Кафедра фундаментальной и клинической биохимии Тема лекции: Введение. Современные направления развития медицины. Методы исследования в медицине. Профессор Литвинова Т. Н. 2/17/2018
Вариативный курс ФХО Основы количественного анализа 2/17/2018 Соединения биогенных элементов, их исследование Физикохимические методы анализа
Подходы к медицинскому образованию: 1. Традиционный 2. Университетский ФФМ МГУ 2/17/2018 Молекулярная медицина – новое направление в образовании и науке
Молекулярная медицина • Молекулярно-генетическая диагностика инфекционных и наследственных заболеваний • Рекомбинантные белки • Терапевтические антитела • Генная терапия • Клеточная терапия • Клонирование и регенерация тканей • Наномедицина 2/17/2018
Рекомбинантные белки - результат новых комбинаций генов, которые формируют ДНК. Рекомбинантные технологии ДНК позволяют получать модифицированные белки человека и млекопитающих в больших количествах. Урокиназа человека, экспрессированная в клетках кишечной палочки выделенный и очищенный препарат используется для разрушения тромбов при инфаркте миокарда 2/17/2018
Молекулярно-генетическая диагностика Определение структуры генов человека для выявления мутаций и полиморфизмов. Определение структуры генов вирусов или бактерий для идентификации возбудителя инфекционной болезни. Определение активности генов человека для диагностики и подбора лекарств. Количественное определение возбудителя инфекционной болезни в жидкостях и тканях. 2/17/2018
Терапевтические антитела Растворимые антитела, связывая вредные вещества, действуют как лекарства 2/17/2018 Антитела, пришитые к контейнерам с лекарствами, позволяют доставлять эти лекарства к нужным мишеням
Разрешено к применению (муковисцедоз, гемофилия В и др. ) Генная терапия Г. т. - внесение изменений в генетический аппарат соматических клеток человека в целях лечения заболеваний. Экспериментальные разработки (иммунодифицит и др. ) 2/17/2018 Клинические испытания (гемофилилия А и др. )
Нанотехнологии в медицине Создание нанороботов для коррекции клеточных и молекулярных дефектов в организме Визуализация патологических процессов в организме с помощью селективных контрастных агентов на основе наночастиц Разработка систем адресной доставки лекарственных веществ, генов и белков в клетки и ткани с помощью наночастиц, вирусных частиц, липосом и молекулярных моторов 2/17/2018 Высокочувствительное определение биомаркеров (ДНК, белки, метаболиты) в целях диагностики заболеваний и контроля за процессом лечения
Наномедицина Упаковка терапевтических генов в наночастицы, имитирующие структуру вирусов, для доставки этих генов внутрь клеток 2/17/2018
Визуализация метастазов в лимфоузлах при раке простаты с помощью лимфотропных наночастиц и МРТ 2/17/2018
• • Регенеративная медицина - генная терапия; - клеточная терапия; - тканевая инженерия; - регуляция эндогенных регенеративных процессов 2/17/2018 Заболевания, которые можно вылечить только методами генной и клеточной терапии • Ишемия сердца после инфаркта • Сердечная недостаточность • Некоторые виды раковых опухолей • Цирроз печени • Диабет I типа • Паркинсонизм • Болезнь Альцгеймера • Дегенеративные заболевания сетчатки • Деструктивные заболевания суставов • Травматическое повреждение спинного мозга
Стволовые клетки – это клетки, способные как к самообновлению, так и к дифференцировке в специализированные клетки тотипотентные Эмбриональные стволовые клетки (плюрипотентные) Все ткани организма содержат стволовые клетки 2/17/2018 Тканеспецифичные стволовые клетки (мультипот ентные)
Клеточная терапия 2/17/2018 Выявлены и выделены «взрослые» стволовые клетки, способные регенерировать поврежденную ткань. Налажено выращивание аутологичных стволовых клеток человека для клеточной терапии. На этой основе будут созданы методы клеточной терапии излечивания диабета, цирроза печени, инфаркта миокарда, нейродегенеративных заболеваний, травм спинного мозга, восстановление суставов, зубов, сетчатки глаза, волосяных луковиц и др.
Клеточная терапия Нервная ткань Трансплантация в поврежденный орган Миокард жировая ткань Сосуды 2/17/2018 Выделение стволовых клеток из соматических тканей 1000 -кратное увеличение числа стволовых клеток
Лечение инфаркта миокарда, клеточная терапия точка введения баллонный катетер миграция клеток в очаг инфаркта зона инфаркта Отечественное оборудование безоперационного введения клеточных препаратов в миокард 2/17/2018 Значительное сокращение зоны инфаркта
Клеточная терапия без клеток Основные итоги: Разработаны технологии культивирования стволовых клеток пациентов для лечения инфаркта миокарда, ожогов, пародонтоза и предотвращения ампутации конечностей при диабете 2/17/2018 Лечение ишемии конечностей введены клетки Проблемы: Механизмы миграции стволовых клеток в зону повреждения. Влияние «ниши» на дифференцировку и пластичность клеток
Тканевая инженерия Восстановление роговицы глаза с помощью пласта культивированных клеток 2/17/2018 Моделирование тканей in vitro
Перспективы молекулярной медицины Химия Биохимия Генетика Физиология Молекулярная медицина Персонифицированная медицина: Генодиагностика Геномика Протеомика (инвентаризация Регенеративная медицина: Генная терапия Клеточная терапия Тканевая инженерия Регуляция регенеративных процессов в организме белков в клетке) Компьютерная диагностика ФГОС 2/17/2018
Лабораторная диагностика Л. Д. - совокупность физико-химических, биохимических и биологических методов диагностики, исследующих отклонения в составе и изменения свойств тканей и биологических жидкостей больного, а также выявляющих возбудителей болезней. Среди диагностических исследований в мировой практике суммарная стоимость лабораторных исследований занимает первое место. Л. Д – самостоятельный раздел клинической медицины. 2/17/2018
Лабораторная диагностика Задачи лабораторной диагностики: 1) разработка методов лабораторных исследований; 2) разработка требований к качеству выполнения аналитических методов и средств обеспечения этих требований, 3) установление пределов нормальных индивидуальных колебаний каждого исследуемого параметра состава и свойств биологических жидкостей и тканей; 4) изучение закономерных связей лабораторно выявляемых патологических отклонений с сущностью патологического процесса при конкретных заболеваниях; 5) установление диагностической, дифференциальнодиагностической и прогностической ценности отдельных лабораторных тестов и их комбинаций; 6) создание диагностических лабораторных программ для оптимизации диагностики. 2/17/2018
Лабораторная диагностика Теоретической основой Л. Д. являются как медицинские, так и фундаментальные науки, прежде всего химия, биохимия, физика, биофизика, молекулярная биология, микробиология, математика, развитие которых определяет прогресс возможностей и качества Л. Д. В соответствии с объектами и методами исследования формируются : клиническая биохимия, токсикология, клиническая микробиология, клиническая иммунология, клиническая паразитология, клиническая цитология; клиническая иммунология и др. 2/17/2018
Лабораторная диагностика На современном этапе развития Л. Д. наиболее совершенными являются методы, имитирующие эндогенные обменные процессы, т. е. методы, основанные на образовании антител, рецепторном взаимодействии, различные виды белоксвязывающего анализа для определения гормонов, методы с применением пептидных субстратов с хромогенной или люминесцентной меткой для оценки активности различных ферментов. 2/17/2018
Лабораторная диагностика Правильную диагностическую информацию с помощью лабораторных исследований можно получить, зная нормальные величины данного лабораторного теста, пределы внутри- и межиндивидуальных колебаний и влияние на них различных факторов. Источниками вариабельности показателей Л. д. являются такие биологические факторы, как возраст, пол, масса и поверхность тела (особенно важны при обследовании детей); околосуточные месячные и сезонные ритмы; этническое происхождение; условия, в которых производится забор материала для анализа (положение тела, физическое напряжение, прием жидкости, курение, прием лекарств, стресс и др. ), а также климатогеографические условия и экологическая обстановка в районе проживания больного. 2/17/2018
