на кілька груп.
1. Насичені вуглеводні містять між атомами Карбону тільки одинарні зв'язки:

· алкани мають відкриті карбонові ланцюги:

СН3СН2СН2 CH3,

Бутан

· циклоалкани карбонові ланцюги замкнені у кільце:

2. Ненасичені вуглеводні містять між атомами Карбону, крім одинарних зв'язків, також подвійні або потрійні зв'язки:

3. Ароматичні вуглеводні (арени) шість атомів Карбону замкнені в цикл і сполучені одним спільним додатковим зв'язком (ароматичним):

Основні типи хімічних реакцій
Здатність речовини вступати в ту чи іншу хімічну реакцію називають його реакційною здатністю. Саму речовину при цьому називають субстратом, а діючу на нього сполуку реагентом. Субстратом, як правило, називають ту речовину, в якій біля атома Карбону відбувається розрив старого та утворення нового зв'язку. У біохімічних процесах реагентами є ферменти, а речовини, що зазнають їх дії, субстратами.
Розглянемо два основних типи хімічних реакцій в органічній хімії.
1. Реакції заміщення це заміщення одного атома чи групи на один інший атом або групу. Заміщення відбувається за одинарним
·-зв'язком:



2. Реакції приєднання це розрив
·-зв'язку та приєднання до обох атомів по одному новому атому чи групі. Приєднання відбувається за місцем кратного зв'язку:

Типи реагентів і типи розриву зв'язків. Реагенти, що атакують реакційний центр, можуть бути трьох основних типів радикальні, електрофільні та нуклеофільні.
Радикали це частинки з неспареним електроном (не мають заряду):
Сl, CH3.
Вони утворюються під час гемолітичного розриву ковалентного зв'язку, за якого кожний з обох раніше сполучених атомів залишає в себе по одному електрону:

Електрофіли це катіони та нейтральні частинки, що мають вільну орбіталь:
h+, no2+, ch3+.
Нуклеофіли це аніони або нейтральні молекули, що мають пару електронів на зовнішньому рівні:
:Сl-, :ОH-, Н2O:, :NH3.

Електрофільні та нуклеофільні частинки утворюються під час гетеролітичного розриву ковалентного зв'язку. При цьому один з атомів приєднує пару електронів:




МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ''Я
НІКОПОЛЬСЬКЕ МЕДИЧНЕ УЧИЛИЩЕ
МЕТОДИЧНА РОЗРОБКА ЛЕКЦІЇ
З дисципліни: Медична хімія. (Біоорганічна хімія)
Спеціальності: Сестринська справа 5.12010102
Тема: Реакційна здатність вуглеводнів та їхніх похідних.

Кількість навчальних годин -2
Актуальність теми:
Клас вуглеводнів завжди вивчають на початку курсу органічної хімії. Це зумовлено тим, що це найпростіші органічні сполуки, з яких можна отримати інші класи органічних сполук, якщо замінити в молекулах вуглеводнів атоми Гідрогену на інші атоми чи групи атомів. Назви інших класів органічних сполук також є похідними від назв вуглеводнів. Знаючи будову та властивості вуглеводнів, можна з'ясувати залежність властивостей речовин від їхньої будови.
Спирти, феноли й аміни містять найпростіші функціональні групи. їх широко використовують у медицині як лікувальні, антисептичні засоби. Дуже велика роль спиртів як розчинників. Вони є основою для виготовлення настоянок, спиртових розчинів лікарських препаратів, мазей, паст тощо. Феноли використовують для одержання штучних гормонів. Біогенні аміни виконують в організмі важливі біологічні
функції.
Саме тому майбутнім медичним працівникам необхідно знати будову, властивості та використання представників цих класів органічних сполук.

Навчальна мета:
Знати:
Будова та ізомерія алканів. Реакції радикального заміщення біля насиченого атома Карбону (SR).
Будова та ізомерія алкенів, алкадієнів. Реакції електрофільного приєднання у ненасичених вуглеводнях (AЕ).
Ознайомити з: Будовою аренів. Реакцією електрофільного заміщення в ароматичних сполуках (SE). Впливом замісників на реакційну здатність аренів.
Медико-біологічнеим значенням вуглеводнів.

Виховна мета: Виховувати відповідальність, уважність, організованість, прагнення вдосконалювати свої знання, щоб вподальшому продуктивно засвоювати знання з клінічних дисциплін.

Методичне та матеріальне забезпечення: методична розробка заняття, інструкції для студентів, правила техніки безпеки.

План та організаційна структура заняття.

Основні етапи заняття та зміст
Навчальні цілі
Методи контролю навчання
Матеріали методичного забезпечення ( контроль, наглядності, інструкції)
Розподіл часу хвилин

І Підготовчий етап

1.
Організаційні засоби

Перевірка присутності та зовнішній вигляд студентів
Журнал
1

2.
Визначення навчальних цілей та мотивація


Методрозробка інструкцій для студентів
3-4

ІІ Основний етап

3.
а) план вивчення теми (на окремому листі)





4.
б) короткий конспект, тези нового матеріалу (прикладається)





ІІІ Заключний етап

5.
а) резюме лекції, загальні висновки






б) матеріали закріпити (прикладається)






в) відповіді на можливі питання






г) завдання для самопідготовки студентів (прикладаються)






Основна та додаткова література: Л. М. Миронович, Біоорганічначна хімія , Київ, «Каравела», 2010р.ст.23-61,
В. П. Музиченко, Д.Д. Луцевіч, Л. П. Яворська Медична хімія, ВСВ «Медицина»,2010 р., ст.353-376

Викладач В.Г. Шевченко.
Класифікація вуглеводнів
Вуглеводні це органічні сполуки, що складаються тільки з атомів Карбону та Гідрогену й не містять функціональних груп. За ступенем насиченості вуглеводні поділяють на кілька груп.
1. Насичені вуглеводні містять між атомами Карбону тільки одинарні зв'язки:

· алкани мають відкриті карбонові ланцюги:

СН3СН2СН2 CH3,

Бутан

· циклоалкани карбонові ланцюги замкнені у кільце:

2. Ненасичені вуглеводні містять між атомами Карбону, крім одинарних зв'язків, також подвійні або потрійні зв'язки:

3. Ароматичні вуглеводні (арени) шість атомів Карбону замкнені в цикл і сполучені одним спільним додатковим зв'язком (ароматичним):












Основні типи хімічних реакцій
Здатність речовини вступати в ту чи іншу хімічну реакцію називають його реакційною здатністю. Саму речовину при цьому називають субстратом, а діючу на нього сполуку реагентом. Субстратом, як правило, називають ту речовину, в якій біля атома Карбону відбувається розрив старого та утворення нового зв'язку. У біохімічних процесах реагентами є ферменти, а речовини, що зазнають їх дії, субстратами.
Розглянемо два основних типи хімічних реакцій в органічній хімії.
1. Реакції заміщення це заміщення одного атома чи групи на один інший атом або групу. Заміщення відбувається за одинарним
·-зв'язком:



2. Реакції приєднання це розрив
·-зв'язку та приєднання до обох атомів по одному новому атому чи групі. Приєднання відбувається за місцем кратного зв'язку:

Типи реагентів і типи розриву зв'язків. Реагенти, що атакують реакційний центр, можуть бути трьох основних типів радикальні, електрофільні та нуклеофільні.
Радикали це частинки з неспареним електроном (не мають заряду):
Сl, CH3.
Вони утворюються під час гемолітичного розриву ковалентного зв'язку, за якого кожний з обох раніше сполучених атомів залишає в себе по одному електрону:

Електрофіли це катіони та нейтральні частинки, що мають вільну орбіталь:
h+, no2+, ch3+.
Нуклеофіли це аніони або нейтральні молекули, що мають пару електронів на зовнішньому рівні:
:Сl-, :ОH-, Н2O:, :NH3.