Лабораторная диагностика Истинно нормальными (референтными) считают величины лабораторных показателей, установленные в группах тщательно обследованных здоровых лиц в возрасте 20 - 30 лет, а нормальными для контингента, отличающегося по каким-либо признакам (по полу, возрасту, профессии, месту обитания и т. д. ), — величины этих показателей у здоровых лиц данного контингента. При этом в оценке отклонений величины какоголибо показателя учитывают и так называемую индивидуальную норму — величину показателя у данного пациента, установленную ранее при профилактических и диспансерных обследованиях. Надежность результатов зависит от качества применяемых лабораторией методов, приборов, реактивов, калибровочных материалов, от тщательности работы персонала. 2/17/2018
Лаборатории 1. Научно-исследовательские лаборатории: • Физические • Химико-биологические • Бактериологические 2. Клинико-диагностические лаборатории : лаборатории общего типа производят общеклинические, гематологические, биохимические, иммунологические, цитологические, серологические, микробиологические и другие виды исследований. специализированные лаборатории создаются в составе диспансеров, госпиталей, женских консультаций, роддомов, санаториев и т. д. , они выполняют общие и специальные лабораторные исследования в соответствии с профилем учреждения. 2/17/2018
Классификация методов анализа 1. По объектам анализа: неорганический и органический. 2. По цели: качественный и количественный. Количественный анализ позволяет установить количественные соотношения составных частей данного соединения или смеси веществ. В отличие от качественного анализа количественный анализ дает возможность определить содержание отдельных компонентов анализируемого вещества или общее содержание определяемого вещества в исследуемом объекте. Методы качественного и количественного анализа, позволяющие определить в анализируемом веществе содержание отдельных элементов, называют элементным анализом; функциональных групп – функциональным анализом; индивидуальных химических соединений, характеризующихся определенной молекулярной массой, – молекулярным анализом. 2/17/2018
Классификация методов анализа Совокупность разнообразных химических, физических и физико-химических методов разделения и определения отдельных структурных (фазовых) составляющих гетерогенных систем, различающихся по свойствам и физическому строению и ограниченных друг от друга поверхностями раздела, называют фазовым анализом. 3. По способу выполнения: химические, физические, физико-химические (инструментальные) методы. 4. По массе пробы: Макро – (>> 0, 10 г), Полумикро – (0, 10 – 0, 01 г), Микро – (0, 01 – 10− 6 г), Ультрамикроанализ (< 10− 6 г ). 2/17/2018
Физические методы анализа Эти методы основаны на использовании зависимости физических свойств вещества от их химического состава. 1. Спектральный анализ основан на исследовании спектров поглощения и испускания исследуемого вещества. По интенсивности характеристических спектральных линий судят о количественном составе вещества. Изобретение спектрального анализа принадлежит немецким ученым - физику Г. Кирхгофу и химику Р. Бунзену (1859 г. ) 2/17/2018
Физические методы анализа 2. Люминесцентный анализ основан на зависимости интенсивности люминесценции (свечения) от концентрации вещества. Эту зависимость впервые установил русский ученый С. И. Вавилов (1891 -1951). молекула + hν →молекула* (возбужденное состояние) Эту реакцию можно осуществить за счет: света – фотолюминесценция; рентгеновских лучей – рентгенолюминесценция; радиоактивного излучения – радиолюминесценция; химических реакций – хемилюминесценция. Эти методы, обладая очень низким пределом обнаружения (10− 6 – 10− 8%, иногда до 10− 9%) оказались весьма эффективными при анализе редких и рассеянных элементов, высокочистых веществ. 2/17/2018
Физические методы анализа 3. Рефрактометрия – зависимость показателя преломления от концентрации. Преломление (рефракция) – изменение направления прямолинейного распространения при переходе из одной среды в другую, при этом происходит взаимодействие света со средой. Рефрактометрия – измерение преломления света, которое оценивается величиной показателя преломления. Метод отличается простотой выполнения и обеспечивает точность до 10− 3%, поэтому находит широкое применение. В фармацевтическом анализе этот метод применяется для идентификации лекарственных веществ, установления их чистоты и количественного анализа. 2/17/2018 Универсальный лабораторный рефрактометр ИРФ 454 -Б 2 М - высокоточный оптический прибор, предназначенный для определения коэффициента рефракции, величины дисперсии жидкостей, твердых тел, а также для определения содержания сахара в водных растворах.
Физические методы анализа 4. Денсиметрия – зависимость плотности от концентрации вещества Царь Гиерон поручил физику Архимеду определить состав золотой короны. Архимед по плотности определил, что она состоит не из чистого золота, а из сплава золота и серебра. Определение проводят с помощью денсиметра (ареометра). Имеются таблицы зависимости концентрации от плотности растворов различных кислот, оснований и солей. Метод находит широкое применение в аналитической химии, так как от концентрации реагентов зависят многие параметры протекания химических реакций. По изменению плотности костей судят об их состоянии при лечении остеопороза. 2/17/2018
Физические методы анализа 5. Рентгеноструктурный анализ – для исследования веществ используют рентгеновские лучи (анализ сплавов, металлов, материалов и др). 6. Магнитная спектроскопия. В последнее время метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) нашли широкое применение в аналитической химии, медицине ЯМР основан на использовании обусловленного ядерным магнетизмом резонансного поглощения электромагнитных волн исследуемым веществом. ЭПР – использование явления резонансного поглощения электромагнитных волн парамагнитными частицами в постоянном магнитном поле. 2/17/2018
Физические методы анализа Явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР), открытое в 1945 г. Ф. Блохом и Э. Перселлом, лауреатами Нобелевской премии, легло в основу создания нового вида спектроскопии, который в очень короткий срок превратился в один из самых информативных методов исследования молекулярной структуры и динамики молекул, межмолекулярных взаимодействий, механизмов химических реакций и количественного анализа веществ в различных агрегатных состояниях. Начиная с 1953 г. , когда были выпущены первые спектрометры ЯМР, техника ЯМР непрерывно совершенствуется, лавинообразно нарастает поток исследований, возникают новые и расширяются традиционные области применения в химии, физике, биологии и медицине. 2/17/2018
Физические методы анализа 7. Атомно-абсорбционный метод основан на способности атомов металлов в газах пламени по глощать световую энергию при определенном значении длины волны. Атомно-абсорбционный метод позволяет определять примеси до 10− 12 %. Около 70 % элементов периодической системы Д. И. Менделеева определены этим методом. В Японии изготавливают приборы, позволяющие одновременно определять более 70 элементов. 2/17/2018
Физико-химические методы анализа и исследования – это условное название большого числа способов количественного и качественного определения веществ, которые предполагают, как правило, применение различных, часто довольно сложных, измерительных приборов. За рубежом распространен термин “инструментальные методы анализа” или “приборные методы”. В основе физико-химических методов лежат законы физики и физической химии, а аппаратурное оформление основано на применении современных достижений оптики и электроники. 2/17/2018
Наибольшее практическое значение среди ФХМА имеют следующие: 1) оптические методы; 2) электрохимические методы; 3) хроматографические методы анализа Оптические методы исследования веществ основаны на способности этих веществ порождать оптическое излучение или взаимодействовать с ним. Колориметрия широко применяется в санитарногигиенических лабораториях и при клинических исследованиях, в частности , крови. 2/17/2018
Колориметрия — метод количественного определения содержания веществ в растворах по интенсивности их окраски. В основе колориметрии лежит закон Бугера— Ламберта—Беера, согласно которому интенсивность окраски пропорциональна концентрации окрашенного вещества в растворе и толщине его слоя. Колориметрию можно производить визуальными и фотоэлектрическими способами при помощи колориметров (ФЭК). 2/17/2018
Колориметрия К визуальным способам колориметрии принадлежат: 1. определение при помощи стандартных серий (цветовой шкалы) 2. способ уравновешивания. При использовании стандартных серий сравнивают интенсивность окраски исследуемого раствора с окрасками стандартных растворов, соответствующих различным известным концентрациям испытуемого вещества. В колориметрах, используемых при способе уравновешивания, интенсивность света, проходящего через испытуемый и стандартный растворы, уравнивается изменением толщины слоя одного из растворов. 2/17/2018
Колориметрия Принцип фотоэлектрической колориметрии заключается в регистрации фотоэлементом интенсивности монохроматического света (выделенного светофильтром), прошедшего через окрашенный раствор. При прохождении белого света с интенсивностью I 0 через прозрачный стеклянный сосуд, заполненный раствором, происходит ослабление этого света. Выходящий свет будет иметь другую, меньшую, интенсивность I. Ослабление светового потока связано, в основном, с поглощением световой энергии Iа раствором. Кроме того, имеет место отражение света Iотр от границ раздела воздухстекло, стекло-раствор. Также, в растворе происходит рассеяние света Iр мельчайшими взвешенными частицами. 2/17/2018
В практике аналитической химии и биохимии не определяют абсолютные фотометрические величины I 0 и I исследуемого раствора, а измеряют их по отношению к фотометрическим величинам другого раствора сравнения (стандарта, холостой пробы) с известными параметрами и налитого в точно такой же сосуд, как и исследуемый раствор. 2/17/2018
Фотоэлектроколориметрия Фотометрические исследования проводятся на фотометрах и спектрофотометрах, с помощью которых измеряют оптические плотности окрашенных растворов исследуемых веществ в спектральном диапазоне поглощения веществ. Фотоколори метр — оптический прибор, измерения концентрации веществ в растворах в котором, ведутся в луче полихроматического узко спектрального света, формируемого светофильтром. Применение различных светофильтров с узкими спектральными диапазонами пропускаемого света позволяет определять по отдельности концентрации разных компонентов одного и того же раствора. В отличие от спектрофотометра фотоколориметры просты, недороги и при этом обеспечивают точность, достаточную для многих применений. 2/17/2018
Измерения с помощью колориметра отличаются простотой и быстротой проведения. Точность их во многих случаях не уступает точности других, более сложных методов химического анализа. Нижние границы определяемых концентраций в зависимости от метода составляют от 10− 3 до 10− 8 моль/л. 2/17/2018
Спектрофотометры, приборы, в которых монохроматическое излучение создается при помощи монохроматора. Мощность светового потока, прошедшего через исследуемый раствор определяется с помощью фотодетекторов – приемников светового излучения. В современной аппаратуре это, в основном, фотоэлементы и фотодиоды. 2/17/2018
Микропланшетный ридер Anthos 2020 предназначен для использования в in vitro диагностике. Фотометр имеет встроенный компьютер и экран, отображающий каждый этап работы и облегчающий конструирование тестов и их проведение. Микропланшетные фотометры фирмы Anthos серии Зенит (Zenyth 340) – это универсальные ридеры для всех типов колориметрических измерений. В отличие от фотоэлектроколориметров спектрофотометры позволяют проводить более тонкие и точные исследования, в более широком спектральном диапазоне (от 190 до 50000 нм). 2/17/2018
Биохимические анализаторы — приборы, использующие для клинических и химических исследований различные механические и компьютерные технологии. С их помощью возможно определение наличия и концентрации электролитов, субстратов, ферментов, липидов, специфических белков, гормонов, лекарственных препаратов и наркотических веществ в практически любых видах биологического материала: сыворотка, плазма, спинномозговая жидкость, моча. 2/17/2018
Биохимические анализаторы Различают полностью автоматические и полуавтоматические биохимические анализаторы. Первые выполняют большинство операций: отбор материала и необходимых реагентов, их смешивание и нагрев, анализ и обработка полученных данных, их распечатка и промывание оборудования после завершение всех процедур с исследуемыми образцами автоматически. Полуавтоматические биохимические анализаторы требуют подготовки анализируемых реакционных смесей вручную и их использование больше подходит для небольших лабораторий с малым количеством исследуемых материалов. 2/17/2018
Биохимические анализаторы для автоматизации процесса подготовки и проведения анализов могут быть укомплектованы: — роботами-манипуляторами (со встроенными термоэлементами); — лабораторными центрифугами под картриджи с реагентами и для пробирок с пробами; — различными системами обработки информации для формирования рабочих листов, регистрации пациентов и формирования базы данных по ним, контроля для ходом реакций, расчетом концентрации и необходимых материалов и распечатки результатов. 2/17/2018
Биохимические анализаторы Использование биохимических анализаторов в биохимических и клинико-диагностических лабораториях обеспечивает точность измерений, экономию реактивов, простоту управления, легкое документирование результатов и длительную безотказную работу. 2/17/2018
Бионеорганическая химия возникла на основе биологии, биохимии и неорганической химии, изучает химические реакции, протекающие в живой клетке с участием неорганических ионов. Бионеорганическая химия – это химия ионов биометаллов и их биокомплексов 2/17/2018
БОХ – фундаментальная наука на стыке химии и биологии Биоорганическая химия — наука, которая изучает связь между строением органических веществ и их биологическими функциями. Объектами изучения являются биологически важные природные и синтетические соединения, такие как биополимеры, витамины, гормоны, антибиотики, лекарственные препараты и т. д. В задачи биоорганической химии входит изучение строения и синтез природных и синтетических биологически активных соединений, выяснение зависимости между их строением и биологическим действием, изучение их химических превращений внутри и вне организмов. 2/17/2018
2/17/2018
КВАНТОВЫЙ «ПАСПОРТ» ЭЛЕКТРОНА n = 3 l = 0 s l = 1 p Значения числа ml 0 -1 0 +1 l = 2 d -2 -1 0 +1 +2 КВАНТОВАЯ «СЕТКА» АТОМА n 1 2 3 s 2/17/2018 p d
s-орбиталь 2/17/2018 l = 0, m = 0
p-орбитали 2/17/2018 l = 1, m = -1, 0, +1
p-орбитали 2/17/2018
d-орбитали 2/17/2018 l = 2, m = -2, -1, 0, +1, +2
dxy-орбиталь 2/17/2018
Многоэлектронный атом Фундаментальные закономерности Принцип минимума энергии Первое правило Клечковского Из двух конкурентных орбиталей первой заполняется та, для которой меньше сумма значений главного и орбитального квантового числа (n + l) Второе правило Клечковского Если сумма значений главного и орбитального квантового числа у двух орбиталей одинакова, первой заполняется орбиталь с меньшим значением главного квантового числа 2/17/2018
1 s < 2 p < 3 s < 3 p < 4 s < 3 d < 4 p < 5 s < 4 d < 5 p < 6 s < 4 f < 5 d < 6 p < 7 s… 4 s < 3 d < 4 p 5 s < 4 d < 5 p Принцип исключения Паули – Правило Гунда 2/17/2018
Принцип Паули В атома не может быть двух электронов с одинаковым набором значений всех четырех квантовых чисел. Максимальное число электронов на всех орбиталях данного энергетического подуровня равно: Xi = 2(2 l + 1). Максимальное число электронов на энергетическом уровне равно: Xn = 2 n 2
Правило Гунда В невозбужденных атомах электроны в пределах данного подуровня занимают максимальное число свободных орбиталей, при этом суммарное спиновое число максимально Два электрона на одной орбитали называются спаренными, а одиночный электрон на орбитали – неспаренный.