Електрофільні та нуклеофільні частинки утворюються під час гетеролітичного розриву ковалентного зв'язку. При цьому один з атомів приєднує пару електронів:



Тема. Реакційна здатність алканів, алкенів, аренів, спиртів,
фенолів, амінів
АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ
Клас вуглеводнів завжди вивчають на початку курсу органічної хімії. Це зумовлено тим, що це найпростіші органічні сполуки, з яких можна отримати інші класи органічних сполук, якщо замінити в молекулах вуглеводнів атоми Гідрогену на інші атоми чи групи атомів. Назви інших класів органічних сполук також є похідними від назв вуглеводнів. Знаючи будову та властивості вуглеводнів, можна з'ясувати залежність властивостей речовин від їхньої будови.
Спирти, феноли й аміни містять найпростіші функціональні групи. їх широко використовують у медицині як лікувальні, антисептичні засоби. Дуже велика роль спиртів як розчинників. Вони є основою для виготовлення настоянок, спиртових розчинів лікарських препаратів, мазей, паст тощо. Феноли використовують для одержання штучних гормонів. Біогенні аміни виконують в організмі важливі біологічні
функції.
Саме тому майбутнім медичним працівникам необхідно знати будову, властивості та використання представників цих класів органічних сполук.
ВИХІДНІ ЗНАННЯ
Класифікація вуглеводнів.
Види хімічних зв'язків.
Способи зображення молекул органічних сполук.
Основні типи хімічних реакцій в органічній хімії.
Вуглеводні мають найпростіший склад серед органічних сполук. Вони містять тільки атоми Карбону та Гідрогену. Реакційна здатність вуглеводнів залежить від ступеня їх насиченості. Так, для насичених вуглеводнів характерні реакції радикального заміщення, для ненасичених реакції електрофільного приєднання, для ароматичних реакції електрофільного заміщення. Ці реакції часто притаманні похідним вуглеводнів, тобто сполукам інших класів, що містять вуглеводневі фрагменти. Отже, розглянемо реакційну здатність як самих вуглеводнів, так і їхніх похідних.
Алкани
Алканами називають аліфатичні вуглеводні, в молекулах яких атоми Карбону сполучені простими ковалентними
·-зв'язками. Алкани також називають насиченими вуглеводнями, або парафінами (від лат. parum affinitas позбавлені спорідненості, малоактивні), що свідчить про їх низьку реакційну здатність.
Загальна формула алканів СnН2n+2.
Алкани утворюють гомологічний ряд, родоначальником якого є метан. Кожний гомолог цього ряду відрізняється від наступного на ланку СН2 (гомологічну різницю).



Хімічні особливості алканів
У насичених вуглеводнях містяться тільки sp3-гібридизовані атоми Карбону. Для цих сполук характерні неполярні СС та малополярні СН
·-зв'язки, які дуже мінні тому алкани хімічно малоактивні. Для алканів характерні реакції заміщення.

Механізм цих реакційрадикальний, тобто в ході реакції утворюються вільні радикали частинки з неспареним електроном. Вільні радикали характеризуються високою реакційною здатністю, що пояснюється їх прагненням добудувати зовнішній електронний рівень до стійкого октету (8 електронів).
Окиснення in vitro та in vivo
Одним із важливих радикальних процесів є взаємодія органічних сполук з молекулярним киснем:

Якщо така реакція відбувається під дією атмосферного кисню, її називають автоокисненням. Наслідком автоокиснення часто буває псування харчових продуктів під час зберігання.
Окиснення органічних речовин киснем може відбуватися й в умовах організму. До таких процесів належить пероксидне окиснення ліпідів, у результаті якого утворюються вільні радикали, що необоротно руйнують мембрани клітин. Для уповільнення процесів окиснення використовують антиоксиданти речовини, що зв'язують вільні радикали.
Медико-біологічне значення алканів та їхніх похідних
Вазелінове масло безбарвна оліїста рідина без запаху та смаку, практично не розчинна у воді. За хімічною природою є сумішшю алканів складу C1С15. Використовують у медицині як послаблювальний засіб, у фармації при виготовленні лікарських форм, а також у парфумерно-косметичній промисловості як компонент косметичних кремів і мазей.
Вазелін безбарвна або світло-жовтого кольору однорідна речовина, практично не розчинна у воді. З хімічного відношення є сумішшю рідких і твердих алканів складу С12С25. Вазелін широко використовують у фармації як основу для виготовлення мазей.
Парафін біла тверда, дрібнокристалічна речовина без запаху та смаку, злегка жирна на дотик, не розчинна у воді. Температура плавлення 45-65 °С. Парафін суміш твердих алканів складу С19С35. Використовують у фармації як основу для виготовлення мазей. У зв'язку з високою теплоємністю та низькою теплопровідністю парафін використовують у медицині для теплових процедур (парафінотерапія).
Озокерит тверда воскоподібна маса чорного кольору. За хімічною структурою є сумішшю вищих алканів і алкенів, смол та мінеральних кислот. Як і парафін, озокерит використовують у медицині для лікування теплом при невралгіях, невритах, плекситах та інших захворюваннях.
Хлоретан С2Н5С1 (етилхлорид) використовують у медицині для місцевого знеболення при невралгіях, нейроміозитах, невеликих поверхневих порізах. Знеболювальна дія ґрунтується та тому, що в разі потрапляння на шкіру хлоретан швидко випаровується, спричинюючи значне охолодження ділянки шкіри та втрату больової чутливості.
Хлороформ СНСl3 (трихлорметан) безбарвна рідина з характерним солодкуватим запахом. Має сильну наркотичну дію. Раніше його використовували в медицині для посилення дії Нітроген (І) оксиду під час комбінованого інгаляційного наркозу, однак нині внаслідок високої токсичності не використовують.
Йодоформ СНІ3 (трийодметан) тверда кристалічна речовина лимонно-жовтого кольору з різким характерним запахом. Йодоформ з давніх часів використовують як антисептичний засіб у стоматології, а також як присипки та мазі для лікування інфікованих ран і виразок.
Фторотан (2-бром-1,1,1-трифлуор-2-хлоретан) безбарвна рідина, що за запахом нагадує хлороформ. Малорозчинна у воді. Має сильну наркотичну дію і низьку токсичність. Фторотан широко використовують у медичній практиці як засіб для комбінованого інгаляційного наркозу:

Алкени
Алкенами називають аліфатичні вуглеводні, що містять один подвійний С=С-зв'язок. Родоначальником гомологічного ряду алкенів є етилен, тому їх ще називають етиленовими вуглеводнями. Збереглася також історична назва олефіни (мас-лоутворювальні), оскільки нижчі гомологи цього ряду під час взаємодії з хлором і бромом утворюють оліїсті рідини.
Загальна формула СnН2n.


Хімічні особливості алкенів
Ненасичені вуглеводні алкени, алкадієни, алкіни виявляють здатність до реакцій приєднання, тому що містять подвійні або потрійні зв'язки. Найважливішим in vivo є подвійний зв'язок. Утворення подвійного зв'язку та його перетворення характерні для багатьох біохімічних процесів.
За рахунок електронів л-зв'язку в молекулах алкенів є ділянка підвищеної електронної густини, тому вони легко взаємодіють з електрофільними реагентами, тобто механізм реакцій приєднання електрофільний.

Полімеризація є різновидом реакції приєднання.

Ароматичні вуглеводні (арени)
Термін «ароматичні» спочатку використовували щодо органічних речовин, які мають приємний запах або можуть бути виділені з природних речовин з приємним запахом. Потім назва збереглася за великою групою органічних сполук, що виявляють близькі до бензолу властивості.
Ароматичні вуглеводні (арени) це вуглеводні, у молекулах яких є одне або більше ароматичних кілець (шість атомів Карбону замкнені в цикл і сполучені одним спільним додатковим зв 'язком ароматичним).
Залежно від числа бензольних циклів розрізняють одноядерні та багатоядерні арени. Багатоядерні арени можуть бути ізольованими та конденсованими:


Структурні фрагменти конденсованих аренів у біологічно активних речовинах
Конденсовані арени та їхні похідні близькі за будовою до багатьох природних біологічно важливих сполук і тому їх широко використовують для синтезу їхніх аналогів лікарських засобів. Наприклад, структура фенантрену лежить в основі стероїдів та алкалоїдів ряду морфіну; антрацену – тетрацеклінових антибіотиків:



Деякі багатоядерні конденсовані арени, що мають канцерогенну дію, інтенсивно досліджують у зв'язку з проблемами виникнення та профілактики раку. їх вміст високий у вихлопних газах і тютюновому димі.
Хімічні особливості аренів
Для аренів характерні реакції, що не спричинюють порушення ароматичної системи, тобто реакції заміщення в бензольному кільці та радикалі. Вони не схильні до реакцій приєднання або окиснення, що призводять до порушення ароматичності. Під час окиснення гомологів бензолу окиснюються тільки бічні вуглеводневі радикали.
Завдяки наявності
·-електронної густини з двох боків плоского ароматичного циклу арени легко взаємодіють з електрофільними реагентами, тобто механізм реакцій заміщення електрофільний.




Галогенування in vive
Прикладом є реакція йодування амінокислоти тирозину в ході біосинтезу йодовмісних гормонів щитоподібної залози до 3-йодтирозину та 3,5-дийодтирозину:





Спирти
Спиртами називають похідні вуглеводнів, що містять одну або кілька гідроксильних груп ОН.
Функціональна група ОН (гідроксильна).
Залежно від числа гідроксильних груп розрізняють одно-, двох-, трьох- та полі-атомні спирти.
За місцеположенням гідроксильної групи в карбоновому скелеті спирти поділяють на первинні, вторинні й третинні:





Хімічні особливості спиртів. Для спиртів характерні реакції розриву полярних зв'язків ОН і СО та реакції окиснення.
Заміщення Н на метал (у результаті цієї реакції утворюються алкоголяти): 2С2Н5ОН + 2Na -> C2H5ONa + H2.
Заміщення групи ОН:
С2Н5ОН + НСl С2Н5Сl + Н2O;
С2Н5ОН + НОС2Н5 С2Н5ОС2Н5 + Н2O.
Останню реакцію називають міжмолекулярною дегідратацією, вона приводить до утворення простих ефірів (етерів).

Вторинні спирти під час окиснення утворюють кетони:

Окиснення. Первинні, вторинні й третинні спирти по-різному реагують на дію окисників. Первинні спирти під час окиснення спочатку перетворюються на альдегіди, які далі можуть окиснюватися до карбонових кислот:

Третинні спирти стійкі до окиснення.
Медико-біологічне значення спиртів та їхніх похідних
Метанол є сильною отрутою, смертельна його доза25 г, менша кількість (10 г)
призводить до сліпоти.
Етанол у невеликих кількостях зумовлює сп'яніння, великі дози призводять до наркотичного стану. Використовують для приготування спиртових розчинів лікарських препаратів та як антисептичний засіб.
Діетиловий ефір С2Н5ОС2Н5 використовують для інгаляційного наркозу.
Незвичайний антидот
Метиловий і етиловий спирти практично неможливо розрізнити за запахом. Вживання метилового спирту може стати причиною втрати зору, дихальної недостатності і смерті. Антидотом, що здається на перший погляд незвичайним, є етиловий спирт. Як відомо, метаболізм спиртів відбувається переважно в печінці. Фермент алкогольдегідрогеназа каталізує перетворення спиртів на відповідні альдегіди. У разі отруєння метанолом в організмі утворюється формальдегід, який і викликає зазначені симптоми. Сам метанол не шкідливий, але потрапляння його всередину може стати фатальним! Постраждалому слід якомога швидше ввести етанол, який успішніше конкуруватиме за фермент алкогольдегідрогеназу. Адже спорідненість ферменту до етанолу у 25 разів більша, порівняно з метанолом! Тому фермент необхідно залучити у реакцію окиснення етанолу з утворенням менш токсичного оцтового альдегіду. Це дає організму можливість вивести метанол з організму, уникаючи його окиснення до смертельно небезпечного формальдегіду.

Багатоатомні спирти за властивостями значною мірою нагадують одноатомні. Гідроксильні групи в них можуть бути первинними, вторинними й третинними, причому в реакції можуть вступати одна або кілька гідроксильних груп.
Етиленгліколь токсична рідина. Його використовують у техніці для виготовлення антифризіврідин з низькою температурою замерзання, які застосовують для охолодження двигунів внутрішнього згоряння. Має спиртовий запах, у зв'язку з чим може стати причиною тяжких інтоксикацій.
«Славнозвісний» діоксин
Нагрівання етиленгліколю з розбавленою сульфатною кислотою призводить до міжмолекулярної дегідратації та утворення діоксану:

Діоксан хороший розчинник, але є токсичною речовиною. Ще більш токсичні його галогеновмісні дибензопохідні. Сумну славу здобув 2,3,7,8-тетрахлордибензо-и-діоксин (або просто діоксин), що у надзвичайно низьких концентраціях спричинює тяжкі захворювання імунної та кровотворної систем. Потрапляння діоксину в ґрунт під час застосування гербіцидів є серйозною екологічною проблемою.
Гліцерол (гліцерин) нетоксична в'язка безбарвна рідина, солодка на смак, досить поширена у природі входить до складу більшості ліпідів. Використовують його як компонент мазей для зм'якшення шкіри.
Велике значення мають деякі складні ефіри (естери) гліцерину. Тринітрат гліцерину (нітрогліцерин) добувають дією на гліцерин нітратної кислоти за наявності сульфатної кислоти:


Нітрогліцерин використовують як спазмолітичний засіб при стенокардії. Ксиліт і сорбіт є замінниками цукру для хворих на цукровий діабет.
Феноли

Хімічні особливості фенолів. Феноли, на відміну від спиртів, виявляють слабкі кислотні властивості й реагують не тільки з металами, а й з лугами:

Фенолами називають органічні сполуки, у яких гідроксильна група ОН безпосередньо сполучена з бензольним кільцєм:
Медико-біологічне значення фенолів та їхніх похідних
Фенол, резорцин, крезоли антисептичні засоби, дія яких ґрунтується на здатності зсідати білки. Мають бактерицидну дію, тобто знищують мікроорганізми або створюють шкідливі умови для їх життєдіяльності. Використовують зовнішньо для оброблення приміщень, туалетів, смітників.
Пірокатехін є структурним елементом багатьох біологічно активних речовин (наприклад, катехоламінів). Його монометиловий ефір гваякол використовують як лікарський препарат при катарі верхніх дихальних шляхів.
Аміни
Амінами називають похідні амоніаку, в якому один, два або три атоми Гідрогену заміщені на радикали. Залежно від числа заміщених атомів Гідрогену розрізняють первинні, вторинні та третинні аміни:
первинні аміни RNH2;
вторинні аміни RNHR;
третинні аміни RNR.

R

Хімічні особливості амінів. Аміни, як і амоніак, виявляють основні властивості, що зумовлено наявністю неподіленої пари електронів у атома Нітрогену. Причому аліфатичні аміни сильніші основи порівняно з амоніаком, а ароматичні (анілін) слабші.


Крім того, для ароматичних амінів характерні реакції за бензеновим кільцем.
Медико-біологічне значення амінів та їхніх похідних
Путресцин H2N(CH2)4NH2 і кадаверин H2N(CH2)5NH2 утворюють» під час гнильного розкладання трупів, тому належать до трупних отрут.
Біогенні аміни це аміни, що виконують в організмі важливі біологічні функції. Вони утворюються внаслідок декарбоксилування деяких амінокислот.
Гістамін міститься в організмі у вигляді неактивних комплексів з білками. Пі час деяких захворювань (опіки, алергічні реакції) він виділяється у вільному стан Вільний гістамін викликає спазм гладкої мускулатури, розширює капіляри, збільшу їх проникність, підвищує секрецію шлункового соку.
Серотонін бере участь у передаванні нервових імпульсів, підвищує кров'яни: тиск, звужує бронхи. Серотонін є одним з нейромедіаторів головного мозку, порушення його нормального обміну в організмі призводить до шизофренії.

МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ''Я
НІКОПОЛЬСЬКЕ МЕДИЧНЕ УЧИЛИЩЕ
МЕТОДИЧНА РОЗРОБКА ЛЕКЦІЇ
З дисципліни: Медична хімія. (Біоорганічна хімія)
Спеціальності: Сестринська справа 5.12010102
Тема: Біологічно важливі карбонільні сполуки (альдегіди, кетони, карбонові кислоти).
Кількість навчальних годин -2

Актуальність теми:
Карбонільні сполуки (альдегіди і кетони) широко використовують у медицині. Одні з них застосовують з метою дезінфекції, для знищення хвороботворних мікробів, для консервування анатомічних препаратів, інші виступають у ролі розчинників або використовуються як снодійні засоби. Знання цієї теми є основою для оволодіння наступною темою «Карбонові кислоти».
Карбонові кислоти досить поширені в живій природі як у вільному стані, так і у вигляді складних ефірів (естерів) або солей. Більшість природних ліпідів належить до естерів, тобто містять залишки карбонових кислот. Запах квітів, плодів, ягід значною мірою зумовлений ефірними речовинами. Карбонові кислоти мають велике біологічне значення; їх використовують для синтезу лікарських речовин. Знання цієї теми стане основою для оволодіння матеріалом наступних тем: «Гетерофункціональні сполуки» та «Амінокислоти».
Вуглеводи відіграють величезну роль у процесах життєдіяльності людини. Потреби організму в енергії задовольняються переважно за рахунок вуглеводів, оскільки саме вони є мобільним джерелом енергії. Вуглеводи входять до складу нуклеїнових кислот, деякі запобігають згортанню крові, проникненню в організм хвороботворних мікроорганізмів, беруть участь в утворенні імунітету. Деякі вуглеводи та їхні похідні є фармацевтичними препаратами. Саме цим зумовлюється необхідність вивчення будови і властивостей вуглеводів та їхніх похідних.