2/17/2018
Химическая связь 2/17/2018
Ковалентная связь неполярная 2/17/2018
: : : Cl· : : H· δ+ : : H : Cl: Ковалентная связь полярная или δ- H - Cl Δ Э. О. = 2, 83 – 2, 1 = 0, 82 2/17/2018
Ковалентная связь Связь к. Дж/моль C-O 360 415 O-H N-H C-C 348 S-S 225 С=С 620 N N 947 C=N 615 P-O 502 2/17/2018 393
Ковалентная связь донор H. . + H+ H: N: . . акцептор H H. . + [ H: N: H ]. . H 2/17/2018 Ион аммония
Теория кислот и оснований Льюиса Кислоты – вещества, имеющие свободную валентную орбиталь. Кислоты – акцепторы электронных пар. Основания – вещества, имеющие неподеленную электронную пару. Основания – доноры электронных пар (акцепторы протона). . . + +. O-H H. . . H-O-H. . Обратите внимание: Кислоты по Льюису могут не содержать протонов (например, Cr+3)! 2/17/2018 Основания по Льюису могут не содержать гидроксильных групп (например, NH 3)!
Гибридизация sp-гибридизация + 180 o Be. F 2 2/17/2018
sp 2 -гибридизация + 120 o 2/17/2018
sp 2 -гибридизация F F BF 3 2/17/2018 F
sp 3 -гибридизация тетраэдр + 109 o 28’ 2/17/2018
sp 3 -гибридизация 2/17/2018
sp 2 d-гибридизация квадрат + 2/17/2018 Ni. X 42 -
sp 3 d 2 -гибридизация + Тетрагональная бипирамида 2/17/2018
sp 3 d 2 -гибридизация SF 6 Feгем Тригонально-призматическая пространственная конфигурация молекулы, центральный атом которой включает sp 3 d 2 гибридные орбитали 2/17/2018 Октаэдрическая пространственная конфигурация молекулы, центральный атом которой включает sp 3 d 2 -гибридные орбитали
Ион-ионное взаимодействие, 40 -400 к. Дж/моль Ca 52+(OH-)(PO 43 -)3 Гидроксиапатит костной ткани -NH 3 -OOC- Полипептиды -NH 3 -O-P(=O)< Молекула ДНК - гистоны 2/17/2018
Слабые взаимодействия Ион-дипольные взаимодействия + 2/17/2018 -
Диполь-дипольные взаимодействия 2/17/2018
Водородная связь межмолекулярная внутримолекулярная F H 2/17/2018 H F салициловая кислота
Вода 2/17/2018
Полипептиды -спираль 2/17/2018 -складка
ДНК 2/17/2018
Гидрофобные взаимодействия 2/17/2018
Сравнительный анализ слабых взаимодействий Тип Ион-диполь Дипольиндуцированный диполь Гидрофобное взаимодействие Водородная связь 2/17/2018 к. Дж/моль Пример 4 - 40 Na+(H 2 O)4 0. 4 - 4 >O S< 0. 4 -OH C 6 H 5 - 1 - 20 4 - 40 -R R- -R C 6 H 5 -C 6 H 5 H 2 O…H 2 O Пептид…пептид Пептид… H 2 O Роль гидратированные ионы между полярными группами между полярными и неполярными группами между неполярными группами вода в биосредах, строение полипептидов, строение ДНК
Ионная связь • ИОННАЯ СВЯЗЬ– образуется между атомами металлов и неметаллов, т. е. между атомами, резко отличающимися друг от друга по значениям электроотрицательности. (Например, Na. Cl, K 2 O, Li. F) 2/17/2018
Ионная химическая связь это связь, образовавшаяся за счет электростатического притяжения катионов и анионов 2/17/2018
Металлическая связь • Связь в металлах и сплавах, которую выполняют относительно свободные электроны между ионами металлов в металлической кристаллической решетке Схема образования металлической связи: о п+ М — пе М 2/17/2018
Металлическая связь 2/17/2018 Металлическую связь образуют элементы, атомы которых на внешнем слое имеют мало валентных электронов по сравнению с большим числом внешних энергетически близких орбиталей. Их валентные электроны слабо удерживаются в атоме. Электроны, осуществляющие связь, обобществлены и перемещаются по всей кристаллической решетке в целом нейтрального металла.
Элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности клеток и организмов, называются биогенными элементами. Биогенные элементы Макроэлементы Микроэлементы Ультрамикро -элементы Макроэлементы– массовая доля 10– 2 % и больше (H, C, N, O, P, S, Cl, Na, K, Mg, Ca). Na+aq, K+aq, Mg 2+aq, Ca 2+aq В организме: 60 г 180 г 140 г 1000 г Особенности: - широко распространены в природе; - высокая концентрация в организме; - постоянная степень окисления. 2/17/2018
2/17/2018
2/17/2018
Зубы: Ca, P, F Кровь: Fe, Na, Li, Ca, K Мозг: Na, Mg, K Печень: Li, Se, Mo, Zn, Ca, Mg, K, Cu 2/17/2018 Щитовидная железа - I, йод
Водород образует только ковалентные связи: Н-С , Н-S, H-N, H-O Типы кислот НХ: ОН- карбоновые кислоты, спирты, фенолы SH- тиолы NH- амиды, имиды, амины СН- УВ и их производные Н+ - сильный окислитель, но в живых системах окислит. способность в нейтральной среде понижается, окислит. свойств не проявляет, участвует в ОВР, способствуя превращениям: СН 3 СОСООН + 2ē + 2 Н+ СН 3 СНОНСООН В организме нет Н 2, Н 2/17/2018
Углерод образует ковалентные связи с лабильной общей электронной парой: С-С, С-О, С-Н, С-N, C-S, C=S Гидрокарбонатная буферная система СО 2+Н 2 О Н 2 СО 3 Н+ + НСО 3– Открытая система быстрого реагирования Ca. CO 3, Mg. CO 3, CO 2, HCN, KCN Hb билирубин + CO (в организме) 2 мг/л СО 60 мин карбоксигемоглобин 5 мг/л СО 5 мин Hb O 2 + CO Hb CO + O 2 оксигемоглобин 2/17/2018
Оксид углерода (IV). СО 2 – бесцветный, негорючий газ, с чуть кисловатым запахом и вкусом, в 1, 5 раза тяжелее воздуха, мало растворим в воде, не поддерживает дыхание и горение (содержание в воздухе СО 2 более 10% смертельно опасно). Молекула СО 2 линейна (атом углерода находится в sp-гибридизации), неполярна О=С=О. В оксиде углерода(IV) валентность атома углерода равна IV, что существенно меняет свойства углекислого газа. Он не горит, не поддерживает дыхания и горения, не ядовит, но большие концентрации СО 2 (свыше 10%) вызывают сильный ацидоз, бурную одышку и паралич дыхательного центра. 2/17/2018
2/17/2018
![Синильная кислота 99 % Цитохромы(Fe+3) 1 % Hb(Fe+2) [ Hb(Fe+2) Mt. Hb(Fe+3) ] HCN](https://present5.com/presentation/42262478_177866386/image-99.jpg "Синильная кислота 99 % Цитохромы(Fe+3) 1 % Hb(Fe+2) [ Hb(Fe+2) Mt. Hb(Fe+3) ] HCN")
Синильная кислота 99 % Цитохромы(Fe+3) 1 % Hb(Fe+2) [ Hb(Fe+2) Mt. Hb(Fe+3) ] HCN H+ + CN¯ p. Ka 9, 6 Пероральная токсическая доза CN– для человека LD 50 = 1 мг/кг. Антидоты: тиосульфат натрия, глюкоза, соли железа(III), нитриты 2/17/2018 KCN + Na 2 S 2 O 3 KSCN + Na 2 SO 3
О Превращение в организме O 2 + 4 H+ + 4 e 2 H 2 O Hb. Fe 2+ + O 2 Hb. Fe 2+·O 2 Hb. Fe 3+·O 2 -· Hb. Fe 3+ + O 2 -· метгемоглобин, 1 - 2% - норма, 60% - смерть 2/17/2018
Главный источник радикалов в организме молекулярный кислород, а в случае радиационного воздействия – вода. К активным формам кислорода относятся: – супероксидный анион-радикал О– 2 О 2 + ē О– 2 – гидропероксидный радикал НО 2 + ē + Н+ НО 2 – пероксид водорода Н 2 О 2 + 2ē + 2 Н+ Н 2 О 2 – гидроксидный радикал НО О 2 + 3ē + 3 Н+ НО + Н 2 О
О Превращение в организме Защита (АОС) Супероксиддисмутаза (СОД) каталаза ECu+2 + O 2 -· ECu+1 + O 2 -· + 2 H+ ECu+2 + H 2 O 2 каталаза 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 При высокой концентрации R-H + O 2 -· R-O-O- + H· разрушает биосубстраты! O -· + H O HO · + OH 2 2/17/2018 HO 2· + R-H R-O-O· + H 2
Антиоксидантная система
Озон O O 116. 5 о O 3 О 2 2 О 3 (УФ) Содержание в верхних слоях атмосферы – 10 -5 – 10 -6 об. % Способен поглощать излучение с длиной волны менее 290 нм Химические свойства о (O 3 + 2 H+ O 2 + H 2 O) = +2. 07 B > 1. 23 В сильный окислитель! O 3 + 2 KI + H 2 O I 2 + O 2 + 2 KOH 2/17/2018
Озон - Применение Озон - образование многих сложных и мало изученных переходных органические молекулы, соединений, которые могут содержащие гидролизоваться, окисляться, двойные или восстанавливаться или тройные связи термически расщепляться на Озон реагирует с насыщ. множество веществ, УВ, аминами, ненасыщ. ЖК, преимущественно альдегидов, Ароматич. соединениями, SH-группами пептидов и др. кетонов, кислот или спиртов. О 3 + Озон - газ, токсичный при вдыхании. (ПДК) озона в воздухе рабочего помещения 0, 1 мг/м 2 При наружном (на кожные покровы и раневую поверхность), энтеральном и парентеральном введении в терапевтическом диапазоне концентраций озон не оказывает токсического действия на организм человека. 2/17/2018
Озон - Применение Озон - Бактерицидное, вирицидное и фунгицидное действие. Оптимизация про- и антиоксидантных систем. Активизация иммунной системы , липидного обмена внутривенно внутримышечно внутрисуставно наружно, ректально 2/17/2018
Биологическое значение H 2 O 2 В организме 10% О 2 метаболизирует через Н 2 О 2 Fe+2 + H 2 O 2 Fe+3 + H 2 O Токсичен! повреждает гемоглобин R-SH + 3 H 2 O 2 R-SO 3 H + 3 H 2 O R-S-R 1 + 2 H 2 O 2 R-SO 2 -R 1 + 2 H 2 O денатурация белков Защита пероксидаза каталаза 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 H 2 O 2 H 2 O Польза H 2 O 2 + 2 Cl- Cl 2 + 2 H 2 O антимикробное действие лейкоцитов SO 32 - + H 2 O 2 SO 42 - + H 2 O сульфитоксидазная защита 2/17/2018
N -3 NH 4+ Азот Содержание в атмосфере – 78 об. % -2 NH 2 -1 0 NH 2 -OH N 2 +1 +2 +3 +4 +5 N 2 O 3 N 2 O 5 N 2 O NO HNO 2 HNO 3 Na. NO 2 Na. NO 3 Биологическое значение азота - строительный материал клеток (белки) - передача наследственной информации (ДНК, РНК) - участие в обмене веществ (ферменты) - важная роль в энергетике клетки (АТФ) 2/17/2018
1774 1986 NO Джозеф Пристли (1733 -1804) Сальвадор Монкада Универсальный биорегулятор Нобелевская премия по физиологии, 1998 Ф. Мурад Л. Игнарро Р. Фурчготт 2/17/2018
NO Широкий спектр биологического действия: регуляторное, защитное и вредное. • участвует в регуляции систем внутри- и межклеточной сигнализации • отвечает за эндотелиальную релаксацию гладких мышц • обладает цитотоксическими и цитостатическими свойствами Клетки-киллеры иммунной системы используют NO для уничтожения бактерий и клеток злокачественных опухолей. 2/17/2018
NO С нарушением биосинтеза и метаболизма NO связаны такие заболевания как: артериальная гипертензия, ишемическая болезнь сердца, инфаркт миокарда, первичная легочная гипертензия, бронхиальная астма, невротическая депрессия, эпилепсия, нейродегенеративные заболевания (болезни Альцгеймера, Паркинсона), сах. диабет, импотенция и др. 2/17/2018
Биологически важные азотсодержащие соединения Ацетилхолин пиррол 2/17/2018 Адреналин витамин PP, вит. B 3 Пиридин Никотиновая к-та
Тетрапиррольные макроциклы R 1 R 2 R 8 Н 2 О (или О 2, СО, …) R 3 Fe 2+ R 4 R 7 Г Е М Белок глобин 2/17/2018 R 6 R 5
Пиримидиновые азотистые основания * У 2, 6 -дигидроксипиримидин урацил * Т 2, 6 -дигидрокси-5 -метилпиримидин (5 -метилурацил) тимин пиримидин 2/17/2018
* Ц 2 -гидрокси-6 -амино пиримидин цитозин 2/17/2018 Пиримидиновые основания при образовании нуклеиновых кислот соединяются с молекусахара посредством водорода у N-3,
Пуриновые азотистые основания * А 6 -аминопурин аденин 2/17/2018 Г 2 -амино-6 -гидроксипурин гуанин
АМФ-3 Аденозин-3 -монофосфат 2/17/2018
ц АМФ Аденозин-3, 5 -циклофосфат (циклическая адениловая кислота) (биорегулятор, превращает ряд инертных белков в ферменты) 2/17/2018
Полинуклеотиды Нуклеотиды связываются между собой 3 -ей и 5 -ой ОН группами Первичная структура нуклеино вых кислот – последователь ность нуклеотидных звень ев, связанных ковалент ными связями в непре рывную цепь поли нуклеотида Фрагмент молекулы ДНК (РНК) 2/17/2018
пара-амино- анестезин бензойная (этиловый кислота эфир ПАБК) (ПАБК) 2/17/2018 новокаин ( -диэтиламиноэтиловый эфир ПАБК)
Р Функции и роль фосфатов в организме Фосфатный буфер Костная ткань ПР 1 < ПР 2 Пs 1 < Пs 2 Строительный материал млекопитающих 1, 5 кг: Сa 5(PO 4)3 X [X=OH (кости), Х=F (зубы)] 2/17/2018
Энергетический баланс АТФ – фактор передачи энергии Освобождение энергии АТФ 2/17/2018 АДФ АМФ Накопление энергии «второе дыхание» при угрозе гибели Аденозин
Сложные липиды (компоненты нервных тканей) I. Фосфолипиды (наиболее распространены фосфатиды) (сложные эфиры L-фосфатидовых кислот) 2/17/2018
Фосфатиды Y = -H фосфатидовые кислоты Y = -CH 2 NH 3+ Фосфатидилэтаноламины (коламинкефалины) Y= -CH 2 N+(СH 3)3 Фосфатидилхолины (лецитины) Фосфатидилсерины 2/17/2018
2/17/2018
S Сера Содержание серы в организме человека составляет 0, 16% или ~112 г на 70 кг веса. Суточная потребность взрослого человека в сере около 4– 5 г. В основе ряда ох-red превращений лежит реакция (цистеин цистин): [O] 2 цистеин (Цис) [H] цистин (Цис-S-S-Цис) метионин 2/17/2018
-Глутатион (трипептид) – активатор ферментов, содержится во всех клетках организма, участвует в ox-red процессах, т. к. в его составе находится цистеин -Глу- Цис-Гли N-конец С-конец -глутамил-цистеинил-глицин Тиоловые протекторы защищают организм- Антиоксидантная система RSH + • ОН = RS • + H 2 O; RS • + • SR = R–S–S–R. 2/17/2018
Сера S Принято считать, что в состав тиосульфата входят атомы серы с разными степенями окисления Na 2 S 2 O 3 Тиосульфат натрия +6 +6 -2 -2 Правильнее говорить о разновалентных атомах Химические свойства O H O S Боится кислот! H O S Na S O + 2 HCl 2 Na. Cl + H S O 2 2 3 лечение кожных заболеваний 2/17/2018 2 2 3 тиосерная 0 SO +H O кислота S 2 2
Микроэлементы – массовая доля 10– 3 – 10– 5 % (Fe, F, Si, Mn, Co, Cu, Ni, Zn, Cr и др. ). Микроэлементы - организаторы жизни (>10 -5%): Fe 2+aq, Zn 2+aq, Co 2+aq, Cu 2+aq, Mn 2+aq, Fe 3+aq, Co 3+aq, Cu+aq, Mn 3+aq В организме: 5 г 3 г 0, 1 – 0, 2 г Особенности: - мало распространены в природе; - способны к комплексообразованию; - переменная степень окисления. Катионы d-металлов находятся в организме только в виде комплексов разной устойчивости. 2/17/2018
Регуляторы Микроэлементы Металлы жизни: Na, K, Ca, Mg, Fe, Cu, Zn, Mo, Co Это элементы, входящие в структуру и в активные центры ферментов, и, таким образом, необходимые для регулирования многих биохимических реакций. 2/17/2018
Ультрамикроэлементы: Cr, Ni, Ag, Au, Sn… Особенности: - cклонны к ox-red превращениям; - склонны к комплексообразованию; - функции мало изучены Классификация по функции 1. Элементы, образующие основную массу биополимеров и соответствующих мономеров – белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды. За исключением водорода (H) это р-элементы: C, N, O, P, S. Эти элементы называют органогенами. 2/17/2018
Окислительно-восстановительные свойства соединений d-металлов Подгруппа железа 0 (Э+3/Э+2) + 0, 77 В + 1, 80 В + 2, 10 В Fe +2 +3 (+5) (+6) Co +2 +3 (+4) Ni +2 (+3) (+4) - e. Fe+2 Fe+3 увеличе. Co+2 Co+3 ние ох ние red свойств + e+2 Ni+3 свойств Ni Превращения Fe+2 Fe+3 в организме: гемоглобин (Fe+2) метгемоглобин (Fe+3) транспорт кислорода миоглобин (Fe+2) метмиоглобин (Fe+3) запасание и хранение кислорода цитохром с (Fe+2) цитохром с (Fe+3) 2/17/2018 обеспечение клеточного дыхания
Гемоглобин Гем + О 2 = ННBO 2 Белок- Fe 2+ + CО 2 = ННBCO 2 Карбаминогемоглобин Fe 2+ Гем СО Карбоксигемоглобин 2 мг/л СО 60 мин 5 мг/л СО 5 мин 2/17/2018
Гемоглобин Белок- Гем + окисли тели Fe 2+ Метгемо = глобин Fe 3+ + NO NO 3 - + 2 H+ + 2ḕ = NO 2 - + H 2 O NO + HHb HHb. NO Мет. Нb(Fe 3+ -ОН) + CN- Мет. Нb(Fe 3+ -CN) + ОН 2/17/2018
Цитохромоксидаза Белок Cu 2+ Fe 3+ + CN- Прекращается клеточное дыхание, кислород не усваивается, артериальная кровь переходит в вены - LD= 1 мг/кг 2/17/2018
Токсичные металлы Li, Be, Sr, Ba, Cd, Hg, Pb… Токсичность Сd, Hg, Au, Pb обусловлена в основном ингибированием тиоловых групп в белках и ферментах R-SH + Ag+ 2 R-SH + Hg 22+ R-SAg + H+ (R-S)2 Hg + 2 H+ (R-S)2 Hg + Hg + 2 H+ Антидоты при отравлении солями Hg+2 унитиол, D-пеницилламин, 2, 3 -димеркаптоянтарная кислота и др. 2/17/2018
Итак, 78 элементов входят в состав человеческого организма, из них 6 – органогены (C, N, O, P, S, Н ), 26 – активно принимают участие в метаболизме (Ca, K, Na, Li, Cl, Mg, Fe, F, Al, Si, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Br, Sr, Mo, Cd, Sn, I, В, Pb), 46 – обнаружены в очень малых количествах, биогенная роль их не выяснена. 2/17/2018
Живая материя – открытая система, существование которой возможно лишь при условии постоянного химического взаимодействия с внешней неживой природой. Поэтому важнейшие биогенные химические соединения образуют соединения, которые: • легко проникают в клетку; • отличаются структурным многообразием; • обладают большим запасом свободной энергии. Ухудшающееся качество окружающей среды приводит к интоксикации организма, когда токсические вещества поступают через загрязненную воду, воздух и продукты питания, возникают серьезные патологические изменения. Согласно медицинским данным, здоровье человека зависит от экологического состояния среды приблизительно на 20 – 30%. 2/17/2018