Навчальна мета:
Знати:
Загальну характеристику карбонільних сполук.
Будову та властивості альдегідів і кетонів. Медико-біологічне значення.
Класифікацію карбонових кислот. Будову та властивості монокарбонових кислот. Реакції нуклеофільного заміщення (SN) біля sp2-гібридизованого атома Карбону оксогрупи.
Ознайомитись з: Представниками дикарбонових і ароматичних кислот.
Вищіми жирними кислотами (ВЖК) як складовими нейтральних ліпідів. Будоваою і властивостями нейтральних ліпідів, їхньою консистенцією, гідролізом. Мила. Структурою фосфоліпідів, їхнім біологічним значенням.

Виховна мета: Виховувати відповідальність, уважність, організованість, прагнення вдосконалювати свої знання, щоб в подальшому продуктивно засвоювати знання з клінічних дисциплін.

Методичне та матеріальне забезпечення: методична розробка заняття, інструкції для студентів, правила техніки безпеки.

План та організаційна структура заняття.

Основні етапи заняття та зміст
Навчальні цілі
Методи контролю навчання
Матеріали методичного забезпечення ( контроль, наглядності, інструкції)
Розподіл часу хвилин

І Підготовчий етап

1.
Організаційні засоби

Перевірка присутності та зовнішній вигляд студентів
Журнал
1

2.
Визначення навчальних цілей та мотивація


Методрозробка інструкцій для студентів
3-4

ІІ Основний етап

3.
а) план вивчення теми (на окремому листі)





4.
б) короткий конспект, тези нового матеріалу (прикладається)





ІІІ Заключний етап

5.
а) резюме лекції, загальні висновки






б) матеріали закріпити (прикладається)






в) відповіді на можливі питання






г) завдання для самопідготовки студентів (прикладаються)






Основна та додаткова література: Л. М. Миронович, Біоорганічначна хімія , Київ, «Каравела», 2010р.ст.62-117,
В. П. Музиченко, Д.Д. Луцевіч, Л. П. Яворська Медична хімія, ВСВ «Медицина»,2010 р., ст.387-419

Викладач В.Г. Шевченко.


Тема . Карбонільні сполуки

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ
Карбонільні сполуки (альдегіди і кетони) широко використовують у медицині. Одні з них застосовують з метою дезінфекції, для знищення хвороботворних мікробів, для консервування анатомічних препаратів, інші виступають у ролі розчинників або використовуються як снодійні засоби. Знання цієї теми є основою для оволодіння наступною темою «Карбонові кислоти».
ВИХІДНІ ЗНАННЯ
Класифікація органічних сполук за функціональними групами.
Види хімічних зв'язків.
Способи зображення молекул органічних сполук.
Основні типи хімічних реакцій в органічній хімії.
Окиснення первинних і вторинних спиртів.
Карбонільні сполуки ~ це органічні сполуки, що містять карбонільну групу

Альдегіди містять карбонільну групу, сполучену з одним радикалом і одним атомом Гідрогену. У них функціональна група завжди є кінцевою:

Кетони містять карбонільну групу, сполучену з двома радикалами. Функціональна група знаходиться в середині карбонового скелета:



Хімічні особливості альдегідів і кетонів. Унаслідок різниці в значеннях електро-негативності атомів Карбону та Оксигену
·-зв'язок між ними сильнополяризований. У результаті на атомі Карбону виникає ефективний позитивний заряд, а на атомі Оксигену негативний заряд
·-. Атом Карбону є зручним центром для нуклеофільної атаки. Це зумовлює до приєднання за подвійним зв'язком С=О (нуклеофільне приєднання).
Загальну схему реакцій нуклеофільного приєднання можна зобразити так:

За такою схемою альдегіди й кетони можуть приєднувати молекули амоніаку НNH2, води НОН, спиртів ROН, ціанідної кислоти H-CN тощо.
Для альдегідів характерні реакції окиснення та відновлення.

Альдегіди один із класів органічних сполук, що окиснюється найлегше. їх перетворення на карбонові кислоти відбувається під дією більшості окисників, у тому числі кисню повітря. Навіть такі слабкі окисники, як амоніачний розчин аргентум (І) оксиду (реактив Толленса) або лужний розчин тартратного комплексу купруму (II) (реактив Фелінга), легко окиснюють альдегіди. Ці реакції часто використовують для якісного визначення альдегідної групи.
Для кетонів реакції окиснення не характерні.
Відновлення альдегідів і кетонів. Альдегіди відновлюються до первинних спиртів, а кетони до вторинних:

Складноефірна конденсація (реакція Тищенка). Російський хімік В'ячеслав Євгенович Тищенко в 1906 р. визначив, що під час нагрівання альдегідів з алюміній етилатом утворюються складні ефіри (естери) карбонових кислот:

У цій реакції одна молекула альдегіду відновлюється до спирту, а друга окиснюється до кислоти. Реакції, під час яких відбувається самоокиснення-самовідновлення сполуки, дістали назву диспропорціонування, або дисмутації.
Реакції за участю
·-атома Карбону. Карбонільна група чинить активуючий вплив на вуглеводневий радикал. Як електроноакцепторний замісник вона підвищує рухливість атомів Гідрогену при
· -атомі Карбону (СН-кислотність):

До реакцій, що відбуваються за участю
· -атома Карбону, належать альдольна конденсація та галогенування.
Під час альдольної конденсації відбувається взаємодія рухливого
· -атома Гідрогену однієї молекули та карбонільної групи іншої молекули з утворенням сполуки зі спиртовою та альдегідною групами (альдоль):

Продукти альдольної конденсації
·-гідроксикислоти під час нагрівання легко втрачають воду, перетворюючись на
·,
·-ненасичені альдегіди:

Перехід від насичених альдегідів через стадію утворення альдолю з наступною внутрішньомолекулярною дегідратацією до
·,
·-ненасичених альдегідів називають кротоновою конденсацією:

Кротонової конденсації зазнають альдегіди, які мають в
·-положенні метиленову групу.
У реакцію альдольної конденсації вступають і кетони, однак через нижчу реакційну здатність кетогрупи взаємодія відбувається в жорсткіших умовах:

У сильнокислому середовищі кетони вступають у реакцію кротонової конденсації з утворенням ненасичених кетонів:


Альдегіди і кетони, як СН-кислоти, легко вступають у реакцію з галогенами з утворенням
·,
· -галогензаміщених продуктів:

·-Галогенпохідні альдегідів і кетонів виявляють сльозогінну дію і називаються лакриматорами (від лат. Іасгіта сльоза).
·-Моногалогенпохідні оксосполук отримують за наявності кислоти. У лужному середовищі відбувається подальше заміщення атомів Гідрогену біля
·-атома Карбону, яке дає змогу отримати ди- та тригалоген-заміщені альдегіди й кетони.
Для метилкетонів та ацетальдегіду характерна галоформна реакція. Під час взаємодії з хлором, бромом або йодом у лужному середовищі вони галогенуються за метальною групою. Продукти, що утворюються, тригалогенкетон та тригалоген-ацетальдегідрозщеплюються в лужному середовищі на сіль карбонової кислоти та гал оформ (хлороформ, йодоформ, бромоформ):

Про медичне застосування хлорофому та йодоформу зазначалося раніше (див. с. 141).
Медико-біологічне значення карбонільних сполук та їхніх похідних
Формальдегід спричинює зсідання білків. 40 % розчин формальдегіду у воді формалін застосовують для дезінфекції рук, інструментів та консервації анатомічних препаратів.
Уротропін добувають з формальдегіду:
6СН2О + 4NH3 (CH2)6N4 + 6Н2О.
Він легко гідролізується в кислому середовищі з утворенням формальдегіду: (CH2)6N4 + 6Н2О 6СН2О + 4NH3.
Тому уротропін використовують як антисептик при запаленнях сечових шляхів. Однак якщо сеча не має кислої реакції, препарат виявляється неефективним.
Паральдегід продукт полімеризації ацетальдегіду, його використовують як снодійний засіб.
Хлоралгідрат ССlСН(ОН)2 снодійний засіб; добувають з ацетальдегіду. Його фармакологічний ефект зумовлений специфічною дією на організм альдегідної групи. Наявність атомів галогену посилює снодійну дію, а гідратація карбонільної групи знижує токсичність речовини загалом.
Ацетонові (кетонові) тіла це похідні ацетону, що утворюються in vivo в процесі метаболізму вищих жирних кислот і стають своєрідним постачальником енергії для м'язів, мозку, нирок. Вони запобігають мобілізації жирних кислот-із жирових депо. У крові здорової людини кетонові тіла наявні в дуже невеликих кількостях але накопичуються в організмі у хворих на цукровий діабет, тому в разі сильної гіперглікемії у хворого відчувається запах ацетону:



Тема . Карбонові кислоти

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ
Карбонові кислоти досить поширені в живій природі як у вільному стані, так і у вигляді складних ефірів (естерів) або солей. Більшість природних ліпідів належить до естерів, тобто містять залишки карбонових кислот. Запах квітів, плодів, ягід значною мірою зумовлений ефірними речовинами. Карбонові кислоти мають велике біологічне значення; їх використовують для синтезу лікарських речовин. Знання цієї теми стане основою для оволодіння матеріалом наступних тем: «Гетерофункціональні сполуки» та «Амінокислоти».
ВИХІДНІ ЗНАННЯ
Класифікація органічних сполук за функціональними групами.
Види хімічних зв'язків.
Способи зображення молекул органічних речовин.
Основні типи хімічних реакцій в органічній хімії.
Окиснення спиртів та альдегідів.
Загальні властивості кислот.
Карбоновими кислотами називають органічні сполуки, що містять одну або кілька карбоксильних груп СООН:

Класифікація кислот. Залежно від природи вуглеводневого радикалу, сполученого з карбоксильною групою, розрізняють насичені, ненасичені та ароматичні кислоти. Залежно від числа карбоксильних груп у молекулі кислоти поділяють на монокарбонові, дикарбонові, трикарбонові та полікарбонови
Монокарбонові кислоти
Насичені монокарбонові кислоти (табл. 2.4) мають загальну формулу СnН2n+1СООН.
Таблиця 2.4. Гомологічний ряд насичених монокарбонових кислот

Формула кислоти
Тривіальна назва
Систематична назва
Назва солі

нсоон
СНзСООН С2Н5СООН С3Н7СООН С4Н9СООН
с5н11оон
Мурашина
Оцтова
Пропіонова
Масляна
Валеріанова
Капронова
Метанова
Етанова
Пропанова
Бутанова
Пентанова
Гексанова
Форміат
Ацетат
Пропіонат
Бутират
Пентаноат
Гексаноат

Хімічні особливості карбонових кислот
Кислотні властивості карбонових кислот зумовлені їх здатністю відщеплювати від карбоксильної групи йон Гідрогену:

Карбонові кислоти типові слабкі електроліти. Значення рКa для кислот аліфатичного ряду становлять 4,74,9. Отже, карбонові кислоти відрізняються від спиртів і фенолів вищою кислотністю, а від альдегідів і кетонів - нижчою здатністю до реакцій приєднання за подвійним С=O-зв'язком, що пояснюється впливом групи ОН.

Реакції нуклеофільного заміщення групи ОН
Утворення естерів (реакція естерифікації) відбувається під час взаємодії карбонових кислот зі спиртами:


Утворення амідів відбувається під час взаємодії карбонових кислот з амоніаком:

Таблиця 2.5. Функціональні похідні карбонових кислот

Ненасичені та ароматичні монокарбонові кислоти, крім загальних властивостей карбонових кислот, мають властивості, зумовлені наявністю кратного або ароматичного зв’язку


Медико-біологічне значення монокарбонових кислот та їхніх функціональних похідних
Мурашину кислоту у вигляді 1 % спиртового розчину використовують для розтирання при невралгіях, міозитах.
Оцтова кислота. Її 3 %, 6 %, 9 % розчини називають столовим оцтом і використовують для обтирання та компресів.
Калій ацетат СН3СООК діуретичний засіб, застосовують при набряках серцевого походження.
Валеріанова кислота СН3(СН2)зСООН має заспокійливу дію, входить до складу крапель і таблеток валеріани та валідолу.
Акрилова кислота. Полімери на її основі використовують для виготовлення зубних протезів.
Бензойна кислота антисептичний засіб, використовують зовнішньо.
Натрій бензоат C6H5COONa відхаркувальний засіб.
Дикарбонові кислоти
Дикарбонові кислоти мають сильніші кислотні властивості, ніж монокарбонові. Вони також можуть бути насиченими, ненасиченими та ароматичними.
Щавлева (оксалатна) кислота НООССООН міститься в багатьох рослинах (щавель, ревінь та ін.). її солі називають оксалатами. Деякі з них важкорозчинні й утворюють камені в нирках та сечовому міхурі при сечокам'яній хворобі. До таких солей належить кальцій оксалат.
Бурштинова (янтарна) кислота НООССН2СН2СООН міститься в бурштині (янтарі, звідки й дістала свою назву), у недозрілих фруктах. її солі називають сукцинатами. В організмі людини й тварин бурштинова (янтарна) кислота утворюється в процесі обміну вуглеводів і є проміжним продуктом у циклі трикарбонових кислот (циклі Кребса), де окиснюється до ненасиченої фумарової кислоти.
Представниками ненасичених дикарбонових кислот є малеїнова та фумарова кислоти, які є геометричними ізомерами бутандіової кислоти НООССН=СНСООН:

Обидві кислоти мають подібні хімічні властивості. Однак малеїнова кислота менш стабільна і під дією деяких речовин (йоду, нітритної кислоти) переходить у стабільнішу фумарову кислоту. Зворотний перехід можна здійснити тільки дією УФ-випромінювання, тобто процес потребує зовнішньої енергії.
Фумарова кислота, на відміну від малеїнової, трапляється в живих організмах, а в організмі людини й тварин утворюється в процесі обміну вуглеводів з бурштинової кислоти, перетворюючись далі на яблучну, тобто є проміжним продуктом у циклі трикарбонових кислот (циклі Кребса).
Ортофталева кислота є представником ароматичних дикарбонових кислот. Вона легко відщеплює воду, перетворюючись на фталевий ангідрид:

Під час конденсації фталевого ангідриду з фенолом утворюється фенолфталеїн, який широко використовують у хімії як кислотно-основний індикатор, а в медицині як проносний засіб (пурген).
Вищі жирні кислоти
Вищими жирними кислотами називають карбонові кислоти лінійної будови, що містять понад 15 атомів Карбону і входять до складу жирів:

Насичені жирні кислоти входять до складу тваринних жирів, а ненасиченідо складу рослинних. Особливо слід підкреслити роль ненасичених кислот як сполук, незамінних для людини (в організмі вони не можуть бути синтезовані й мають надходити з їжею в кількості приблизно 5 г на день). Ці кислоти містяться в рослинних оліях. Вони сприяють зниженню в крові холестерину одного з факторів розвитку атеросклерозу.
Препарат лінетол це суміш ненасичених вищих жирних кислот, який використовують при лікуванні гіпертонії, атеросклерозу, опіків, променевої хвороби.

МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ''Я
НІКОПОЛЬСЬКЕ МЕДИЧНЕ УЧИЛИЩЕ
МЕТОДИЧНА РОЗРОБКА ЛЕКЦІЇ
З дисципліни: Медична хімія. (Біоорганічна хімія)
Спеціальності: Сестринська справа 5.12010102
Тема: Вуглеводи (цукри)
Кількість навчальних годин -2

Актуальність теми:
Вуглеводи дуже поширені в природі й відіграють величезну роль у процесах життєдіяльності людини. Потреби організму в енергії задовольняються переважно за рахунок вуглеводів, оскільки саме вони є мобільним джерелом енергії. Вуглеводи входять до складу нуклеїнових кислот, деякі запобігають згортанню крові, проникненню в організм хвороботворних мікроорганізмів, беруть участь в утворенні імунітету. Деякі вуглеводи та їхні похідні є фармацевтичними препаратами. Саме цим зумовлюється необхідність вивчення будови і властивостей вуглеводів та їхніх похідних.

Навчальна мета:
Знати:
Класифікацію вуглеводів.
Моносахариди. Таутомерні форми моносахаридів. Мутаротацію. Хімічні властивості. Утворення глікозидів, їхня роль у побудові оліго- та полісахаридів. Окремі представники моносахаридів.
Ознайомитись з: Дисахаридами. Двома типами зв’язків між залишками моносахаридів та їхнім впливом на реакційну здатність дисахаридів: відновні та невідновні дисахариди.
Полісахаридами. Будовою, біологічною роллю та застосуванням крохмалю. Схемою будови амілози та амілопектину.