2/17/2018
Характерные симптомы дефицита химических элементов в организме человека Дефицит элемента Ca Mg Fe Zn Cu Mn Mo Co Ni Cr Si F I Se 2/17/2018 Типичный симптом Замедление роста скелета Мускульные судороги Анемия, нарушение иммунной системы Повреждение кожи, замедление роста, замедление сексуального созревания Слабость артерий, нарушение деятельности печени, вторичная анемия Бесплодность, ухудшение роста скелета Замедление клеточного роста, склонность к кариесу Злокачественная анемия Учащение депрессий, дерматиты Симптомы диабета Кариес зубов Нарушение работы щитовидной железы, замедление метаболизма Мускульная (в частности, сердечная) слабость
2/17/2018
Заболевания, связанные с недостатком или избытком каких-либо химических элементов в данном географическом районе называются эндемическими. Эндемические заболевания поражают человека, животных, растения. Эндемический зоб – гипофункция щитовидной железы 2/17/2018
Микроэлементозы Основные формы Причина Природные эндогенные Природные экзогенные Врожденные Наследственные Микроэлементоз матери Патология хромосом или генов Дефицит микроэлементов Избыток микроэлементов дисбаланс микроэлементов Природные, связанны с аномальным содержанием некоторых элементов в почве, водоемах той или иной географической зоны Техноген ные Промышленные Соседские Производственная деятельность человека, избыток микроэлементов в зоне производства, по соседству с ним, за счет воздушного или водного переноса Ятрогенные 2/17/2018 Трансгрессивные Дефицит Избыток Дисбаланс микроэлементов Интенсивное лечение препаратами, содержащими микроэлементы, парентеральное питание, диализ
Поверхностные явления Гетерогенные системы состоят из двух и более фаз Фаза имеет одинаковый химический состав и характеризуется равенством ТД параметров Фазы отделены поверхностью раздела, где свойства системы изменяются скачкообразно Поверхностные явления наблюдаются на поверхности раздела фаз 2/17/2018 Поверхностное натяжение Сорбция Адгезия Смачивание Капиллярная конденсация
Поверхностная энергия А - молекула в объеме Б - молекула на поверхности СПЭ – ТД функция, характеризующая энергию межмолекуляр- ного взаимодействия частиц на ПРФ с части- цами каждой из контактирующих фаз Любая поверхность имеет избыточную свободную поверхностную энергию (СПЭ) 2/17/2018
2/17/2018
СПЭ в биологии и медицине Полная альвеолярная поверхность легких при вдохе равна 70— 80 м 2, что примерно в 40 раз больше наружной поверхности тела. Суммарная поверхность эритроцитов, контактирующих со всеми альвеолами в течение 1 мин – 3750 м 2. В печени суммарная площадь внутренней митохондриальной мембраны составляет 40 м 2 на 1 г белка. Большая удельная поверхность органов и тканей необходима для активного обмена веществ: он происходит лишь в том случае, когда уменьшается СПЭ. 2/17/2018
Сорбция – гетерогенный процесс поглощения веще-ства тв. телом или жид-ю в-в из окр. среды Адсорбция – самопроизвольный процесс накопления вещества на поверхности раздела фаз. Абсорбция – процесс поглощения одного вещества всем объемом другого, а не только его поверхностью. Адсорбент – вещество, на котором происходит адсорбция. Вещество, молекулы которого могут адсорбироваться, называется адсорбтивом, а уже адсорбированные молекулы – адсорбатом. 2/17/2018
Классификация Адсорбция Сорбция Абсорбция Подвижная пов-ть: Неподвижная г/ж, ж/ж пов-ть: г/тв, ж/тв Сорбент + сорбат Сорбционный комплекс К с. р. >> 1 К с. р. << 1 2/17/2018
Абсорбция Закономерность – «подобное с подобным» HCl абс-ся H 2 O, а О 2 – перфтордекалином С 10 F 22 (основа эмульсионного кровезаменителя) Абсорбция – растворение вещества в растворителе (абсорбент) Абсорбция газов в жидкости Закон Генри с = K р(Х); р(Х) = робщ N(X) Профессиональные заболевания водолазов, рабочих в кессонах, летчиков, космонавтов. Газы-токсиканты хорошо растворяются в воде Закон Сеченова: ln. C 0 /C = Kc Cэл 2/17/2018
2/17/2018
Адсорбция – поглощение газов, паров или жидкостей поверхностным слоем твердого тела. 2/17/2018
Адсорбция Ø Процесс самопроизвольный G < 0 S < 0 H < 0 ØПроцесс избирательный Первые исследования в области адсорбции – Т. Е. Ловиц (1757 -1804) Предложил использовать уголь для очистки спирта от сивушных масел и для дезодорации воздуха. 2/17/2018
Адсорбция Ø Физическая: межмолекулярные взаимод-я за счет сил Ван-дер-Ваальса; Е 4 - 40 к. Дж/моль Обратимость, неспецифичность, экзотермичность Ø Химическая: образование хим. связи Е 40 - 400 к. Дж/моль Необратимость, специфичность, локализованность В организме адсорбция смешанная Gs уменьшается самопроизвольность 2/17/2018
Адсорбция на неподвижной поверхности Удельная адсорбция – равновесное количество поглощаемого вещества, единицей поверхности или массы адсорбента Количественная характеристика адсорбции 2/17/2018
Адсорбция газов и паров (Адсорбент + адсорбат) - силы Ван-дер-Ваальса и водородные связи Количество поглощенных газов и паров зависит: 1. Природа и площадь поверхности адсорбента; Адсорбенты полярные (гидрофильные) – силикагель Адсорбенты неполярные (гидрофобные) – актив. уголь 2. Природа поглощаемого газа или пара 3. Концентрация газа или пара (изотерма адсорбции) 4. Температура 2/17/2018
Основные положения теории Ленгмюра 1. Адсорбция происходит лишь на активных центрах поверхности. Активные центры адсорбент 2/17/2018 адсорбат 2. Адсорбция мономолекулярна
3. Процесс адсорбции обратим и носит динамический характер 4. Процесс адсорбции равновесен адс = дес Уравнение Ленгмюра Г - предельная адсорбция Г , К - константы для пары адсорбент-адсорбтив. Кдес, Кадс - константы скорости процессов адсорбции и десорбции Нобелевская премия за работы по теории 2/17/2018 поверхностных явлений (1932)
Изотерма адсорбции Г С>>K, тогда Г = Г (III участок) Г III II С = К, то Г = Г С/2 C = Г /2 Г 2 I С<<К, тогда Г = (Г /К)С (I участок) I – область малых концентраций, II – средние концентрации, III – высокие концентрации. 2/17/2018 С
Применение адсорбции газов и паров 1. Очистка воздуха от отравляющих веществ (противогазы, респираторы) Н. Д. Зелинский 2. Регенерация воздуха в замкнутых помещениях подводных лодок и космических кораблей 3. Газовая хроматография 2/17/2018
Адсорбция из растворов (конкуренция между раств. веществом и растворителем Молекулярная Ионная Молекулярная адсорбция зависит от: q. Природы адсорбента (гидрофильные, гидрофобные); q. Природы растворителя: чем хуже растворитель смачивает поверхность адсорбента, тем хуже растворяет вещество, тем лучше адсорбируется растворенное вещество 2/17/2018
Адсорбция из растворов Молекулярная адсорбция зависит от: q. Природы поглощаемого вещества: а) «подобное взаимодействует с подобным» б) правило Н. А. Шилова – чем вещество лучше растворяется в данном растворителе, тем оно хуже адсорбируется в) правило П. А. Ребиндера – на поверхности раздела фаз лучше адсорбируются те вещества, при адсорбции которых происходит выравнивание полярностей соприкасающих ся фаз. Это дифильные вещества 2/17/2018
Pасчет адсорбции Г (гамма) - адсорбция, С 0 – начальная концентрация адсорбтива, моль/л; Ср – равновесная концентрация адсорбтива , моль/л; V – объем раствора, л или м 3. m – масса адсорбента, г или кг S – площадь адсорбента, см 2 или м 2 2/17/2018
Уравнения адсорбции Г = f(природа адсорбента/адсорбтива, С(Р), Т) Уравнение Лэнгмюра Уравнение Фрейндлиха Г(x/m) = a Cn(pn) Г(x/m) = a Cn при n< 1 Г(x/m) = a p (с)1/n 2/17/2018 при n > 1 a, n – постоянные величины для данной пары адсорбент-адсорбтив
Константы “a” и “n” (адсорбент - активированный уголь) Адсорбтив n Уксусная кислота 2, 99 0, 52 Ацетон 5, 12 0, 52 Бром 2/17/2018 a 23, 12 0, 34
Адсорбция ионов из растворов Ионообменная Ионная Полярные адсорбенты На границе раздела фаз возникает ДЭС ион. ад-и< мол. ад-и А) обратимая Б) хемосорбция Свойства ионов – Zi, Ri, Степень сольватации 2/17/2018
Избирательность адсорбции Многовалентные ионы адсорбируются сильнее одновалентных (кроме Н+) Способность к адсорбции одинаково заряженных ионов определяется их местом в лиотропных рядах Фрагменты лиотропных рядов катионов и анионов: Сs+ > Rb+ > K+ > Na+ > Li+ CNS- > I- > NO 3 - > Br- > Cl 2/17/2018
Избирательность адсорбции Правило Панета-Фаянса При адсорбции ионов на кристаллических поверхностях адсорбируются те ионы, которые способны достраивать кристаллическую решетку твердого тела, находятся в избытке и дают труднорастворимые соединения. 2/17/2018
Ионообменная адсорбция 1 – каркас 2 – фиксированный ион 3 – подвижный ион, способный к ионному обмену 2/17/2018
Иониты Катиониты R-X Kat+y R-X (каркас, с закрепленным анионом) Kat+y (катионы, способные к ионообмену) Аниониты R+X An-y R+X (каркас, с закрепленным катионом) An-y (анионы, способные к ионообмену) Природные иониты – ткани растений и животных, почва 2/17/2018
Ионообменная адсорбция R-SO 3¯ - Na+ - - R-SO 3¯ - 2/17/2018 + K+ Na+ - Na+ K+ - Na+ + H+ Na+ K+ R-SO 3¯ - Na+ H+ R-SO 3¯ - H+
Ионообменная адсорбция + R-NH 3 + + + Cl¯ Cl¯ + + NO 3¯ D - Cl¯ R-NH 3+ + NO 3¯ + Иониты – адсорбенты, способные к обмену ионов с раствором Катиониты – нерастворимые многоосновные полимерные кислоты, способные к обмену катионов Аниониты – нерастворимые многокислотные полимерные основания, способные к обмену анионов 2/17/2018
Иониты Природные: Алюмосиликаты (цеолиты, гидрослюда и др. ) Древесина, торф, целлюлоза, сульфированные угли Синтетические: Алюмосиликаты (пермутиты) Органические ионообменные смолы RSO 3 H, RCOOH, RPO(OH)2 (катиониты) RNH 2, RN(CH 3)2, Z=NH (аниониты) 2/17/2018
Применение ионитов Опреснение воды RH+катионит + Na+ + Cl- D RNa+ + H+ + Clкислая регенерация ROH-анионит + H+ + Cl- D RCl- + H 2 O щелочная регенерация Недостатки метода: - требуется регенерация ионитов 2/17/2018
Применение ионитов Катиониты применяются для уменьшения жесткости воды Аниониты применяются для очистки воды от анионов Удаление Са 2+ при консервировании крови Детоксикация организма при отравлениях Беззондовая диагностика кислотности желудочного сока 2/17/2018
Адсорбция на подвижной поверхности Уравнение Гиббса 1. > 0 Г < 0 (отрицательная адсорбция) С адсорбтива на поверхности < С адсорбтива в объеме Вещества, вызывающие отрицательную адсорбцию, называются поверхностно-инактивными веществами (ПИАВ) Для воды: неорганические соединения: кислоты, основания, соли. 2/17/2018
Адсорбция на подвижной поверхности 2. < 0 Г > 0 (положительная адсорбция) С адсорбтива на поверхности > С адсорбтива в объеме Вещества, вызывающие положительную адсорбцию, называются поверхностно-активными веществами (ПАВ) Структура ПАВ дифильна 2/17/2018
ПАВ Анионактивные ПАВ Мыла С 17 Н 35 СООNa С 17 Н 35 СОО- + Na+ Алкиларилсульфонаты Сn. Н 2 n+1─ C 6 H 4 ─ SO 3 Na (n>10) Алкилсульфаты Сn. Н 2 n+1 ОSO 3 Na (n>10) Додецилсульфонат натрия – С 12 Н 25 OSO 3 Na 2/17/2018
![ПАВ Катионактивные ПАВ Соли аммония и пиридиния Триметилцетиламмонийхлорид [C 16 H 33 N+(CH 3)3]Cl¯](https://present5.com/presentation/42262478_177866386/image-179.jpg "ПАВ Катионактивные ПАВ Соли аммония и пиридиния Триметилцетиламмонийхлорид [C 16 H 33 N+(CH 3)3]Cl¯")
ПАВ Катионактивные ПАВ Соли аммония и пиридиния Триметилцетиламмонийхлорид [C 16 H 33 N+(CH 3)3]Cl¯ 2/17/2018
ПАВ Неионогенные ПАВ Неионногенные мыла C 11 H 21 -O-(CH 2 O)8 H Полиоксиэтиленовые производные Спиртов Сn. H 2 n+1 O(CH 2 O)m. H Кислот Сn. H 2 n+1 СОO(CH 2 O)m. H Фенолов С 6 Н 5 ─О(CH 2 O)m. H n >10, m > 6 2/17/2018
ПАВ Полярные органические молекулы 2/17/2018 С 10 – С 18
ПАВ на границе вода-воздух масляная кислота 103 н/м вода 72, 5 26, 5 Гидрофобный хвост СH 3 CH 2 COOH Гидрофильная головка Начальное состояние Равновесное состояние 2/17/2018
ПАВ Правило Трабе-Дюкло СН 3 СООН С 2 Н 5 СООН С ГЛБ – соотношение между активностями гидрофильных и гидрофобных групп 2/17/2018 Поверхностная активность ПАВ в разб. водных растворах при одинаковой молярной концентрации увеличивается в 3 – 3, 5 раза при удлинении гидрофобной цепи на одну группу ─СН 2 ─
Природные ПАВ Гидрофобные свойства определяются углеводородными радикалами, С >12 С 15, С 17, С 23, насыщенные, ненасыщенные Мостик на основе глицерина 2/17/2018
ПАВ в мембранах 2/17/2018
Применение ПАВ в медицине Моющие средства; бактерицидные препараты (катионактивные ПАВ); эмульгаторы при стабилизации эмульсий для внутривенного применения; стабилизаторы лекарственных суспензий; смачиватели для улучшения растекания лекарственных форм; дегазирующие средства; 2/17/2018
Скачать презентацию Кафедра фундаментальной и клинической биохимии Тема лекции Введение
Вариативный курс-Т.Н.ВВедение.PPT