Виховна мета: Виховувати відповідальність, уважність, організованість, прагнення вдосконалювати свої знання, щоб в подальшому продуктивно засвоювати знання з клінічних дисциплін.

Методичне та матеріальне забезпечення: методична розробка заняття, інструкції для студентів, правила техніки безпеки.





План та організаційна структура заняття.

Основні етапи заняття та зміст
Навчальні цілі
Методи контролю навчання
Матеріали методичного забезпечення ( контроль, наглядності, інструкції)
Розподіл часу хвилин

І Підготовчий етап

1.
Організаційні засоби

Перевірка присутності та зовнішній вигляд студентів
Журнал
1

2.
Визначення навчальних цілей та мотивація


Методрозробка інструкцій для студентів
3-4

ІІ Основний етап

3.
а) план вивчення теми (на окремому листі)





4.
б) короткий конспект, тези нового матеріалу (прикладається)





ІІІ Заключний етап

5.
а) резюме лекції, загальні висновки






б) матеріали закріпити (прикладається)






в) відповіді на можливі питання






г) завдання для самопідготовки студентів (прикладаються)






Основна та додаткова література: Л. М. Миронович, Біоорганічначна хімія , Київ, «Каравела», 2010р.ст.118-140.
В. П. Музиченко, Д.Д. Луцевіч, Л. П. Яворська Медична хімія, ВСВ «Медицина»,2010 р., ст.433-448


Викладач В.Г. Шевченко.
Тема 9. Вуглеводи
АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ
Вуглеводи дуже поширені в природі й відіграють величезну роль у процесах життєдіяльності людини. Потреби організму в енергії задовольняються переважно за рахунок вуглеводів, оскільки саме вони є мобільним джерелом енергії. Вуглеводи входять до складу нуклеїнових кислот, деякі запобігають згортанню крові, проникненню в організм хвороботворних мікроорганізмів, беруть участь в утворенні імунітету. Деякі вуглеводи та їхні похідні є фармацевтичними препаратами. Саме цим зумовлюється необхідність вивчення будови і властивостей вуглеводів та їхніх похідних.
Вуглеводи – це природні й синтетичні сполуки, що за своєю хімічною будовою є альдегідами чи кетонами багатоатомних спиртів або утворюють ці функціональні групи в результаті гідролізу.
Вуглеводи входять до складу клітин і тканин усіх рослинних та тваринних організмів і за масою становлять основну частину органічної речовини на Землі. У живій природі вони мають велике значення як джерело енергії в метаболічних процесах (у рослинах – крохмаль, у тваринних організмах – глікоген); структурні компоненти клітинних мембран рослин (целюлоза), бактерій (мура мін), грибів (хітин); складові життєво важливих речовин (нуклеїнові кислоти, коферменти, вітаміни). Деякі вуглеводи та їхні похідні використовують як лікарські засоби.
Вулеводи є основним інгредієнтом їжі ссавців. Загальновідомий їх представник – глюкоза – міститься у рослинних соках, плодах, фруктах і особливо у винограді (звідси її назва – виноградний цукор). Вона є обов’язковим компонентом крові та таканин тварин і безпосереднім джерелом енергії для клітинних реакцій.
Вуглеводи утворюються рослинми в процесі фотосинтезу з вуглекислого газу та води.
Реакція фотосинтезу є ендергонічною (анаболічною). Вуглеводи, щ синтезуються в рослинах, - це «депо» накопичення сонячної енергії.
Тваринні організми не здатні синтезувати вуглеводи й отримують їх із рослинних джерел.
Реакція окиснення вуглеводів доСО2 таН2О є екзергонічною (катаболічною). У результаті повного окиснення 1 г. вуглеводів вивільнюється 17,6кДж енергії. Деяка кількість цієї енергії перетворюється на теплоту, а більша її частина акумулюється в АТФ і потів використовується у процесах життєдіяльності.

Класифікація вуглеводів.
Усі вуглеводи можна поділити на дві групи: прості (моносахариди) та складні.
Моносахариди – вуглеводи, що не здатні гідролізу вати з утворенням простіших вуглеводів (глюкоза, галактоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза).
Складні це вуглеводи, молекули яких складаються з двох або більшого числа залишків моносахаридів і розкладаються на ці моносахариди під час гідролізу. Серед складних вуглеводів розрізняють олігосахариди та полісахариди.
Олігосахариди утворюють під час гідролізу 210 молекул моносахаридів (дисахариди сахароза, лактоза, мальтоза).
Полісахариди утворюють під час гідролізу сотні й більше молекул моносахаридів. Полісахариди, що складаються із залишків одного моносахариду, називають гомополісахаридами (крохмаль, глікоген, целюлоза); із залишків різних моносахаридів гетерополісахаридами (гіалуронова кислота, гепарин, сіалові кислоти).
Моносахариди
Моносахариди поділяють на групи залежно від числа атомів Карбону, що входять до їх складу: тріози (С3), тетрози (С4), пентози (С5), гексози (С6). Більшість природних моносахаридів є пентозами та гексозами.
Моносахариди, що містять альдегідну групу, називають альдозами, кетогрупу кетозами. Альдози й кетози з однаковим числом атомів Карбону ізомерні між собою.
Будова моносахаридів. Для зображення будови моносахаридів використовують проекційні формули Фішера. Скелет атомів Карбону розміщують вертикально, а гідроксильні групи й атоми Гідрогену горизонтально ліворуч і праворуч. В альдозах вгорі знаходиться альдегідна група, у кетозах первинна спиртова група, розміщена поряд з кетонною групою. З цих кінців і починають нумерацію атомів Карбону:

Молекули моносахаридів містять кілька центрів хіральності, що зумовлює існування значної кількості стереоізомерів, які відповідають одній структурній формулі. Так, в альдогексозі є чотири хіральних атоми Карбону НОСН2(*СНОН)4СНО, і їй відповідають 16 стереоізомерів (24), тобто 8 пар енантіомерів.
Відносну конфігурацію моносахаридів визначають за конфігураційним стандартом гліцериновим альдегідом. З конфігурацією його хірального центру порівнюють конфігурацію найбільш віддаленого від карбонільної групи асиметричного атома Карбону. Таким чином моносахариди відносять до D- або L-ряду:

Майже всі природні моносахариди належать до D-ряду.
Розглянуті вище структури моносахаридів є ациклічними (ланцюговими). Однак у кристалічному стані моносахариди перебувають у циклічних формах, що утворюються в результаті взаємодії карбонільної групи зі спиртовою групою біля С-4 або С-5. Утворюються п'яти- або шестичленні цикли, які структурно аналогічні гетероциклічним сполукам пірану та фурану:

Тому циклічні форми гексоз і пентоз відповідно називають піранозними та фура- нозними:

У розчинах моносахаридів відбувається міграція атома Гідрогену між гідроксильною та карбонільною групами, при цьому встановлюється рухлива рівновага між ациклічною та циклічною формами {таутомерія).
Циклічні форми зображують перспективними формулами Хеуорса. Для переходу від формул Фішера до формул Хеуорса потрібно знати такі правила:
1. Піранозні та фуранозні цикли молекул зображують у вигляді плоских багатокутників, що лежать перпендикулярно до площини малюнка. Атоми Карбону в циклі нумерують за годинниковою стрілкою. Символи атомів Карбону не пишуть.
2 Атоми та групи атомів, які у формулі Фішера знаходяться праворуч від ланцюга, у формулі Хеуорса розміщують під площиною циклу, і навпаки. Група СН2ОН біля 5-го атома Карбону Ј>-гексоз завжди розміщена над площиною циклу:


У циклічних формах моносахаридів з'являється ще один асиметричний атом Карбону (С-1 в альдозах і С-2 в кетозах). Цей асиметричний атом називають аномерним. Стереоізомери вуглеводів, які відрізняються розміщенням атомів і груп бшя аномер-ного атома Карбону, називають аномерами. Стереоізомер, в якому група ОН біля аномерного атома Карбону знаходиться під площиною циклу, називають а-аноме-ром, а ізомер з протилежним розміщенням групи ОН $-аномером:

Аномери не можуть безпосередньо перетворюватися один на одного. Перехід можливий тільки через проміжне утворення ациклічної форми моносахариду:


Гідроксил, утворений з альдегідної групи, називають напівацетальним, або глікозидним. Він відрізняється від інших (спиртових) гідроксилів вищою реакційною здатністю.
Біологічно важливою альдогексозою є також/^галактоза. Структура її молекули відрізняється від молекули /)-глюкози положенням групи ОН біля 4-го атома Карбону. Як і глюкоза, галактоза існує у вигляді кількох таутомерних форм:

Важливою кетогексозою є/)-фруктоза. Для циклічних форм фруктози характерні фуранозні цикли, які утворюються при взаємодії карбонільної (кетонної) групи зі спиртовою групою при 5-му атомі Карбону:

Серед пентоз найбільш відомі D-рибоза та її похідна 2-дезокси-2>-рибоза, у якої немає гідроксильної групи при другому атомі Карбону. Ці моносахариди входять до складу нуклеїнових кислот, беруть участь у збереженні та передаванні спадкової інформації;

Фізичні властивості. Моносахариди безбарвні кристалічні речовини, добре розчиняються у воді, солодкі на смак, при цьому солодкість окремих представників різна. Наприклад, фруктоза втричі солодша за глюкозу.
Хімічні властивості. Моносахариди це сполуки зі змішаними функціями. У розчинах існує динамічна рівновага між таутомерними формами моносахаридів, тому залежно від умов та реагентів вони можуть реагувати у відкритій або циклічній формі. При цьому рівновага зміщується в бік утворення тієї форми, яка вступає у взаємодію.
Хімічні властивості моносахаридів зумовлені наявністю:
а) карбонільної групи у відкритих формах моносахаридів;
б) спиртових гідроксильних груп як у відкритих, так і в циклічних формах;
в) напівацетальної гідроксильної групи в циклічних формах моносахаридів. Розглянемо хімічні властивості моносахаридів на прикладі найважливішого з
них глюкози.
І. Реакції за участю альдегідної групи глюкози
1. Відновлення до багатоатомного спирту:

При відновленні в молекулах багатоатомних спиртів зберігається конфігурація всіх асиметричних атомів Карбону.
2. Окиснення. Глюкоза легко окиснюється. Залежно від характеру окисників утворюються різні продукти:
1) окиснення під дією слабких (м'яких) окисників приводить до утворення глюко-нової кислоти. До таких реакцій належать якісні реакції на глюкозу як альдегід: реакція з амоніачним розчином аргентум (І) оксиду (реакція «срібного дзеркала») та реакція з купрум (II) гідроксидом у лужному середовищі при нагріванні:

У ході цих реакцій альдегідна група окиснюється до карбоксильної групи; 2) окиснення під дією сильних окисників (наприклад, нітратної кислоти HN03) приводить до утворення двохосновної глюкарової кислоти:

У ході цієї реакції відбувається одночасне окиснення альдегідної та первинної спиртової груп до карбоксильних груп;
3) у разі селективного окиснення первинної спиртової групи без порушення схильної до окиснення альдегідної групи утворюється глюкуронова кислота. Окис-ненню в таких випадках піддають моносахариди із захищеною альдегідною групою, наприклад глікозиди:

Уронові кислоти досить поширені в природі. Вони входять до складу багатьох полісахаридів. D-Галактуронова кислота є компонентом пектину фруктів. .D-Глюку-ронова та L-ідуронова кислоти є структурними одиницями гепарину.
Уронові кислоти виконують в організмі важливу функцію: вони утворюють з лікарськими речовинами, їх метаболітами, токсичними речовинами водорозчинні глікозиди й виводяться з організму із сечею.
II. Реакції за участю гідроксильних груп глюкози
1. Утворення глікозидів. Моносахариди в циклічній формі за рахунок напіваце-тальної гідроксильної групи реагують зі спиртами та фенолами, утворюючи глікозиди. Незалежно від вихідної форми моносахариду в процесі реакції утворюється суміш а- і (3-глікозидів:

Невуглеводну частину молекули глікозиду називають агліконом. Хімічний зв'язок між вуглеводним залишком та агліконом мас назву глікозидного.
Ш Біологічна роль глікозидів
Глікозиди досить поширені в природі. Здебільшого вони є (3-глікозидами. Як аглікони у природних глікозидах часто виступають гідроксильні сполуки спирти, феноли, стероїди. Глікозидний зв'язок у цих сполуках здійснюється через атом Оксигену, тому такі глікозиди називають О-глікозидами. Прикладом О-глікозидів є серцеві глікозиди. У невеликій кількості вони збуджують серцеву діяльність і використовуються в кардіології. У великих дозах це серцеві отрути. Виділяють ці сполуки з різних видів наперстянки (дигіталісу), конвалії, горицвіту та інших рослин.
Крім О-глікозидів відомі ^-глікозиди та S-глікозиди.
До N-глікозидів належать нуклеотиди, нуклеозиди, АТФ, що мають велике значення в хімії нуклеїнових кислот, а також деякі антибіотики.
Прикладом S-глікозидів є глікозид синігрин, у результаті гідролізу якого отримують гірчичну олію (активну речовину гірчичників).
2. Алкілування (утворення етерів, або простих ефірів). Під час взаємодії моносахаридів з галогеноалканами в реакцію вступають усі гідроксильні групи, у тому числі напівацетальний гідроксил:

3. Ацилування (утворення естерів, або складних ефірів). Моносахариди легко аци-луються ангідридами органічних кислот, утворюючи естери за участю всіх гідроксильних груп:



Велике значення мають ефіри неорганічних кислот, особливо фосфати. Вони містяться в усіх рослинних і тваринних організмах і є метаболічно активними формами моносахаридів. Фосфати рибози та дезоксирибози входять до складу нуклеїнових кислот. Фосфати глюкози та фруктози беруть участь в обміні вуглеводів.
III. Бродіння це розщеплення моносахаридів під дією біологічних каталізаторів (ферментів), які виробляються різними мікроорганізмами. Різні мікроорганізми зумовлюють різні види бродіння. Назва видів бродіння визначається назвою продуктів бродіння. Нижче наведено приклади різних видів бродіння глюкози.
І. Спиртове бродіння:


3. Маслянокисле бродіння:

2. Молочнокисле бродіння:
Окремі представники моносахаридів та їхніх похідних
Глюкоза (виноградний цукор) дуже поширена у природі, міститься у винограді та інших плодах, у меду.
Глюкоза є енергетичним «паливом» для організму. Це необхідний компонент крові, її вміст у крові людини становить 80100 мг на 100 мл. Коли вміст глюкози у крові перевищує 180 мг, порушується вуглеводний обмін, виникає цукровий діабет,
У зв'язку з тим, що глюкоза легко і швидко засвоюється, її застосовують як засіб посиленого харчування, а також для виготовлення лікарських препаратів, при консервуванні крові.
Фруктоза (плодовий цукор) міститься у фруктах, меду. В організмі вона легко ізомеризується в глюкозу. Це найкращий вид цукру для хворих на атеросклероз, при порушенні в організмі обміну жирів.
Галактоза входить до складу дисахариду лактози, деяких полісахаридів та гліко-ліпідів. В організмі галактоза легко перетворюється на глюкозу.
Сорбіт (продукт відновлення глюкози) використовують як замінник цукру для хворих на цукровий діабет.
Глюконова кислота (продукт окиснення глюкози) є основою для добування кальцій глюконату, який використовують як джерело Кальцію в організмі, а також як антиалергічний та кровоспинний засіб.
Аскорбінова кислота (вітамін С) за будовою близька до моносахаридів. Вона бере участь в окисно-відновних процесах в організмі, посилює всмоктування Феруму в кишках, необхідна для синтезу норадреналіну в надниркових залозах, має здатність знешкоджувати токсини, сприяє підвищенню стійкості організму до зовнішнього впливу.
Авітаміноз С призводить до розвитку цинги, випадіння зубів, кровоточивості ясен. Багатими джерелами вітаміну С є плоди шипшини, цитрусові, чорна смородина, свіжі овочі, квашена капуста. Добова потреба організму людини у ньому становить 60100 мг. Особливістю вітаміну С є його швидка окиснюваність в організмі, що свідчить про необхідність щоденного споживання аскорбінової кислоти.
Нейрамінова кислота містить 9 атомів Карбону. У природі трапляється у вигляді похідних, об'єднаних загальною назвою сіалові кислоти. Сіалові кислоти входять до складу мембран клітин, гангліозидів мозку, що беруть участь у проведенні нерво вих імпульсів. Визначення сіалових кислот у крові використовують для діагностики запальних процесів (ревматизму, туберкульозу), якщо їх рівень підвищується. j
Дисахариди
Дисахаридами називають вуглеводи, що складаються з двох залишків моносахаридів однакової або різної природи, сполучених між собою глікозидним зв'язком. Як О-глікозиди, вони легко гідролізуються в кислому середовищі з утворенням двох молекул моносахаридів. Найважливіші природні представники дисахаридів: сахароза (тростинний цукор), мальтоза (солодовий цукор), лактоза (молочний цукор). Усі вони мають одну молекулярну формулу C12H220n, тобто є ізомерами.
Залежно від способу утворення глікозидного зв'язку дисахариди поділяють на дві групи відновлювальні та невідновлювальні.
У відновлювальних дисахаридах глікозидний зв'язок утворюється за рахунок напівацетального гідроксилу одного моносахариду та будь-якого спиртового гідроксилу (найчастіше біля С-4) другого моносахариду. При цьому в молекулі дисахариду залишається одна вільна напівацетальна гідроксильна група, внаслідок чого дисахарид зберігає здатність до цикло-оксо-таутомерії і має відновлювальні властивості (відновлює Си(ОН)2 та Ag20). Представниками відновлювальних дисахаридів є мальтоза і лактоза.
Мальтоза основний продукт розщеплення крохмалю під дією ферменту амілази, що виділяється слинними залозами. Молекула мальтози складається з двох залишків Ј>-глюкози. При цьому залишок глюкози, напівацетальний гідроксил якого бере участь в утворенні глікозидного зв'язку, знаходиться в а-формі, а залишок другої молекули глюкози може мати як а-, так і (З-конфігурацію.

Лактоза (складається із залишків глюкози й галактози) важливий вуглевод молока. Відрізняється від решти цукрів відсутністю гігроскопічності й тому використовується для приготування порошків. Входить до складу сумішей для дитячого дієтичного харчування.

Сахароза (складається із залишків глюкози та фруктози) міститься в цукровій тростині, цукровому буряку, соках рослин і плодах. Використовується для виготовлення сиропів, мікстур для дітей.

Щ Сахароза і карієс зубів
Науково доведено, що причиною руйнування зубів є зубний наліт і молочна кислота. В 1 мл слини міститься понад 100 млн різних бактерій! Бактерії містять фермент, що розщеплює сахарозу до глюкози та фруктози. Потім відбувається синтез полісахариду декстрану, що складається з глюкози. Цей полісахарид міцно зв'язує емаль зуба і бактерії. Інший продукт фруктоза утилізується бактеріями в результаті молочнокислого бродіння. Молочна кислота, що утворюється, підвищує рН середовища ротової порожнини й починає розчиняти кальцій, що входить до складу зубної емалі. Отже, вживання навіть малих кількостей солодощів призводить до карієсу зубів.
Полісахариди
Полісахариди це продукти поліконденсації моносахаридів. За хімічною будовою їх слід розглядати як поліглікозиди. Кожна ланка моносахариду сполучена гліко-
зидним зв'язком з попередньою та наступною ланками. При цьому для зв'язку з наступною ланкою надається налівацетальна гідроксильна група, а з попередньою спиртова, найчастіше при С-4! або' С-6. На кінці ланцюга знаходиться відновлюваль-ний залишок моносахариду, але його частка в макромолекулі дуже мала, тому полісахариди практично не мають відновлювальної здатності.
Глікозидна природа полісахаридів зумовлює їх гідроліз у кислому середовищі. Повний гідроліз призводить до утворення моносахаридів або їхніх похідних, неповний до ряду проміжних продуктів, у тому числі дисахаридів.
Якщо до складу полісахаридів входять залишки тільки одного моносахариду, то їх називають гомополісахаридами. Полісахариди, що складаються з різних моносаха-ридних одиниць, називають гетерополісахаридами.
Гомополісахариди
Крохмаль природна суміш двох полісахаридів: амілози (1020 %) та амілопектину (8090 %). Він утворюється в рослинах у процесі фотосинтезу і «запасається» в бульбах, коренях, зернах. Крохмаль складова більшості харчових продуктів, що забезпечують тварин і людей вуглеводами.
Відмінності в будові амілози та амілопектину зумовлені характером глікозидних зв'язків.
Амілоза лінійний полімер, що містить понад 1000 залишків а-глюкози, сполучених а-1,4-глікозидним зв'язком:

Амілопектин полімер розгалуженої будови. Число залишків а-глюкози в молекулах амілопектину значно більше, ніж в амілозі. Основні ланцюги макромолекул мають а-1,4-глікозидні зв'язки, а в точках розгалуження а-1,6-глікозидні зв'язки. Між точками розгалужень міститься 2025 залишків глюкози.
Гідроліз крохмалю у травному каналі відбувається під дією ферменту амілази, що розщеплює глікозидні зв'язки. Кінцевим продуктом гідролізу є глюкоза.
Крохмаль використовують у медицині для виготовлення мазей, присипок як клейку речовину.
Глікоген полісахарид, що виконує функцію резервного вуглеводу в організмі тварин і людини. За своєю будовою він подібний до амілопектину, однак містить більше число залишків а-глюкози і має вищий ступінь розгалуження основного ланцюга (612 залишків між точками розгалуження).
Глікоген запасається в печінці та м'язах. Значна розгалуженість ланцюгів глікогену сприяє виконанню ним енергетичної функції, оскільки наявність великої кількості кінцевих залишків сприяє «атакуванню» їх ферментами з різних боків одночасно:

Целюлоза, або клітковина, найпоширеніший рослинний полісахарид, що є складовою оболонок рослинних клітин. Вона має високу міцність і виконує роль опорного матеріалу рослин.
Структурною одиницею целюлози є (З-глюкоза, залишки якої сполучені (3-1,4-глі-козидним зв'язком:

Макромолекула містить 250012 000 глюкозних залишків. {З-Конфігурація приводить до того, що макромолекула целюлози має чітку лінійну будову. Цьому сприяє утворення водневих зв'язків усередині ланцюга та між сусідніми ланцюгами. Завдяки такій будові целюлоза хімічно інертна, важко гідролізується. Целюлоза не розщеплюється звичайними ферментами травного каналу, але є необхідним баластним компонентом їжі, що поліпшує травлення. Вона стимулює моторику шлунка й кишок, виділення травних соків, створює відчуття ситості; виводить з травного каналу барвники, важкі метали та радіоактивні елементи, що потрапляють з їжею; бере участь в утворенні калових мас.
Гетерополісахариди Всі гетерополісахариди мають лінійну будову та дисахаридний фрагмент, що повторюється по всій довжині макромолекули. До складу дисахаридного фрагменту входять уронова кислота (D-глюкуронова, D-галактуронова, L-ідуронова) та N-аце-тилгексозамін (N-ацетилглюкозамін, N-ацетилгалактозамін).
Гіалуронова кислота входить до складу міжклітинної речовини, забезпечує скріплення клітин між собою, слугує бар'єром для мікроорганізмів. Мікроорганізми, що містять фермент гіалуронідазу, здатні проникати у клітини.
Муцини слизові речовини; наявність їх у слизу підвищує його в'язкість. Вони захищають стінки порожнистих органів (стравохід, кишки, бронхи тощо) від механічних ушкоджень та проникнення патогенних мікроорганізмів.
Гепарин запобігає згортанню крові. Його використовують у медицині як антикоа-гулювальний засіб.
Біохімічні показники обміну вуглеводів
Рівень глюкози у крові в нормі становить 3,335,55 ммоль/л.
Гіперглікемія підвищення рівня глюкози в крові. Гіперглікемії можуть бути панкреатичного і позапанкреатичного походження.
Панкреатичні гіперглікемії спостерігаються при цукровому діабеті, гострих і хронічних ураженнях підшлункової залози. В основі цукрового діабету лежить інсулінова недостатність, що й призводить до накопичення глюкози в крові, а в разі перевищення ниркового порога й до глюкозурії.
Позапанкреатичні гіперглікемії бувають аліментарними, нервовими,, печінковими, гормональними.
Аліментарну гіперглікемію розглядають як фізіологічну. Вона спостерігається в разі надмірного надходження вуглеводів з їжею. Гіперглікемія цього типу швидко минає.
Нервові гіперглікемії (емоційні) є наслідком підвищення рівня гормону адреналіну, який прискорює розщеплення глікогену в печінці та м'язах до глюкози.
Глюкозурія поява глюкози в сечі (в нормі її немає) в разі підвищення її рівня в крові вище ниркового порога (7,77 ммоль/л).
Гіпоглікемія зниження рівня глюкози в крові. Може бути наслідком голодування, важких фізичних навантажень, передозування інсуліну хворим на цукровий діабет.

















Рисунок 1Рисунок 2Рисунок 3Рисунок 4Рисунок 6Рисунок 7Рисунок 10Рисунок 18Рисунок 19Root Entry

Приложенные файлы

  • doc 1444419
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий