Сборник методических материалов по курсу "Химия биомолекул

РОССИЙСКИЙ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
МЕДИЦИНСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
имени Н. И. Пирогова
Сборник методических материалов
по курсу
"Химия биомолекул и наносистем"
(вузовский компонент)
для студентов медицинских вузов,
обучающихся по специальностям
060101 — Лечебное дело
060103 — Педиатрия
060201 — Стоматология
Подготовлено в соответствии с ФГОС-3
в рамках реализации
Программы развития РНИМУ
Кафедра химии
ГБОУ ВПО РНИМУ им. Н.И.Пирогова
Минздравсоцразвития России
Москва 2012
0
Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
РОССИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Министерства здравоохранения и социального развития
Сборник методических материалов по курсу
"Химия биомолекул и наносистем"
(вариативная часть, вузовский компонент)
для студентов лечебного, педиатрического и
стоматологического факультетов
и студентов-лечебников МБФ
Москва 2012
1
Сборник методических материалов по курсу "Химия биомолекул и наносистем" для студентов лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов и студентов-лечебников медико-биологического факультета.
РНИМУ. 2012. 81 с.
Сборник составлен в соответствии с ФГОС-3 по соответствующим
специальностям.
Материалы сборника включают темы и задания для самостоятельной проработки, содержание занятий и домашние задания по каждой теме, примеры
ситуационных задач (заданий для самостоятельной аудиторной работы под
контролем преподавателя, САРС). Приведены примеры билетов текущих
контрольных работ и тестового контроля, содержание и примеры билетов
модульного контроля. Кроме того, в пособии представлены дополнительные
справочные материалы (таблицы, формулы для вычисления основных физико-химических характеристик процессов и др.), а также описание некоторых
лабораторных работ.
Методические указания подготовлены проф. Белавиным И. Ю. при участии проф. Баукова Ю. И., проф. Сергеева В.Н, доц. Анисимовой Н. А., доц.
Бесовой Е. А. и ст. препод. Сергеевой В. П.
Общая редакция — зав. кафедрой, проф. Негребецкий В.В.
Оформление и техническое редактирование — ст. препод. Артамкин С. А.
Информацию о кафедре химии РНИМУ, расписание занятий и другую
полезную учебно-методическую информацию можно найти на сайте кафедры
по адресу: http://www.rsmu.ru/ → кафедры → лечебный факультет →
кафедра химии → учебная и учебно-методическая работа.
Список литературы и ее условные обозначения
БОХ-1 Тюкавкина Н. А., Бауков Ю. И. Биоорганическая химия. М.: Дрофа. 2010
(2004–2009).
БОХ-2 Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И., Зурабян С.Э. Биоорганическая химия. М.:
ГЭОТАР-Медиа. 2009. 2011 (2010, 2009).
РУК
Руководство к лабораторным занятиям по биоорганической химии под
ред. Н.А Тюкавкиной. М. Дрофа 2009. 2010 (2006–2009).
ККХ В. Н. Сергеев. Курс коллоидной химии для медицинских ВУЗов. Учебное
пособие для студентов медицинских ВУЗов, обучающихся по специальности фармация. М.: Медицинское информационное агентство. 2008.
ЕОХ Ершов Ю. А. Общая химия. М.: Высш. шк., 2007
ПОХ Попков В. А., Пузаков С. А. Общая химия. М., ГЭОТАР-Медиа, 2010
(2007).
СБ
Данное пособие.
2
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Программа курса включает 3 крупных раздела — модуля.
1 модуль — химия биомолекул или биоорганическая химия.
2 модуль — физико-химия наносистем или физико-химия микрогетерогенных
систем и биополимеров.
3 модуль — химия биогенных элементов, вопросы экологии.
На кафедре ОБОХимии используется рейтинговая оценка знаний, умений и
навыков студентов, которая предполагает, что повседневная работа студента над
предметом находит свое отражение в конечной суммарной оценке. Цель введения
этой системы:
1) стимулировать регулярную систематическую работу;
2) повысить состязательность в учебе путем замены усредненных категорий
студентов (отличники, хорошисты, троечники) точной оценкой того места, которое конкретный студент занимает среди своих сокурсников;
3) исключить возможность любой предвзятости к студентам.
По первому требованию студента преподаватель сообщает ему его текущий
рейтинг. Положения рейтинговой системы приведены на сайте кафедры.
На сайте кафедры также приведены программы модулей
ИНС Т Р У К ЦИЯ
По охране труда и пожарной безопасности для
студентов при работе в лабораториях кафедры Общей и биоорганической химии
1. Общие положения
1.1. Настоящая инструкция устанавливает требования, обязательные для исполнения всеми учащимися в помещениях кафедры.
1.2. Нарушения (невыполнение, ненадлежащее выполнение или уклонение от выполнения) требований данной инструкции, в зависимости от наступивших последствий, влечет уголовную, административную, дисциплинарную или иную
ответственность в соответствии с действующим законодательством РФ.
1.3. Инструкция должна пересматриваться не реже чем один раз в пять лет и досрочно пересматривается:
— при пересмотре законодательных актов, стандартов, нормативов;
— по указанию вышестоящих органов;
— при внедрении новой техники, технологии, новых материалов;
— при изменении условий труда, по результатам расследования аварии и
несчастных случаев.
1.4. Настоящая инструкция основывается на федеральном законе от 21.12.94 №69ФЗ (редакция от 19.07.09) "О пожарной безопасности", приказе МЧС РФ от
18.06.03 №313 "Об утверждении правил пожарной безопасности в Российской
Федерации (ППБ 01-03), правилах о мерах пожарной безопасности при эксплуатации электрических сетей, электроустановок, приборов освещения в
РГМУ №118 (редакция от 26.11.03), правилах пожарной безопасности в спе3
1.5.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
циализированных помещениях РГМУ № 122, правилах пожарной безопасности для территорий, зданий и помещений РГМУ № 124 (редакция от
25.11.03), инструкции сотрудникам РГМУ по действиям в чрезвычайных ситуациях (редакция от 22.05.09), инструкции РГМУ №229 по оказанию первой
доврачебной помощи при несчастных случаях (редакция от 14.07.09), общих
требованиях при составлении инструкций по охране труда в РГМУ (распоряжение ректора №21 от 07.09.09), действующей инструкции №167 по охране
труда и пожарной безопасности для студентов при работе в лабораториях кафедры Общей и биоорганической химии (редакция от 18.01.05), типовых правилах по охране труда и пожарной безопасности в химических лабораториях,
на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности и
других стандартах, нормах и правилах регулирующих вопросы охраны труда
и пожарной безопасности.
Настоящая инструкция включает в себя приложения (размещены на сайте
кафедры), которые предназначены для уточнения, детализации и дополнения
некоторых ее положений. Приложения могут быть изменены или дополнены,
при возникновении производственной необходимости. В случае таких изменений должен проводиться внеплановый инструктаж. Приложения включают
в себя:
— Приложение 1. Телефоны для обращения в экстренных случаях.
— Приложение 2. Меры первой (доврачебной) помощи при несчастных случаях.
— Приложение 3. Краткие правила пользования первичными средствами
пожаротушения.
2. Общие требования безопасности
К работе в лабораториях кафедры допускаются студенты прошедшие первичный инструктаж по технике безопасности.
Повторный инструктаж проводится не реже двух раз в год, а при изменении
специфики работы, при введении в действие новых стандартов, правил, инструкций, а также изменений к ним проводится внеплановый инструктаж.
После проведения инструктажа инструктор обязан сделать запись в соответствующем журнале и поставить свою подпись. Инструктируемые также ставят свои подписи.
Перед проведением каждой лабораторной работы преподаватель проводит
инструктаж на рабочем месте с целью ознакомления учащихся с организацией рабочего места и безопасными методами работы.
Внеплановый инструктаж по технике безопасности для учащихся преподаватель проводит в случае грубого нарушения правил техники безопасности.
Каждый студент обязан:
— знать и выполнять правила и инструкции по эксплуатации оборудования,
охране труда, пожарной безопасности;
— соблюдать Правила внутреннего трудового распорядка и установленные
режимы труда и отдыха;
— содержать в порядке свое рабочее место, а также соблюдать чистоту в помещениях кафедры;
4
— выполнять только те виды работ, которые определены его преподавателем
(распоряжение преподавателя может быть не выполнено, если оно противоречит требованиям правил безопасности, производственных инструкций
и может причинить вред здоровью);
— при обнаружении на рабочем месте нарушений правил безопасности, могущих
повлечь за собой несчастный случай или аварию, немедленно прекратить работу
и сообщить об этом преподавателю или любому представителю кафедры;
— знать опасные и вредные свойства, а также пожарную опасность применяемых химических веществ, с которыми приходится соприкасаться в
процессе работы, соблюдать правила безопасной работы с ними;
— уметь пользоваться первичными средствами тушения пожара, знать их
назначение и принцип работы;
— уметь оказывать первую медицинскую помощь пострадавшим.
2.6. Работать в лаборатории разрешается только в х/б халатах с длинными рукавами. Длинные волосы должны быть аккуратно подобраны. Студенты, присутствующие на практической работе без халата, непосредственно к проведению эксперимента не допускаются, но присутствуют на занятии.
2.7 При всех работах с химикатами необходимо соблюдать максимальную осторожность, помня, что неаккуратность, невнимательность, недостаточное знакомство с
приборами и свойствами веществ могут повлечь за собой несчастный случай.
2.8. Все процедуры при выполнении работы (отмеривание реактивов, их переливание, нагревание и т. д.) должны производиться только на своем рабочем месте или под тягой.
2.9. В помещениях при работе должна соблюдаться чистота: как на рабочих местах,
так и вокруг работающих не должно быть ничего лишнего. Не допускается
загромождение столов склянками, реактивами и т. п. ненужными в данный
момент для работы, в особенности посудой с концентрированными кислотами и щелочами или взрывчатыми и огнеопасными веществами.
2.10. Нельзя оставлять никаких веществ в посуде без этикеток или надписей.
Набирая вещество, необходимо внимательно читать этикетку и при малейшем
сомнении наводить справку у преподавателя.
2.11. При работе со спиртом и другими легко воспламеняющимися веществами
возможно неожиданное воспламенение паров. Количество этих веществ в
практикуме ограничено.
2.12. При перебоях в электроснабжении и в случае аварии разрешается применять
только электрические фонари.
2.13. В каждой рабочей зоне в легко доступном месте должна находиться аптечка,
содержащая средства по оказанию первой помощи.
2.14. Запрещено:
— принимать пищу и напитки в лаборатории;
— курение в помещениях РГМУ;
— использовать в лаборатории во время занятия мобильный телефон и другие
средства связи;
5
— работать в лаборатории в отсутствие преподавателя или лаборанта, а также
выполнять в лаборатории экспериментальные работы, не связанные с выполнением учебного практикума;
— использование внутренних пожарных кранов, для других целей, кроме,
тушения пожара;
— пользоваться неисправными или поврежденными электроприборами;
— подключать неизвестные приборы к лабораторным розеткам;
— оставлять без присмотра включенные в сеть электрические приборы;
— переносить включенные приборы.
2.15. Все вопросы по выполнению эксперимента, возникающие в процессе работы, следует немедленно выяснить у преподавателя.
3. Требования безопасности перед началом работы
3.1. Студент должен быть информирован о содержании предстоящей работы и
знать ее методические особенности по учебному практикуму.
3.2. Лабораторный журнал должен быть заранее оформлен.
3.3. Работа в лабораториях должна производится с исправными приборами, оборудованием и посудой, известными реактивами и материалами.
3.4. Химическая посуда должна быть чистой, т. к. грязь может изменить ход реакции.
3.5. Все работы, связанные с возможностью выделения токсичных или пожаро- и
взрывоопасных паров и газов должны производиться только в вытяжных
шкафах из негорючих материалов.
4. Требования безопасности во время работы
4.1. Запрещается проводить опыты, не назначенные преподавателем, вносить и выносить из лаборатории любые вещества и приборы без разрешения преподавателя.
4.2. Химические реакции надлежит выполнять с такими количествами и концентрациями веществ, в таких приборах и посуде, как указано в описаниях работ.
Необходимо внимательно прочесть надпись на этикетке, прежде чем взять
вещество для опыта.
4.3. Необходимо соблюдать большую осторожность при работе с кислотами, щелочами, солями тяжелых металлов, а также такими веществами, как бромная вода, фенол и др. Следует остерегаться попадания указанных реактивов на кожу
(ожоги), одежду (разъедание ткани) и внутрь организма (отравления).
4.4. Нельзя никакие вещества в лаборатории пробовать на вкус. Нюхать какие бы
то ни было вещества в лаборатории необходимо с осторожностью, не вдыхая
полной грудью, а направляя к себе пары или газ движением руки.
4.5. Сосуды с веществами или растворами необходимо брать одной рукой за горлышко, а другой снизу поддерживать за дно. Большие химические стаканы с
жидкостью поднимают только двумя руками так, чтобы отогнутые края стакана опирались на указательные пальцы.
4.6. При переливании жидкостей необходимо пользоваться воронкой, поставленной в кольцо штатива над сосудом приемником.
4.7. Набирать в пипетку растворы химических веществ обязательно резиновой грушей.
6
4.8. Все пролитое и разбитое или просыпаное на столах, мебели или на полу
необходимо немедленно убрать.
4.9. Неиспользованные реактивы никогда не помещайте обратно в тот сосуд, из
которого они были взяты. Нельзя опускать в сосуды с реактивами никаких
других веществ или предметов, кроме чистого шпателя, который прилагается
к банке и служит для набирания из нее сухого реагента.
4.10. Необходимо соблюдать крайнюю осторожность при работе с горючими, особенно, с легко воспламеняющимися жидкостями:
— нельзя держать их вблизи огня;
— отработанные горючие жидкости нельзя выливать в раковину, их следует
собирать в специальную герметично закрывающуюся тару для последующего уничтожения или переработки.
4.11. Нельзя наклоняться над сосудом, в котором кипит или наливается какаянибудь жидкость (особенно едкая), так как брызги могут попасть в глаза.
4.12. Пробирку в которой нагревается жидкость, надо держать отверстием в сторону, а не к себе и не к соседу, так как жидкость вследствие нагревания может
быть выброшена из пробирки.
4.13. Во избежании ожогов нельзя брать голыми руками нагретые колбы, стаканы,
чашки. Следует предварительно выключить или отодвинуть источник нагрева
и пользоваться тигельными щипцами или полотенцем. Горячему стеклу надо
дать хорошенько остыть, прежде чем брать его руками. Помните, что горячее
стекло по виду ничем не отличается от холодного.
4.14 Во время работы необходимо:
— постоянно содержать в чистоте и порядке рабочее место;
— все включения и выключения электроприборов производить только сухими руками;
— избегать попадания воды или других жидкостей на электроприборы;
— использовать оборудование только по его прямому назначению.
4.15. Запрещается:
— отвлекаться и отвлекать от работы других;
— допускать на рабочее место посторонних лиц;
— находиться на рабочем месте в состоянии алкогольного и наркотического
опьянения.
5. Требования безопасности в аварийных ситуациях
5.1. Обо всех неполадках в работе оборудования, водопровода, электросети и т. д.
студенты обязаны сообщить преподавателю. Устранять неисправности самостоятельно запрещается.
5.2. При получении травм (порезы, ожоги и т.п.), а также при плохом самочувствии необходимо немедленно сообщить преподавателю.
5.3. В случае возникновения любой чрезвычайной ситуации необходимо предупредить окружающих об опасности и доложить о ней преподавателю, для
принятия соответствующих мер. В том случае, если нет возможности известить преподавателя, необходимо самостоятельно поставить в известность
7
5.4
5.5.
5.6.
5.7.
5.8.
соответствующие службы (см. Приложение 1). В любой чрезвычайной ситуации следует извещать:
— городской район "Обручевский";
— оперативного дежурного городского защитного пункта Управления префектуры ЮЗАО;
— оперативного дежурного центра управления в кризисных ситуациях ЮЗАО.
При обнаружении пожара или признаков горения (задымление, запах гари,
повышение температуры и т. п.) необходимо:
— немедленно сообщить об этом по телефону "01" (при этом необходимо
назвать адрес объекта, место возникновения пожара, что горит, а также сообщить свою фамилию и номер телефона);
— принять по возможности меры по эвакуации людей, тушению пожара до
прибытия пожарных и сохранности материальных ценностей, с учетом
обеспечения безопасности своей жизни;
— в случае угрозы жизни людей немедленно организовать их спасение, используя для этого имеющиеся силы и средства;
— продублировать сообщение о возникновении пожара в охрану университета, поставить в известность дежурного по университету и оперативного
дежурного УВД ЮЗАО.
Краткие правила пользования первичными средствами пожаротушения описаны в Приложении 4 настоящей инструкции.
В случае воспламенения горючей жидкости (например, при растрескивании
колбы и т. п.):
— погасить горелку;
— отставить сосуды с огнеопасными веществами;
— прикрыть пламя одеялом, а затем, если нужно, засыпать песком;
— в случае необходимости — воспользоваться огнетушителем;
— все жидкости смешивающиеся с водой (метанол, изопропанол, бутанол,
этанол, ацетон, уксусная кислота) можно тушить водой. Все жидкости не
смешивающиеся с водой (бензол, толуол, все виды эфиров, высшие спирты и
др. подобные органические жидкости) заливать водой нельзя. Следует
применять песок, углекислоту из огнетушителя, четыреххлористый углерод;
— если пламя не удается погасить сразу — немедленно вызвать пожарных.
Если загорится одежда:
— не бежать, т. к. при этом огонь разгорается еще сильнее;
— гасить пламя обертыванием одеялом, войлоком, пальто и т. п или катаясь
по полу.
Если случайно прольется легко воспламеняющаяся жидкость, то надо поступать следующим образом:
— немедленно погасить в помещении все горелки и выключитьэлектрические
нагреватели;
— закрыть двери, открыть форточки или окна;
— собрать пролитую жидкость полотенцем или тряпкой и выжимать над широким
сосудом, из которого перелить потом жидкость в склянку с пробкой;
8
— прекратить проветривание после полного исчезновения запаха пролитой
жидкости в помещении.
5.9. В случае перерыва действия вентиляции все работы в вытяжных шкафах, связанные с выделением вредных веществ, газов и паров, немедленно прекратить.
5.10. Если ядовитая жидкость, кислота, щелочь случайно пролита из бутылки, надо
отставить бутыль, предварительно закрыв ее пробкой, а лужицу засыпать песком
или опилками. Поверхность стола после удаления песка обмывают жидкостью, нейтрализующей пролитое вещество или, в крайнем случае, водой.
5.11. При ожогах, травмах, отравлениях, поражении электрическим током и других
опасных для жизни ситуациях необходимо немедленно вызвать Скорую помощь по телефону 03 и оказать пострадавшему доврачебную помощь. Меры
первой (доврачебной) помощи при несчастных случаях, а также особенности
работы с некоторыми химическими веществами см. Приложения 2 и 3 настоящей инструкции.
6. Требования безопасности по окончании работы
6.1. Сосуды, в которых раньше находились горючие жидкости, еще довольно долгое время содержат взрывчатые смеси, поэтому их надо основательно промыть проточной водой из-под крана.
6.2. Отработанные кислоты и щелочи следует собирать раздельно в специальную
посуду и после нейтрализации сливать в канализацию.
6.3. Не оставлять на рабочем месте без присмотра посуду с опасными веществами.
6.4. Если в процессе работы были выявлены какие-либо недостатки, влияющие на
безопасность труда, необходимо поставить в извесность преподавателя для их
своевременного устранения или принятия решения о прекращении работ.
6.5. По окончании эксперимента необходимо:
— вымыть грязную посуду, вытереть рабочий стол;
— все не использованные реактивы необходимо расставить в том же порядке,
в каком они стояли перед началом эксперимента.
9
1
М О Д У Л Ь .
Б ИО О Р Г АНИЧ Е С К АЯ
ХИМ ИЯ
1 модуль посвящен строению и реакционной способности основных типов
поли- и гетерофункциональных соединений: метаболитов, биорегуляторов и
структурных компонентов биополимеров. Рассматриваются основные принципы
биологического окисления и восстановления а также особенности химического
поведения соединений с несколькими функциональными группами. Подробно
изучаются биологически важные превращения α-аминокислот, моносахаридов,
строение и свойства биологически важных гетероциклических систем, нуклеозидов, нуклеотидов и липидов. Рассматривается строение наиболее важных
биополимеров — полисахаридов, белков и нуклеиновых кислот. Материал,
изучаемый в этом модуле, позволяет прогнозировать поведение различных органических веществ в условиях организма человека. Основная цель раздела —
подготовить студентов к восприятию последующих дисциплин: биохимии,
фармакологии и др.
Пример билета тестового контроля исходного уровня (проводится на первом
занятии):
1. Критерием самопроизвольного протекания процесса в закрытой системе является неравенство:
а) ∆G < 0;
б) ∆G > 0;
в) ∆H < 0;
г) ∆S > 0.
2.Наибольшее значение осмотического давления имеет раствор (температура растворов одинакова):
а) 0.1 М С6Н12О6;
в) 0.1 M CaCl2;
б) 0.1 M NaCl;
г) 0.1 M CH3COOH.
3. Укажите, какие из приведенных смесей электролитов проявляют буферные
свойства.
а) CH3COOH, CH3COONa; б) NaHCO3, NaCl; в) Na3PO4, NaCl;
г) +NH3–CH2–COOH, +NH3–CH2–COO−; д) NH4Cl, NaCl.
4. Из каких компонентов состоит аминокислотный буферный раствор аланина
(NH2-CH(СН3)-COOH) при рН> рI?
а) катионная и диполярная формы; б) анионная и диполярная формы;
в) катионная и анионная формы; г) диполярная форма.
5. Как повлияют на концентрацию ионов бария в насыщенном растворе малорастворимого соединения BaSO4 добавление H2SO4:
а) увеличится; б) уменьшится; в) изменится незначительно.
6. Число асимметрических атомов углерода в молекуле
СН3
СН СН СН C
СН3 ОН NH2
а) 0; б) 1; в) 2; г) 3.
7. Продуктом реакции уксусного альдегида с этиламином является:
а) амид; б) аминокислота; в) амин; г) имин.
8. В реакции
CH 3
а) атом хлора;
+ CH 3
S
CH 3
Cl + NH3
электрофильным центром является:
б) атом серы; в) атом углерода; г) атом азота.
10
О
ОН
9. Продуктом реакции дезаминирования изопропиламина азотистой кислотой является:
а) пропанол-1;
б) 2-нитропропан; в) 1-нитропропан; г) пропанол-2.
10 Кислотные свойства веществ в ряду:
СН3СООН → НСООН → НООС–СООН
а) уменьшаются; б) увеличиваются; в) изменяются немонотонно; г) не изменяются
Тема 1. Окислительно-восстановительные реакции органических соединений
Содержание темы. Биологически важные реакции окисления и восстановления
органических соединений. Гидрирование и дегидрирование. Окисление спиртов,
аминов и альдегидов. Восстановление альдегидов, кетонов и иминов. Пероксидное
окисление. Окисление серосодержащих соединений. Биологические окислительновосстановительные системы (ФАД–ФАДH2, НАД+–НАДH, хинон–гидрохинон, дисульфид–тиол). (БОХ-1 с. 214-232. БОХ-2 с. 83-84, 91-92, 103-104,147-149, 316317).
Новые и наиболее важные термины: Алифатическое и ароматическое гидроксилирование, эпоксидирование, эпоксиды, гидрохинон, орто- и пара-хиноны, ФАД, ФАДH2,
НАД+ (НАДФ+), НАДH (НАДФH), липоевая и дигидролипоевая кислоты, глутатион.
Окисление — потеря электронов, в органической химии этот процесс часто связан с
удалением водорода с образованием кратной связи или новой связи между атомом
углерода и гетероатомом, более электроотрицательным, чем водород, например,
атомами O, N, S и т. д.
Восстановление — процесс, обратный окислению, часто сопровождается образованием новых связей с водородом
Дыхательная цепь — последовательность переноса электронов от восстановленных
форм биологических окислителей на молекулу кислорода. Расположена в мембранах
митохондрий, служит для синтеза АТФ и поддержания теплового баланса организма.
Активные формы кислорода (АФК) — активные частицы, промежуточно образующиеся в дыхательной цепи и в результате некоторых других окислительновосстановительных процессов: О2··- (супероксид анион-радикал) ,НОО·, НОО– (гидропероксид анион), Н2О2 (пероксид водорода).
Эпоксиды — органические соединения, содержащие трехчленный цикл, включающий
два атома углерода и атом кислорода С С
О
Эпоксидирование — окисление ненасыщенных соединений с образованием эпоксидного цикла.
Хиноны — дикетоны, содержащие две карбонильные группы в ароматическом кольце:
О
и пара-хиноны О
орто-хиноны
О
О
.
Гидрохинон — двухатомный фенол (1,4-бензолдиол) НО
ОН
Гидроксилирование — введение в молекулу гидроксильной группы вместо водорода.
11
Пирокатехин (катехол) — двухатомный фенол (1,2-бензолдиол)
ОН
ОН
Цистеин — серосодержащая аминокислота, входящая в состав белков
Цистин — серосодержащая аминокислота, входящая в состав белков
CH2
CH COOH
SH
NH2
CH2
S
CH COOH
NH2
S
CH2
CH COOH
NH2
Липоевая кислота — один витаминов и биорегуляторов
Биологические сопряженные окислительно-восстановительные пары
Окисленная форма (окислитель)
НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид)
Восстановленная форма (восстановитель)
НАДН
H
O
H
O
C
C
NH2
NH2
+
N
N
R
R
НАДФ+(никотинамидадениндинуклеотидфосфат)
ФАД (флавинадениндинуклеотид)
Хинон О
О
НАДФН
ФАДН2
Гидрохинон НО
Дисульфид R–S–SR
ОН
Тиол RSH
Примеры ситуационных задач (заданий для САРС), выполняемых на занятии
1. Допишите реакции окисления:
а) CH3CH2OH + НАД+
;
в) CH3CH2CH2COOH + ФАД
д) CH3CH(NH2)COOH + НАД+
ж) HO
HO
CH2CH 3 + НАД+
б) 2 CH3CH2SH + НАДФ+
;
;
г) C 6H5CH2NH2 + ФАД
;
+
; е) CH3CH2C(O)H + НАД + Н2О
;
+
НАДФH/H
3
N CH
;
з)
CH3 + O2 ароматическое ;
гидроксилирование
12
НАДФH/H+
и) CH3CH=CHCH3 + O 2 эпоксидирование ;
CH2CH 3 + O2 X
к)
2.Допишите реакции восстановления:
а) HOOCCH = CHCOOH + ФАДH2
;б) CH2 = CHCH2OOH + 2 RSH
;
CH2CHCOOH
CH3
S NH2
+
O + ФАДH2
;
; г) O
в)
+ НАДФH + H
S NH2
CH2CHCOOH
+
+
3
;
е) H3CC NCH
д) H3CC O
H + НАДH + H
CH + НАДH + H
3
Тема 2. Свойства и биологически важные реакции поли- и гетерофункциональных соединений
Содержание темы. Основные классы биологически важных поли- и гетерофункциональных соединений и особенности их реакционной способности. Реакции декарбоксилирования, окислительного декарбоксилирования, элиминирования, циклизации,
алкилирования, ацилирования, фосфорилирования. Хелатообразование. Таутомерия.
(БОХ-1 с.233-278. БОХ-2 с.142-173. РУК с. 160-167)
Письменное домашнее задание по теме 2
1) Выпишите определения следующих терминов: таутомерия, циклизация, окислительное декарбоксилирование, хелатообразование; и формулы: этиленгликоль,
глицерин, глицериновый альдегид, коламин, холин, этиленимин, молочная, акриловая, фумаровая, кротоновая, пировиноградная, ацетоуксусная, малоновая и
щавелевоуксусная кислоты, серин, цистеин.
2) Выполните задания по РУК 11.1.3., 11.1.5. с.163, 11.2.2. с.164, 11.3.5. с.166.
11.4.1. с.167, 11Т.01., 11Т.02., 11Т.06., 11Т.11.,11Т.14. и 11Т.15. с. 169-171.
Примеры ситуационных задач (заданий для САРС), выполняемых на занятии
1. Допишите уравнения реакций алкилирования:
; в) N
;
COOH + [CH3S +RR']Cl−
а) коламин + CH3CH2Cl
(S- аденозилметионин /S АМ/)
+
H
б) холин + CH3 N
; г) HOOC
NH2 + (C2H5)2NCH2CH2Cl
(ПАБК)
2. Уравнения реакций ацилирования: а) молочная кислота + ацетилCoA
б) коламин + ацетилCoA
;в) аминоуксусная кислота + ацетилфосфат
;
3. Допишите уравнения реакций фосфорилирования:
а) β-гидроксимасляная кислота АТФ ; б) глицерин АТФ 2-глицерофосфат
-АДФ
-АДФ
4. Напишите уравнения реакций циклизации для следующих соединений:
O
; в)CH3 C (CH2)2C H
а)CH3CH2 CH(CH2)3C O ; б)NH2(CH2)3C O
OH
OH
HO CH3
HO
5. Напишите уравнения реакций гидролиза (см. схему 1):
а) N
CH=N(CH2)2OH ;
O COCH
CH2OC O
в
)
2 C
CH
H
NH
3 NC
2N
б)
H3C (CH2)2CH3 NH2
NH~PO3H2 ;
HOOCCH2
( мепротан)
(креатинфосфат)
13
вставка С х е м а 1 . Р е а к ц и и г и д р о л и з а о р г а н и ч е с к и х
соединений
14
С х е м а 2 . С т р о е н и е вставка
15
С хем а 3. Про то тро п н а я та уто м е ри я
хе л а тных ко мпл е кс о в
16
6. Допишите уравнения реакций образования хелатных комплексов (см. схему 2):
Cu(OH)2/NaOH
Cu(OH)2/NaOH
а) глицерин
;
б) 2-аминопропановая
кислота
7. Напишите уравнения реакций декарбоксилирования и окислительного декарбоксилирования щавелевоуксусной (2-оксобутандиовой) кислоты.
8. Напишите уравнения реакций элиминирования: а) HSCH2CH2COOH
;
б) CH3CH(OH)CH2COOH
;
в) C 6H5CH(NH2)CH2COOH
NH
9. Напишите таутомерные формы: а) O CCH2C O
H 3C
SCoA ; б)HOOCCH 2C COOH
(см. схему 3)
10. Напишите схемы превращений, назовите продукты или класс полученных соединений:
декарбоксилигидратация
рование
НАД+
ФАД
1) Масляная
B окисление C
D;
кислота дегидрирование A
− CO2
2) Цистеин элиминирование A таутомерия B гидролиз C окислительное D;
декарбоксилидекарбоксилирование
рование
HSCoA
3) Малоновая
A
B холин C;
кислота
этерификация
− CO
элиминиГлицери- НАД+ 2 H PO
4) новый окисление A 3 4 B (2-фосфат) рование C гидролиз D тауто- E;
альдегид
мерия
− H2O
+
конденсация
НАДН/H
гидролиз
элиминирование
5) 2 АцетилCoA
A
B
C
D
− HSCoA
Пример билета тестового контроля «Гетеро- и полифункциональные соединения»
1. Выберите вещества, являющиеся восстановителями:
а) НАД+; б) дисульфид; в) гидрохинон; г) хинон; д) ФАДН2.
2. Определите тип следующей реакции:
СН3ССООН
НАД+
СН3СООН + СО 2
О
а) элиминирование;
б) окисление;
в) окислительное декарбоксилирование; г) декарбоксилирование
3. Соотнесите названия и формулы веществ:
1) молочная кислота; 2) пировиноградная кислота
а) СН3СНСН2СООН б) СН3СНСООН в) НООССН2СН2СООН г) СН3 ССН2СООН д) СН3 ССООН
ОН
О
ОН
О
Пример билета контрольной работы «Гетеро- и полифункциональные соединения»
1. Напишите уравнения следующих реакций:
Cu(OH)2/NaOH
а) HO (CH2)2 NH2 + CH3CH2Cl
; б) 2 СH3CHCOOH
;
NH2
O
в) H2NСH2COOH + CH3 C OPO3H 2
; г) СH3CHCH2COOH
−H2O
OH
17
2. Вместо букв впишите формулы:
H2O/H+
O
декарбокси- CH NH
сложноэфирная
2 CH3 C SCoA конденсация A гидролиз
B лирование C 3 2 D
Тема 3. α -Аминокислоты. Пептиды. Белки
Содержание темы. α -Аминокислоты. Принципы классификации, стереоизомерия,
кислотно-основные свойства, изоэлектрическая точка (p I). Производные
α -аминокислот: сложные эфиры, N-ацильные производные, имины, (шиффовы
основания). Образование α -аминокислот по реакции аминирования α -оксокислот.
Биологически важные реакции α-аминокислот: декарбоксилирование, трансаминирование, элиминирование, альдольное расщепление, гидролитическое, окислительное
и неокислительное дезаминирование, гидролиз, гидроксилирование. Образование
пептидов, строение пептидной группы. Кислотный и щелочной гидролиз пептидов.
(БОХ-1 с. 314-369. БОХ-2 с. 226-250. РУК с. 197-210.)
Схема 4. α -Аминокислоты, входящие в состав белков
Глицин (Gly)
H2NСH2COOH
Cерин (Ser)
СH2CHCOOH
OH NH2
Аланин (Ala)
СH3 CHCOOH
NH2
Треонин (Thr)
CH3CH CHCOOH
OH NH 2
Валин (Val)
CH 3
СHCHCOOH
CH 3
NH2
Цистеин (Cys)
СH 2CHCOOH
SH NH2
CH3 Лейцин (Leu)
CH3 СHCH2CHCOOH
NH2
Метионин (Met)
CH 3S(СH2)2CHCOOH
NH2
Аспарагин (Asn)
H2NCСH 2CHCOOH
O
NH 2
Фенилаланин (Phe)
СH2CHCOOH
NH2
Тирозин (Tyr)
СH2CHCOOH
NH2
Глутаминовая кислота (Glu)
HOOC(СH 2)2CHCOOH
HO
NH2
Глутамин (Gln)
H2NC(СH2)2CHCOOH
O
NH2
Пролин (Pro)
N
H
COOH
Лизин (Lys)
Гистидин (His)
H2NCH2CH2CH2СH2CHCOOH N
СH2CHCOOH
NH2
N
NH2
H
Аргинин (Arg)
CH3CH2 Изолейцин (Ile) Аспарагиновая кислота (Asp)
СHCHCOOH
H2NСNHCH2CH 2СH2CHCOOH
HOOCСH
CHCOOH
2
CH3
NH
NH2
NH2
NH2
Триптофан (Trp)
СH 2CHCOOH
NH 2
N
H
Письменное домашнее задание по теме 3
1) Выпишите определения следующих терминов: трансаминирование, гидролитическое, окислительное и неокислительное дезаминирование, восстановительное
аминирование, пептиды, пептидная группа.
2) Выучите формулы, названия и обозначения важнейших α -аминокислот (схема 4).
3) Укажите центры кислотности и основности в аминокислоте цистеине. Соотнесите величины p Ka1 = 1.7, p Ka2 = 8.3 и p Ka3 = 10.8 с кислотностью соответствующих функциональных групп. Определите p I цистеина. В какой форме существует эта аминокислота в сильно щелочной среде?
18
4) Укажите центры кислотности и основности в аминокислоте тирозине. Соотнесите величины pKa1 = 2.2, pKa2 = 9.11 и pKa3 = 10.07 с кислотностью соответствующих функциональных групп. Определите pI тирозина. В какой форме существует эта аминокислота в кислой среде?
5) Выполните задания по РУК 13.3.3. с.201, 13.4.7. с.204, 13.6.3. с.209, 13.7.2. и
13.7.7. с.210; 13Т.03., 13Т.04., 13Т.10. – 13Т.12. с.211-214.
Примеры ситуационных задач (заданий для САРС), выполняемых на занятии
1. Реакции по карбоксильной группе:
NH
а) Ala + C2H5OHHCl A 3 B;
б)Glu
NH3/АТФ
2. Реакции по аминогруппе:
а) Gly + ацетилфосфат ацилирование ;
б) Lys + HNO 2 (изб.)
;
в) Met + этаналь
3. Биологически важные реакции:
а) Asp неокислительное
б) Trp декарбоксилирование ;
дезаминирование ;
в)Glu + пировиноградная кислота трансаминирование ; г) Cys окисление ;
ароматическое
НАД+
д) Phe гидроксилирование ;
е) Ala окислительное дезаминирование ;
ж) Ser элиминирование A таутомерия B гидролиз C
- H 2O
4. Напишите структурную формулу тетрапептида Ala–Pro–Glu–Lys.
5. Напишите реакцию гидролиза дипептида Asp–Lys в кислой и щелочной среде.
6. Для аспарагина p Ka1 = 2.0, p Ka2 = 8.8. Определите p I. В каких формах может существовать аспарагин при рН = 7.8? Найдите соотношение между этими формами.
8*. Для лизина p Ka1 = 2.2, p Ka2 = 9.0, p Ka3 = 10.45 (NH3+ в радикале). Определите
p I. В каких формах может существовать лизин при рН = 8? Найдите соотношение между этими формами.
Пример билета тестового контроля «Аминокислоты»
Соотнесите названия и формулы веществ:
1) валин
а)
2) гистидин
б)
3) лизин
в)
4) глицин
г)
5) тирозин
д)
СH2CHCOOH
NH2
е)
HO
СH2CHCOOH
NH2
CH3
CH3 СHCHCOOH
NH2
CH3CH 2
CH3 СHCHCOOH
NH 2
ж)
H2NCH 2CH2CH 2СH2CHCOOH
NH2
з)
CH3CH 2
CH3 СHCHCOOH
NH2
СH2CHCOOH
OH NH2
и)
N
H 2NСNHCH 2CH 2СH 2CHCOOH
NH
NH2
к)
N
H
N
H
СH2CHCOOH
NH 2
COOH
Пример билета контрольной работы «Аминокислоты»
1. Для глицина p Ka1 = 2.3, p Ka2 = 9.6. Определите p I. В каких формах может существовать глицин при рН = 8.6? Найдите соотношение между этими формами.
19
2. Напишите формулу трипептида Ala–Trp–Lys. Укажите пептидные связи, N- и
C-конец трипептида.
3. Допишите уравнения реакций: а)Val + ацетилкофермент А ацилирование ;
гидроксилирование ; в) Ser элиминирование г) Gly декарбоксилиб) Phe
;
рование
Тема 4. Углеводы
Содержание темы. Классификация и стереоизомерия углеводов. Цикло-оксотаутомерия моносахаридов. Реакции моносахаридов (алкилирование, ацилирование, образование гликозидов, окисление, восстановление, декарбоксилирование
гликуроновых кислот, взаимные превращения альдоз и кетоз). Строение восстанавливающих и невосстанавливающих дисахаридов. Полисахариды. (БОХ-1
с. 369-420. БОХ-2 с. 196-225. РУК с. 221-245.)
Письменное домашнее задание по теме 4
1) Выпишите определения следующих терминов: альдозы, кетозы, цикло-оксотаутомерия, гликозидная группа, аномеры, эпимеры, эпимеризация, дезоксисахара,
аминосахара, гликозиды (пиранозиды и фуранозиды), глициты, гликаровые,
гликоновые и гликуроновые кислоты, восстанавливающие и невосстанавливающие дисахариды, гомо- и гетерополисахариды
2) Выучите формулы и названия важнейших углеводов: рибоза, ксилоза, арабиноза,
глюкоза, манноза, галактоза, фруктоза, целлобиоза, мальтоза, галактоза, сахароза,
целлюлоза, амилоза, амилопектин, гликоген.
3) Напишите формулы энантиомеров маннозы и фруктозы, назовите их.
4) Напишите эпимеры D-ксилозы по C-3 и D-галактозы по C-4 атомам углерода.
Дайте названия полученным эпимерам
5) Выполните задания по РУК 14.1.1. с. 222, 14.2.4 и 14.2.5. с. 225, 14.4.4. с. 229,
15.1.1. с. 242, 15.2.6. с. 244; 15Т.01., 15Т.11. с. 247-250.
Примеры ситуационных задач (заданий для САРС), выполняемых на занятии
1. Напишите формулы циклических таутомеров: D-ксилозы (α - и β -аномеров ксилофуранозы), D-галактозы (α - и β -аномеров галактопиранозы), D-фруктозы (α - и
β -аномеров фруктофуранозы).
2. Исходя из написанных в п. 1 циклических таутомеров моносахаридов, напишите
формулы: 2-дезокси-α-D-ксилофуранозы и 2-амино-2-дезокси-β-D-галактопиранозы.
3. Напишите уравнение реакции образования α - и β -аномеров O-гликозидов из
D-галактозы и метанола в кислой среде. Дайте названия полученным гликозидам.
4. Напишите уравнение реакции гидролиза O-метил-α -D-фруктофуранозида в кислой среде.
5. Напишите схему образования и гидролиза лактозы. Способна ли лактоза к цикло-оксо-таутомерии? Если способна, напишите соответствующие таутомерные
формы.
6. Напишите схему образования и гидролиза сахарозы. Характерно ли для нее явление мутаротации? Способна ли сахароза к цикло-оксо-таутомерии? Если способна, напишите соответствующие таутомерные формы.
20
7. Напишите уравнения реакций, назовите полученные соединения:
+
H 2O/H+
CH 3I/KOH
а) D-ксилоза НАДН/H ;
б) β-D-рибофураноза
B;
A
(избыток)
O
CH3C SCoA
+
в) 2-амино-2-дезокси-D-глюкопираноза
; г) D-манноза НАД ;
HNO 3(разб)
(CH3CO)2O
д) D-галактоза
;
;
е) α-D-глюкопираноза
(избыток)
ж) 6-фосфат-α-D-фруктофуранозы АТФ 1,6-дифосфат-α-D-фруктофуранозы
−АДФ
8. Расшифруйте последовательность реакций, назовите соединения:
D-глюкоза
C2H5OH/HCl
A
2 НАД +
B
гидролиз
C
9. Напишите схему изомерных превращений D-маннозы через образование ендиольной формы. Назовите моносахариды.
10. Изобразите фрагмент строения гликогена. Укажите α-(1→4)- и α-(1→6)гликозидные связи. В чем состоит отличие строения гликогена от амилопектина?
11.Изобразите фрагмент строения крахмала (амилозы и амилопектина). Укажите
α -(1→4)- и α -(1→6)-гликозидные связи.
12.Изобразите фрагмент строения целлюлозы. Укажите β -(1→4)-гликозидные
связи. В чем состоит отличие строения целлюлозы от амилозы?
Пример билета тестового контроля «Углеводы»:
Соотнесите названия и формулы веществ:
1) D-манноза
2) L-глюкоза
а)
б)
О
С Н
Н
ОН
Н
ОН
Н
ОН
СН2ОН
СН2ОН
СН2ОН
е)
ОН
О
ж)
СН2ОН
НО
Н
НО
НО
4)
5)
α-D-галакто- г)
пираноза
β-D-рибофу- д)
раноза
НО
НО
Н
Н
Н
НО
Н
ОН
О
СН2ОН
ОН
в)
ОН
ОН
ОН
НО
3) D-ксилоза
О
НО
ОН
О
С Н
Н
ОН
Н
Н
СН 2ОН
з)
О
С Н
Н
Н
ОН
ОН
СН 2ОН
О
С Н
ОН
и)
Н
НО
НО
Н
ОН
О
С Н
ОН
Н
Н
ОН
СН2 ОН
СН2ОН
Н
НО
НО
С О
ОН
Н
Н
СН2ОН
СН2ОН
к)
О
НО
ОН
Н
ОН
СН2ОН
ОН
21
ОН
Пример билета контрольной работы «Углеводы»:
1. Изобразите схему цикло-оксо-таутомерии D-фруктозы. Укажите гликозидную
OH-группу. Назовите таутомерные формы.
2. Напишите уравнение реакции гидролиза мальтозы. Укажите гликозидную связь.
Назовите моносахаридные фрагменты.
3. Напишите уравнения следующих реакций: а) восстановления D-фруктозы;
б) гидролиза 5-фосфато-β-D-рибофуранозил-1-дифосфата; в) ацилирования
D-глюкозамина ацетилкоферментом A. Назовите полученные соединения.
4. Изобразите схему превращений D-рибозы через ендиольную форму.
Тема 5. Гетероциклические соединения, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты
Содержание темы. Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом (пиррол,
фуран, тиофен), пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами (имидазол, пиразол, оксазол, тиазол), шестичленные гетероциклы с одним и двумя гетероатомами (пиридин, пиримидин), бициклические гетероциклы (индол, хинолин,
пурин). Пиримидиновые и пуриновые нуклеиновые основания, нуклеозиды,
нуклеотиды, принцип строения полинуклеотидной цепи, первичная и вторичная
структура нуклеиновых кислот, комплементарность оснований, нуклеозидполифосфаты, никотинамиднуклеотиды, флавинадениндинуклеотид, химическая
основа их участия в окислительно-восстановительных процессах. (БОХ-1 с.
287-312 и 420-444. БОХ-2 с. 251-269 и 274-275. РУК с. 178-186 и 253-260.)
Письменное домашнее задание по теме 5
1) Выпишите определения следующих терминов: пиррольный и пиримидиновый
атомы азота, нуклеозиды, нуклеотиды, циклофосфаты, РНК и ДНК, комплементарность.
2) Выучите формулы и названия важнейших гетероциклов: пиррол, фуран, тиофен,
пиридин, имидазол, пиразол, пиримидин, урацил цитозин, тимин, пурин, аденин, гуанин.
3) Выполните задания по РУК: 12.1.4. с. 179, 12.2.3 с. 181, 12.3.7 с. 184, 12.4.6. с. 185,
12Т.02, 12Т.09, с. 188-190, 16Т.02, 16Т.03 с. 261.
Примеры ситуационных задач (заданий для САРС), выполняемых на занятии
1. Среди приведенных соединений укажите ароматические гетероциклы. Определите количество атомов в циклической системе сопряжения.
2. Укажите кислотные и основные центры в приведенных соединениях.
N
OH
N
NH2
N
N
N
H HO
N
22
N
H
O
N
N
OH H
N
N
HO
N
H
OH
N H
3. Напишите уравнения реакций:
а) мочевой кислоты с NaOH, б) пиррола с Na, в) пиридина с H2O и H2SO4,
ж) гуанина с HNO2; г) образования межмолекулярных водородных связей в имидазоле; д) образования хелатного комплекса 8-гидроксихинолина с ионами Cu2+;
е) напишите таутомерные формы имидазола, цитозина и пиразолона-5.
4. В следующих соединениях укажите гидролитически неустойчивые связи. Приведите
схемы реакций гидролиза:
H
HO
C
O
CH2OPO3H2
O2N
H3C N
Пиридоксальфосфат
O
CH=NNHC
NH2
O
Фурацилин
5. Напишите схему таутомерных превращений урацила и гуанина.
6. Какие из нуклеиновых оснований способны взаимодействовать с HNO2? Напишите соответствующие уравнения реакций.
7. Напишите структурные формулы нуклеозидов аденозина и тимидина. Укажите
нумерацию атомов.
8. Напишите структурную формулу аденозин-5'-трифосфата. Укажите N-гликозидную и
сложноэфирные связи. Напишите уравнение реакции гидролиза этого нуклеотида.
9. Вычислите изменение энергии Гиббса для пируваткиназной реакции:
OPO32пируваткиназа CH C O
H2C C
3
- + АДФ + 2 H+
COO- + АТФ
COO
фосфоенолпируват
пируват
если для реакции гидролиза фосфоенолпирувата ∆G0' = –62 кДж/моль, а для
гидролиза АТФ ∆G0' = –30.5 кДж/моль.
(Ответ: –31.5 кДж/моль)
10. Напишите уравнение реакции образования уридин-5'-фосфата из 5-фосфато-α D-рибофуранозил-1-дифосфата и нуклеинового основания.
Пример билета тестового контроля «Гетероциклы»
Соотнесите названия и формулы веществ:
1) фуран
O
а)
N
N
OH
N
N
N
H
2) имидазол
е)
N
H
NH2
б)
N
NH2
N
O
ж)
CH 3
N
H
O
N
H
3) пурин
в)
з)
NH2
N
N
N
N
H
OH
23
O
4) тимин
OH
г)
N
OH
и)
N
N
N
HO
N
H
5) мочевая кис- д)
лота
N
OH
к)
N
N
N
H
N
N
N
H
N
NH2
N
Пример билета контрольной работы «Нуклеотиды»
Напишите структурную формулу уридин-5'-дифосфата Укажите N-гликозидную и
сложноэфирные связи. Напишите уравнение реакции гидролиза этого нуклеотида.
Реагирует ли полученное нуклеиновое основание с HNO2? Если да — напишите
соответствующее уравнение реакции и любые три таутомерные формы образующегося при этом продукта; если нет — исходного основания.
Тема 6. Липиды
Содержание темы. Классификация и структурные компоненты липидов (глицерин, 2-аминоэтанол, холин, серин, сфингозин, высшие жирные кислоты). Жиры, воска, глицерофосфолипиды (фосфатидовые кислоты, фосфатидилэтаноламины, фосфатидилсерины, фосфатидилхолины), сфинголипиды
(церамиды, сфингомиелины), гликолипиды (цереброзиды, ганглиозиды) (схема 5).
Химические свойства липидов (гидролиз, пероксидное окисление, β-окисление
жирных кислот). (БОХ-1 с. 444-464. БОХ-2 с. 174-190 РУК с. 263-273.)
Письменное домашнее задание по теме 6
1) Выпишите определения следующих терминов: воска, жиры, масла, фосатидовые кислоты, фосфолипиды, глицерофосфолипиды, сфинголипиды, гликолипиды,
β-окисление жирных кислот.
2) Выучите формулы и названия важнейших компонентов липидов: пальмитиновая,
стеариновая, олеиновая, линолевая, линоленовая и арахидоновая кислоты, сфингозин.
3) Выполните задания по РУК: 17.1.3. с. 266, 17.2.2, 17.2.3, 17.2.5. с. 268, 17Т.01,
17Т.04, , 17Т.07, 17Т.11 с. 273-276.
Примеры ситуационных задач (заданий для САРС), выполняемых на занятии
1. Напишите формулу триацилглицерина, включающего остатки стеариновой, линолевой и линоленовой кислот. Изобразите конфигурацию линоленовой кислоты.
2. Для этого липида напишите уравнения реакций: а) щелочного гидролиза,
б) гидрирования, в) иодирования.
2. Напишите уравнение реакции омыления цетилпальмитата:
(CH3(CH2)14C(O)OC16H33). К какому типу относится этот липид?
3. Напишите схему образования L-фосфатидовой кислоты, содержащей остатки
пальмитиновой и олеиновой кислот.
4. Осуществите превращения:
исчерпывающее
омыление
фосфатидилсерин декарбоксилиA
C + ...
рование
N-метилирование B
24
вставка Схема 5. С т р о е н и е о м ы л я е м ы х л и п и д о в
25
5. Напишите уравнение реакции щелочного гидролиза церамида, в состав которого входит арахидоновая кислота.
6. Напишите уравнение реакции щелочного гидролиза сфинголипида, в состав которого входят пальмитиновая, фосфорная кислоты и холин. К какому типу относится этот сфинголипид?
7. Приведите схему пероксидного окисления липидов на примере олеиновой кислоты.
Пример билета тестового контроля «Липиды»
1. Число двойных связей в молекуле олеиновой кислоты:
а) 0;
б) 1;
в) 2;
г) 3;
д) 4.
2. Соотнесите названия и формулы веществ:
1) стеариновая
кислота
2) арахидоновая
кислота
3)
линолевая
кислота
4) холин
а)
О
С
СН 3
б)
CH3
HO CH2CH2 N CH3
CH3
в)
СН3
ОН
О
С
ОН
О
г)
С
СН3
ОН
Пример билета контрольной работы «Липиды»
1. Напишите уравнение реакции гидрирования 1-олеоилдистеароилглицерина.
Изобразите конфигурацию ненасыщенной кислоты.
2. Напишите формулу липида, при омылении которого получены соль пальмитиновой кислоты и цетиловый спирт (C16H33OH). Приведите уравнение реакции. К
какому типу относится этот липид?
3. Приведите формулу сфингомиелина, содержащего фрагмент арахидоновой кислоты. Укажите амидные и сложноэфирные группы. Какие продукты образуются
при гидролизе этого липида. Приведите уравнение реакции.
Модульная контрольная работа № 1
Домашнее задание для подготовки к модульной контрольной работе.
1. Ознакомиться с программой модульной контрольной работы (см. сайт кафедры).
2. Разобрать примеры тестового контроля и основного билета.
3. Оформить лабораторные работы: РУК, оп. 13.1, 13.2 с. 205, оп. 15.2 с. 247,
оп. 15.4 с. 248, оп. 16.2 с. 267, оп. 17.1, 17.2 с. 274.
Образец билета тестового контроля первого модуля
1. Какие из перечисленных соединений могут являться структурными компонентами белков?
1) тимин
2) глицерин
3) пальмитиновая кислота
26
4) аминокислоты
5) пролин
2. Определите тип данной реакции:
COOH
H C O
OH
H
OH HNO3 H
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
COOH
CH2OH
1) электрофильное присоединение
2) радикальное замещение
3) окисление
4) гидратация
5) этерификация
3. Напишите формулы следующих соединений:
1)
2)
3)
4)
5)
D-манноза
арахидоновая кислота
валин
цитозин
молочная кислота
Образец билета модульной контрольной работы № 1
1. Допишите уравнения реакций, дайте названия или укажите класс образовавшихся соединений:
НАД+
O
окислительное
1) HO
OH
4) CH3C COOH декарбоксилилирование
O циклизация
2) HO(CH2)3C H
NH
таутомерия
NH2 HNO2
5) CH3C CH2COOH
3) CH3CH COOH
2. Изобразите схему образования α - и β -аномеров глюкопиранозы в процессе циклооксотаутомерии.
* Напишите реакцию восстановления данного углевода.
3. Напишите реакцию гидролиза дезоксицитидин-5'-дифосфата. Укажите
N-гликозидную связь.
* Изобразите таутомерные формы образующегося азотистого основания.
4. Изобразите структурную формулу липида, при гидролизе которого образуются
сфингозин, линоленовая и фосфорная кислоты, холин. Укажите сложноэфирную
и амидную связи.
* Напишите реакцию получения холина алкилированием коламина избытком
метилиодида.
5. Изобразите структурную формулу трипептида Pro–Cys–Lys. Укажите пептидные связи, C- и N-конец.
* Напишите реакцию гидролиза данного пептида в кислой среде.
6. Дополнительное задание по любому разделу данного модуля, например:
Приведите схему пероксидного окисления на примере олеиновой кислоты.
27
2-Й МОДУЛЬ. ФИЗИКО-ХИМИЯ НАНОСИСТЕМ ИЛИ ФИЗИКОХИМИЯ МИКРОГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ И БИОПОЛИМЕРОВ.
2-й модуль, в котором рассматриваются физико-химические закономерности поверхностных явлений, изучаются основы физико-химии дисперсных систем и
растворов высокомолекулярных соединений, дает ключ к пониманию сущности
процессов адсорбции, играющей значительную роль в жизнедеятельности. Изучение этого раздела необходимо для понимания структуры и свойств биологических
мембран. Многие жидкости и плотные ткани организма человека относятся к дисперсным системам. В этом же разделе рассматриваются широко применяемые в
современной медицине методы хроматографии, диализа и электрофореза. Фактический материал по химии ВМС облегчает врачу понимание многих явлений,
происходящих в живом организме. Врач должен иметь ясные представления о законах, управляющих такими процессами, как растворение биополимеров, высаливание, застудневание, вязкое течение, мембранное равновесие.
Тема7. Поверхностные явления. Адсорбция
Содержание темы. Свободная поверхностная энергия, поверхностное натяжение;
изотерма поверхностного натяжения; адсорбция на границах жидкость–газ, твердое тело–жидкость, твердое тело–газ, правило Дюкло—Траубе; биологическое
значение поверхностных явлений и адсорбции. (ККХ с. 7-21, ЕОХ. с 423-446,
ПОХ с. 760-790)
Письменное домашнее задание по теме 7
1) Выпишите определения следующих терминов: поверхностная энергия Гиббса,
поверхностное натяжение; ПАВ, ПИВ, ПНВ; сорбция, адсорбция, хемосорбция,
адсорбент, адсорбат, адсорбтив; поверхностная активность.
2) Решите один из вариантов вопросов и задач для самостоятельной работы ККХ
с.21-24. При решении воспользуйтесь примерами на с.140-142.
3) Подготовьтесь к выполнению лабораторной работы, приведенной на с. 30 Рук,
для этого рассчитайте объемы исходного 5%-го раствора желчи и воды, необходимых для приготовления указанных растворов, учитывая, что, например, 0.5%-й
раствор — это 5%-й, разбавленный в 10 раз; оформите в рабочей тетради таблицу
для записи результатов.
Примеры ситуационных задач (заданий для САРС), выполняемых на занятии
1. На рисунке представлены изотермы поверхностного натяжения водных растворов ряда веществ: σ
I
бутанамина-1, нитрата кальция, пентанамина-1,
II
маннозы, гексанамина-1. а) Какие из указанных
веществ имеют изотермы типа I, II и III? Укажите
к каким классам относятся соответствующие веIII
щества: ПАВ, ПИВ или к веществам, не изменяc
ющим поверхностное натяжение их растворов.
б) Соотнесите изотермы типа III со структурными формулами определенных
Вами ПАВ. в) На всех изотермах ПАВ имеется участок, отражающий независи28
мость σ от c. Какому состоянию поверхностного слоя соответствует этот участок? Отличаются ли количества молекул ПАВ, приходящихся на единицу поверхности, в рассматриваемом полностью сформированном поверхностном
слое?
2. Какие из вышеперечисленных веществ следует отнести к поверхностноактивным (ПАВ), поверхностно-инактивным (ПИВ) или поверхностнонеактивным (ПНВ): а) пальмитоилолеоилфосфатидовая кислота; б) хлорид
натрия; в) глюкоза; г) масляная кислота; д) стеарат натрия?
3. Для гомологов ряда одноатомных спиртов CnH2n+1OH были определены следующие величины поверхностной активности: 10⋅10–5; 0.9⋅10–5; 3.0⋅10–5; 11.3⋅10–
4
Дж⋅м⋅моль–1. Соотнесите эти значения со структурными формулами спиртов:
бутанол-1, гептанол-1, пентанол-1, пропанол-1 и нарисуйте изотермы адсорбции
для этих веществ на границе раствор–воздух. Покажите на примере любой пары
из этих спиртов применимость правила Дюкло—Траубе.
4. Сравните величины поверхностного натяжения водных растворов пропионовой
(C2H5COOH) и валериановой (C4H9COOH) кислот равных концентраций и сопоставьте значения поверхностной активности этих веществ.
5. При сталагмометрическом определении поверхностного натяжения растворов
некоторых веществ получены следующие результаты: раствор № 1 — 84 капли,
раствор № 2 — 51 капля, раствор № 3 — 78 капель, раствор № 4 — 70 капель,
для воды — 65 капель. Определите поверхностное натяжение этих растворов,
считая, что их плотности одинаковы, σ(H2O) = 72.8⋅10–3 Дж/м2, и укажите в каких растворах находились ПАВ или ПИВ.
6. Какие ионы будут адсорбироваться на адсорбенте CaCO3: CO32–, PO43–, Cl–,
NO3–, CH3COO–, Ba2+, K+, Pb2+?
7. Предположите характер влияния на процесс адсорбции кислорода на активированном угле следующих факторов: температуры, давления, концентрации кислорода в газовой смеси над адсорбентом.
8. Какова величина поверхностной энергии эритроцитов (∆Gs.), содержащихся в
крови взрослого человека, если известно, что поверхностное натяжение эритроцита равно 15⋅10–3 Дж/м2, число эритроцитов 4⋅109 в 1 см3, площадь поверхности
единичного эритроцита составляет ∼ 22⋅10–12 м2, а объем крови ∼ 5 л.
(Ответ: 6.6 Дж)
9. Чему равна свободная поверхностная энергия (∆Gs) слоя жидкости, имеющей поверхностное натяжение σ = 70⋅10–3 Дж/м2 и площадь поверхности S = 100 см2?
(Ответ: 0.7⋅10–3 Дж)
10. Дисперсная система (золь камфоры в воде) содержит 2⋅1014 шарообразных частиц в 1 см3. Подсчитайте общую поверхность частиц вещества дисперсной фазы, содержащихся в 100 мл этой системы, если диаметр частиц составляет 2⋅10–
6
см; площадь поверхности шара равна 4πr2.(Ответ: 25.12 м2)
11. При нормальных условиях величина предельной адсорбции CO2 на адсорбенте
цеолите равна 0.05 моль/г. Равновесная концентрация CO2, соответствующая
величине адсорбции 0.025 моль/г, равна 1⋅10–3 моль/л. Определите, какую массу
29
цеолита необходимо использовать для снижения в три раза концентрации CO2 в
100 л воздуха, если начальная концентрация CO2 равна 4.5⋅10–3 моль/л.
(Ответ: 10 г)
Лабораторная работа. Определение поверхностного натяжения сталагмометрическим методом. Влияние солей желчных кислот на поверхностное
натяжение их растворов
Задание
1. Сталагмометрическим методом определить зависимость поверхностного натяжения воды от массовой доли поверхностно-активных солей желчных кислот.
2. Полученные данные внести в таблицу.
3. Поверхностное натяжение растворов желчи рассчитать по формуле:
n
σх = σст ст , где nст — число капель воды; nx — число капель данного раствора желчи;
nх
σст = 72.8⋅10–3 Дж/м2.
4. По экспериментальным данным построить изотерму поверхностного натяжения
σ = f(ω ), откладывая на оси ординат σст и найденные значения σx растворов, на
оси абсцисс — массовую долю желчи (за начало оси ординат взять не 0, а
наименьшее значение σx, полученное в работе).
Выполнение работы
1. Подготовьте пять чистых колбочек емкостью 50 мл, пронумеруйте их.
2. Разбавлением исходного 5%-го раствора желчи приготовьте в колбочках по 20 мл
растворов желчи со следующими массовыми долями: 0.5%, 1%, 2%, 3%, 4%.
3. Промойте сталагмометр дистиллированной водой.
4. Определите число капель дистиллированной воды nст, вытекающей из сталагмометра при прохождении мениска от верхней метки до нижней. Для этого опустите нижний конец сталагмометра в стаканчик с дистиллированной водой, с
помощью груши наберите воду в сталагмометр выше верхней метки и, отсоединив грушу, следите за опусканием мениска. Счет капель начинайте, когда мениск поравняется с верхней меткой. Повторите эту операцию и определить
среднее число капель.
5. Аналогично пункту 4 определите число капель для растворов желчи, начиная с
0.5%-го раствора. При переходе к растворам с более высокой массовой долей
желчи сталагмометр не промывать.
6. После окончания определения вылейте содержимое колбочек, промойте их и
сталагмометр дистиллированной водой.
7. Выполните пункты 2–4 задания.
Форма записи результатов
№ измерен Исследуемая массовая доля
ия
жидкость
желчи,%
1
вода
0
2
р-р желчи
0.5
3
-//1.0
30
n1
Число капель
n2
nср
σx,
Дж/м2⋅10–3
72.8
4
5
6
-//-//-//-
2.0
3.0
4.0
Тема 8. Хроматография
Содержание темы. Основы хроматографии, виды хроматографии, применение
хроматографии для выделения веществ различных классов и для анализа смесей.
(ККХ с. 24-37, ЕОХ с. 446-449, ПОХ с. 895-899)
Письменное домашнее задание по теме 8
1) Выпишите определения следующих терминов: элюент; хроматографическая
колонка; колоночная, тонкослойная, бумажная; адсорбционная, ионообменная,
молекулярно-ситовая, биоспецифическая, распределительная хроматография,
фактор относительного удерживания Rf.
2) Решите один из вариантов вопросов и задач для самостоятельной работы ККХ
с.33-37. При решении воспользуйтесь примерами на с.143-144.
3) Подготовьтесь к выполнению лабораторной работы, приведенной на с. 33 Рук,
для этого оформите в рабочей тетради таблицу для записи результатов.
Примеры ситуационных задач (заданий для САРС), выполняемых на занятии
1. Укажите, на каком доминирующем механизме разделения веществ основан
каждый из указанных типов хроматографии:
1) адсорбционная
а) различная способность к ионообменной адсорбции
б) различная степень специфичности связывания с
2) ионообменная
неподвижной фазой
3) молекулярно-ситовая в) различная проницаемость в неподвижную фазу
г) различные коэффициенты распределения
д) различная способность к физической адсорбции
2. Предложите наиболее эффективную методику хроматографического разделения веществ для:
а) очистки выделенной из биологической жидкости белковой смеси от примесей
низкомолекулярных соединений и неорганических электролитов, применяемых
для высаливания белков;
б) быстрой идентификации и определения чистоты лекарственных препаратов.
3) Какой тип хроматографии может быть использован для разделения белка
(например, альбумина) и низкомолекулярных веществ плазмы крови (NaCl, KCl,
NaHCO3, мочевины и др.).
4. Имеются две аминокислоты: основная — лизин (pI = 8.5) и кислая — аспарагиновая кислота (pI = 3.5). Каким из хроматографических методов они могут быть
разделены? (Вспомните схему изоэлектрического состояния аминокислот и
влияние рН на их заряд).
5. При хроматографическом разделении жирных кислот, выделенных при гидролизе липидов, получены "пятна" веществ, характеризуемых следующими значениями Rf: 0.43, 0.59 и 0.75. Какие это вещества?
31
Табличные значения Rf: стеариновая кислота 0.76, олеиновая кислота 0.60,
линолевая кислота 0.51, линоленовая кислота 0.42, арахидоновая кислота 0.34.
6. Теплота адсорбции (кДж/моль) галогенпроизводных углеводородов RHal на
различных адсорбентах имеет следующие величины:
Адсорбент
RF
RCl
RBr
RI
Al2O3
6.89
7.64
8.40
8.40
силикагель (SiO2)
5.46
5.54
5.54
5.38
а) Какой адсорбент необходимо применить для разделения методом колоночной
адсорбционной (жидкостно-твердофазной) хроматографии смеси, состоящей из
1-бромгексана, 1-фторгексана и 1-иодгексана?
б) В каком порядке будут выходить из колонки разделяемые компоненты смеси?
7.Можно ли разделить методом ионообменной хроматографии следующие смеси:
а) гексанол-1,
пентанол-2,
2-метилгексанол-2;
б) D-глюкозамин,
D-глюкуроновая кислота, D-маннаровая кислота? Ответ обоснуйте, исходя из
структуры разделяемых веществ.
8. При анализе смеси липидов методом тонкослойной хроматографии на силикагеле были получены следующие результаты: длина пробега фронта растворителя l0 = 200 мм, расстояния от середины пятен до линии старта l1 = 132 мм,
l2 = 88 мм, l3 = 31 мм. Пользуясь приведенными ниже значениями Rf, определите, какие липиды обнаружены в смеси.
В-во дистеарин диолеин холестерин церамид лецитин сфингомиелин кефалин
Rf
0.73
0.70
0.67
0.43
0.15
0.11
0.00
9. Ниже приведены времена удерживания (время от введения пробы в хроматограф до выхода максимума пика на хроматограмме, в мин.) спиртов при определении их методом ГЖХ: метанол — 0.45, пропанол — 0.90, этанол — 0.62. Схематично изобразите хроматограмму этой смеси.
10. На рисунке изображена проявленная тонкослойная хроматограмма лекарственных препаратов ряда пенициллина, выполненная в варианте со "свидетелями". Какие вещества присутствуют в смеси? Какие вещества не идентифицированы и можно ли их идентифицировать с помощью приведенных ниже значениями Rf для аналогичных условий анализа, если l0 = 120 мм, l1 = 85 мм,
l2 = 71.5 мм?
пенициллин
бензилпенициллин
СМЕСЬ
оксипенициллин
Линия "старта"
Фронт растворителя
В-во феноксипенициллин 6-аминопенициллановая кислота
Rf
0.60
0.71
Пример билета контрольной работы «Поверхностные явления. Хроматография»
32
1. Соотнесите значения поверхностной активности (Дж⋅м⋅моль–1) а) 9.600⋅10–2;
б) 9.696⋅10–1; в) 3.046⋅10–2; г) 8.490⋅10–3 со структурными формулами следующих
ПАВ: пентанол-1, бутанол-1, гептанол-1, пропанол-1.
2. С помощью какого из указанных методов хроматографии можно решить следующие задачи: 1) отделить белок от примеси солей; 2) идентифицировать смесь
аминокислот; 3) выделить специфический антиген; 4) разделить смесь высших
жирных карбоновых кислот? а) биоспецифическая; б) молекулярно-ситовая;
в) адсорбционно-колоночная; г) тонкослойная.
3. Определите величину гиббсовской адсорбции (моль/м2) валериановой кислоты для ее
раствора с концентрацией 0.02 моль/л, если для интервала концентраций 0.018–
0.022 моль/л снижение поверхностного натяжения раствора составляет 2.6⋅10–
3
Дж/м2, T = 298 К.
(Ответ: 5.2⋅10–6 моль/м2)
Лабораторная работа. Разделение анестезина и новокаина методом тонкослойной хроматографии
Задание
1. Провести хроматографическое разделение смеси новокаина и анестезина на
хроматографической пластинке "силуфол".
2. Рассчитать факторы относительного удерживания Rf веществ в смеси и сравнить с Rf чистых веществ-свидетелей.
Форма записи результатов
Хроматограмма смеси
Rf = lx/l0
чистый
l0
новокаин
Фронт
растворителя
смесь
чистый
анестезин
смесь
lx
Линия
"старта"
смесь
новокаин анестезин
Вывод: в анализируемой смеси обнаружены:...
Выполнение работы
1. На пластине с закрепленным слоем адсорбента на расстоянии 1.5–2 см от края
пластины простым карандашом нанесите линию старта.
2. Нанесите на линию старта тонким капилляром по 2 капли (0.02 мл) смеси и индивидуальных веществ (свидетелей) на расстоянии 2 см друг от друга.
33
3. Высушите пластинку на воздухе.
4. Налейте в стаканчик элюент (растворитель) в таком количестве, чтобы его поверхность не доставала 5–7 мм до стартовой линии пластинки, поставленной
под углом.
5. Поместите пластинку в стаканчик, закройте крышкой и следите за продвижением фронта растворителя.
6. Когда фронт растворителя будет в 1–2 см от верхнего края пластинки, выньте
хроматограмму из стаканчика и высушите на воздухе, предварительно отметив
карандашом фронт растворителя.
7. Проявите хроматограмму, поместив ее на несколько секунд в эксикатор с парами иода.
8. Выполните пункт 2 задания.
Тема 9. Образование и строение коллоидно-дисперсных систем
Содержание темы. Коллоидно-дисперсные системы, их классификация, получение
лиофобных золей, строение коллоидных частиц, биологические коллоиднодисперсные системы. (ККХ с. 37-49, ЕОХ с. 492-510, ПОХ с. 797-823)
Письменное домашнее задание по теме 9
1) Выпишите определения следующих терминов: правило избирательной адсорбции,
коллоидно-дисперсная система (золь), двойной электрический слой, адсорбционный слой,
диффузный слой, агрегат, ядро, гранула, мицелла, потенциалопределяющие ионы, противоионы, электротермодинамический и электрокинетический потенциалы, индифферентные и неиндифферентные электролиты.
2) Решите один из вариантов вопросов и задач для самостоятельной работы ККХ
с.49-52. При решении воспользуйтесь примерами на с.145-146.
3) Ознакомьтесь с лабораторной работой, приведенной на с. 35 Рук.
Примеры ситуационных задач (заданий для САРС), выполняемых на занятии
1. Кристалл фосфата кальция помещен в раствор, в котором находятся следующие
электролиты: KNO3, BaCl2, (CH3COO)2Ca, LiBr. Какие из ионов, входящие в состав этих электролитов, будут преимущественно адсорбироваться на кристалле?
Как называется этот тип адсорбции? В какой вид энергии превращается поверхностная энергия в этой системе?
2. К 50 мл 0.01 М раствора BaCl2 добавлено а) 100 мл, б) 20 мл, в) 400 мл 0.005 М
раствора H2SO4. В каком случае образуется осадок, а в каком — золь? Каков заряд полученного золя (золей)? Запишите формулы золей, соответствующих выбранным Вами вариантам. Какие вещества являются (преимущественно) стабилизаторами лиофобных золей?
3. Запишите формулы золей: а) отрицательного золя иодида серебра,
в) положительного золя оксалата кальция. Покажите, где формируются термодинамический (ϕ) и электрокинетический (ζ ) потенциалы.
4. Почему коллоидно-дисперсные системы обладают большой поверхностной энергией?
5. Предложите способ, позволяющий различить внешне совсем одинаковое содержимое двух химических сосудов, если известно, что в одном из них находится коллоидная система (золь), а в другом — истинный раствор.
34
6. Для очистки коллоидных систем от примесей используют фильтрацию, диализ,
электродиализ, ультрафильтрацию. Объясните, на чем основаны эти методы? В
чем суть компенсационного диализа и вивидиализа?
7. В смесь, полученную смешиванием равных объемов 0.01 М растворов KI и AgNO3, добавили некоторое количество NaI. К какому электроду будут перемещаться при электрофорезе частицы образовавшегося золя?
8. Положительный золь хлорида серебра содержит мицеллы следующего строения: {[(mAgCl)⋅nAg+⋅(n–x)NO3–]⋅xNO3–}.
Как будет влиять на строение двойного электрического слоя частиц этого золя
добавление: а) раствора NaCl; б) раствора AgNO3? Для случая (а) изобразите
графически зависимость электрокинетического, а для случая (б) электротермодинамического потенциалов частиц от концентрации добавляемых электролитов.
Какое явление может произойти в случае (б) при введении большого количества AgNO3?
Укажите, какие из указанных ниже электролитов являются индифферентными,
а какие — неиндифферентными по отношению к этому золю: KCl, NaNO3, AgNO3, BaBr2, Ca(NO3)2.
9. Какие из перечисленных ниже электролитов будут индифферентными, а какие
— неиндифферентными по отношению к отрицательному золю AgCl, полученному из AgNO3 и KCl: KNO3, NaBr, NaNO3, AgNO3?
10.Свежеполученный, отмытый от примесей электролитов осадок гидроксида железа (III) разделили на две порции. К одной добавили небольшое количество хлорида железа (III), к другой — соляной кислоты. В том и другом случае образовался золь гидроксида железа (III). Схематически изобразите строение мицелл
полученных золей. Какой заряд будут иметь их гранулы?
11. Электрокинетический потенциал частиц положительного золя сульфата бария,
полученного из хлорида бария и серной кислоты, по данным измерения электрофоретической подвижности равен 0.054 В. Рассчитайте величину электротермодинамического потенциала частицы этого золя, учитывая, что потенциал
единичного иона Cl– составляет 1.2⋅10–9 В, а их число в плотном адсорбционном
слое ∼ 107. Приведены абсолютные величины потенциалов, считать потенциалы
ионов аддитивными.
(Ответ: 0.066 В)
Лабораторная работа. Получение золей гексацианоферрата (II) железа (III) с
различными зарядами. Определение знака заряда коллоидных частиц
Задание
1. Получить золи гексацианоферрата (II) железа (III) реакцией обмена (метод химической конденсации).
2. Написать уравнения реакций и формулы мицелл этих золей.
3. Определить знаки зарядов частиц полученных золей методом капиллярного анализа.
Выполнение работы
1. Поместите в пробирку 9 мл 0.025 М раствора K4[Fe(CN)6], прибавьте 1 мл
0.025 M раствора FeCl3, перемешайте содержимое пробирки. Образуется зеле35
ный золь. Потенциалопределяющие ионы [Fe(CN)6]4–, противоионы K+. Напишите формулу мицеллы.
2. Поместите в пробирку 9 мл 0.025 М раствора FeCl3, прибавьте 1 мл 0.025 M раствора K4[Fe(CN)6], перемешайте содержимое пробирки. Образуется синий золь. Потенциалопределяющие ионы Fe3+, противоионы Cl–. Напишите формулу мицеллы.
3. Нанесите на листок фильтровальной бумаги каплю исследуемого раствора золя
(синий и зеленый золи берлинской лазури). После всасывания капли золь с положительными частицами адсорбируется на бумаге и дает окрашенное в центре
и бесцветное по краям пятно; золь с отрицательными частицами не адсорбируется бумагой и образует равномерно окрашенное пятно. Метод основан на том,
что целлюлозные стенки капилляров бумаги заряжаются отрицательно, а пропитывающая бумагу вода — положительно.
Тема 10. Нарушение устойчивости коллоидно-дисперсных систем
Содержание темы. Устойчивость золей (седиментационная и агрегативная); коагуляция золей, порог коагуляции, правило Шульце—Гарди, коллоидная защита;
пептизация; медико-биологическое значение процессов коагуляции, пептизации и
коллоидной защиты. (ККХ с. 52-68, ЕОХ с. 510-518, ПОХ с. 823-836)
Письменное домашнее задание по теме 10
1) Выпишите определения следующих терминов: седиментационная и агрегативная
устойчивость, расклинивающее давление; концентрационная и нейтрализационная коагуляция, порог коагуляции, коагулирующая способность, коллоидная
защита, защитное число, пептизация.
2) Решите один из вариантов вопросов и задач для самостоятельной работы ККХ
с.68-70. При решении воспользуйтесь примерами на с.146-148.
3) Подготовьтесь к выполнению лабораторной работы, приведенной на с. 43 Рук,
для этого оформите в рабочей тетради таблицу для записи результатов.
Примеры ситуационных задач (заданий для САРС), выполняемых на занятии
1. Какие факторы обеспечивают агрегативную устойчивость коллоидно-дисперсных систем?
2. В чем заключается причина седиментационной устойчивости золей?
3. Между частицами дисперсной фазы в золях действуют силы межмолекулярного
притяжения (силы Ван-дер-Ваальса) и электростатического отталкивания (силы
Кулона). Какие из них преобладают: а) в агрегативно устойчивом золе и б) в агрегативно неустойчивом золе?
4. Как будет изменяться ζ -потенциал и расклинивающее давление в положительном золе AgBr при добавлении к нему раствора а) NaNO3; б) AgNO3? Какие
ионы вызывают эти изменения?
5. Рассчитайте порог коагуляции отрицательного золя гексацианоферрата (II) железа (III), если на коагуляцию 20 мл золя пошло 5 мл 0.02 М раствора нитрата
кальция. Укажите ион-коагулянт.
36
6. Сравните пороги коагуляции следующих электролитов по отношению к отрицательно заряженному золю иодида серебра: нитрат натрия, нитрат кальция,
нитрат алюминия.
7. Укажите, какие из перечисленных веществ и при соблюдении каких условий
могут повысить устойчивость золя гидроксида железа (III): глюкоза, хлорид железа (III), пальмитат натрия (C15H31COONa), хлорид натрия, желатин. Какое из
этих веществ необходимо применить для "коллоидной защиты" золя?
8. Что произойдет с положительным золем хлорида серебра при добавлении к
нему некоторого количества отрицательного золя хлорида серебра? Как называется этот процесс?
9. При добавлении к отрицательному золю бромида серебра нескольких порций
раствора нитрата железа (III) сначала не наблюдается нарушение устойчивости
системы, затем (в определенном интервале концентраций) наблюдается коагуляция, далее снова имеет место восстановление устойчивости золя, а затем опять
происходит коагуляция. Как можно объяснить наблюдаемые явления?
10. Положительный золь Fe(OH)3 и отрицательный золь Sb2S3 коагулировали порознь при действии растворов с равной молярной концентрацией эквивалентов
следующих солей: Ca(NO3)2 и Na2SO4. Какого раствора потребовалось для коагуляции каждого из золей наибольшее и наименьшее количество?
11. Чтобы вызвать коагуляцию 10 мл золя As 2S3 потребовалось в каждом отдельном случае добавить 0.25 мл 2 М раствора NaBr, 1.3 мл 0.005 М раствора
Ca(NO3)2 и 2.76 мл 0.00005 М раствора AlCl3. Определите знак заряда частиц
золя и вычислите порог коагуляции каждого электролита.
12. Что произойдет со свежим рыхлым осадком Zn(OH)2: а) при добавлении раствора ZnCl2; б) при добавлении раствора пальмитата натрия? Как называется это
явление? Можно ли полностью перевести осадок в свободнодисперсное состояние способом (а)? Какое из основных свойств коллоидных дисперсных систем
проявляется при этом?
13. При диагностике гнойного менингита определяют защитное число белков
спинномозговой жидкости. Определите это число, если известно, что для
предотвращения коагуляции 20 мл золя AgBr при действии 2 мл 10% NaNO3 потребовалось добавить к этому золю 3 мл спинномозговой жидкости, содержащей 2 г белков в 1 л.
(Ответ: 3 мг)
Факультативно
14. Места впадения рек в море сильно заилены. Почему такое заиливание не
наблюдается в местах слияния рек или в местах впадения их в озера?
15. К каким процессам и заболеваниям может привести уменьшение содержания
защитных белков в плазме крови и в других биологических жидкостях, а также
снижение уровня гепарина в крови?
Пример билета контрольной работы «Коагуляция»
1. Смешали равные объемы 0.01 М растворов KI и AgNO3. Добавка какого из указанных электролитов приведет к образованию положительного золя AgI:
37
а) NaBr или б) AgNO3? Изобразите строение мицеллы этого золя, укажите заряд
гранулы.
2. Какой объем (мл) 0.01 М раствора K2Cr2O7 нужно добавить к 50 мл положительного золя Al(OH)3, чтобы вызвать его коагуляцию, если порог коагуляции
K2Cr2O7 равен 6.3⋅10–4 моль/л? Какой ион вызывает коагуляцию?
3. Физиологическим стабилизатором суспензий форменных элементов крови является плазменный белок α 2-глобулин (антитромбин III). Укажите, какой патологический процесс может быть вызван дефицитом антитромбина III в крови:
а) мочекаменная болезнь; б) венозный или артериальный тромбоз; в) кальциноз
мышц?
Лабораторная работа. Определение порога коагуляции золя гидроксида железа (III)
Задание
1. Определить порог коагуляции золя Fe(OH)3 при действии следующих электролитов: CH3COONa и Na2SO4.
V
2. Рассчитать порог коагуляции cпор по формуле: cпор = cэл эл 1000 (ммоль/л), где
Vобщ
cэл — концентрация электролита (моль/л), Vэл — наименьший объем раствора
электролита, вызвавший коагуляцию (мл), Vобщ — общий объем (мл).
3. Указать ионы-коагулянты.
4. Проверить выполнение правила Шульце—Гарди.
Выполнение работы
1. Подготовьте два набора пробирок по 4 штуки в каждом.
2. Во все пробирки поместите по 2.5 мл золя Fe(OH)3.
3. В каждую серию пробирок добавьте, встряхивая, указанные в таблицах порции
дистиллированной воды и электролитов, получив при этом две серии смесей, в
которых концентрация золя одинаковая, а концентрация электролитов в каждой
последующей пробирке больше, чем в предыдущей, в два раза.
4. Пробирки с одним и тем же электролитом поместите в штатив в ряд по возрастанию концентрации электролитов таким образом, чтобы пробирки одного ряда
не заслоняли пробирки другого ряда.
5. Через 30 минут определите, в каких пробирках произошла явная коагуляция (наблюдается помутнение смеси и образование хлопьевидного осадка). В таблице отметьте минимальную концентрацию электролита, вызвавшего коагуляцию.
6. Выполните пункты 2–4 задания.
Форма записи результатов
1. 0.75 М раствор CH3COONa, коагулирующий ион..., cпор =... ммоль/л.
№ пробирки Золь (мл) Вода (мл) Электролит (мл) Наблюдаемый эффект
1
2.5
2.25
0.25
2
2.5
2.0
0.5
3
2.5
1.5
1.0
4
2.5
0.5
2.0
38
2. 0.0012 М раствор Na2SO4, коагулирующий ион..., cпор =... ммоль/л.
№ пробирки Золь (мл) Вода (мл) Электролит (мл) Наблюдаемый эффект
1
2.5
2.25
0.25
2
2.5
2.0
0.5
3
2.5
1.5
1.0
4
2.5
0.5
2.0
3. Проверка выполнения правила Шульце—Гарди cпор 1 / cпор 2 =...
4. Вывод:...
Тема 11. Микрогетерогенные и грубодисперсные системы. Коллоидные ПАВ
Содержание темы. Эмульсии, пены, аэрозоли, суспензии, порошки; образование,
стабилизация и разрушение эмульсий, пен и аэрозолей. Классификация коллоидных ПАВ; мицеллообразование в растворах коллоидных ПАВ; солюбилизация.
Биологическое и медицинское значение микрогетерогенных, грубодисперсных
систем и коллоидных ПАВ. (ККХ с. 70-80 и 82-92 ЕОХ с. 518-526, ПОХ с. 837846)
Письменное домашнее задание по теме 11
1) Выпишите определения следующих терминов: эмульсии, пены, аэрозоли, прямая
эмульсия, обратная эмульсия, время жизни эмульсий, гидрофильнолипофильный баланс (ГЛБ), гидроильный эмульгатор, гидрофобный эмульгатор, кратность пен, гашение пен, коллоидные ПАВ, критическая концентрация
мицеллообразования (ККМ), солюбилизация.
2) Решите один из вариантов вопросов и задач для самостоятельной работы ККХ
с.80-81 и 92-93. При решении воспользуйтесь примерами на с.149-151.
3) Подготовьтесь к выполнению лабораторной работы, приведенной на с. 40 Рук,
для этого оформите в рабочей тетради таблицу для записи результатов.
Примеры ситуационных задач (заданий для САРС), выполняемых на занятии
1. Охарактеризуйте приведенные ниже дисперсные системы: а) по агрегатному
состоянию фаз (в виде дроби г/ж, т/ж и т.п.); б) по структуре (свободнодисперсные или связнодисперсные); в) по дисперсности (грубодисперсные, микрогетерогенные, ультрамикрогетерогенные): табачный дым, пемза, молоко, золь
сульфата бария в воде, облака, суспензия эритроцитов в крови. Какие из этих
систем можно отнести к лиофильным, а какие к лиофобным?
2. Какого типа эмульсия образуется при встряхивании смеси толуола с водой, если в эту смесь добавлен порошок сажи?
3. Какого типа эмульсия образуется при взбалтывании бензола в воде в присутствии олеата натрия? Изобразите строение частицы полученной эмульсии.
4. Какого типа эмульсия образуется при добавлении к эмульсии из п. 3 раствора
CaCl2? Как называется это явление?
5. Почему при стабилизации эмульсии олеатом натрия образуется эмульсия типа
м/в, а при использовании в качества стабилизатора олеата кальция — эмульсия
типа в/м?
39
6. Укажите, какие из следующих веществ могут являться эмульгаторами в системе толуол–вода: хлорид кальция, стеарат натрия (C17H35COONa), глюкоза,
желчь, олеат кальция [(C17H33COO)2Ca].
7.Какого типа эмульсии стабилизируют пальмитат натрия и олеат кальция, если
их числа ГЛБ равны 19 и 4.3 соответственно?
8. Высота столба эмульсии 45 см. Определите время жизни эмульсии, если скорость отделения фазы 1.5 см/с.
(Ответ: 30 с)
9. Лекарственный препарат представляет собой обратную эмульсию (В/М). Как Вы
считаете: для наружного применения или для приема внутрь он предназначен?
10. Укажите, какие из следующих веществ могут являться пенообразователями в системе вода–воздух: хлорид натрия, желатин, пальмитат натрия (C15H31COONa),
серная кислота, бензол, желчь, сахароза.
11. Что произойдет с эмульсией или пеной, стабилизированных ПАВ с ГЛБ равным 18 при добавлении в них спирта, минеральных кислот, при центрифугировании, действии ультразвуком или при нагревании?
12. Из 180 мл раствора белка образовалась пена, которая вместе с оставшейся жидкостью
(40 мл) заняла объем 400 мл. Определите устойчивость пены и ее кратность,
если скорость отделения фазы равна 1.5 мл/с.
(Ответ: τ1/2 = 120 с, кратность 2.57)
13. Каким образом можно погасить пену, образовавшуюся в легких больного при
развитии отека легких?
14. Укажите, какие из приведенных соединений относятся к коллоидным ПАВ:
а) CH3(CH2)3OH;
б) C15H31COONa;
в) CH3(CH2)2NH2;
г) C12H25OSO3Na;
+ –
д) CH3COOH; е) C8H17C6H4SO3Na; ж) [C18H37NH3] Cl ; з) C6H5OH.
15. Охарактеризуйте указанные коллоидные ПАВ по их способности к диссоциации в водной среде: олеат калия C17H33COOK, октадециламмоний бромид
[C18H37NH3]+Br–, 10-аминодекановая кислота NH2(CH2)9COOH, додецилсульфат
натрия C12H25OSO3Na, цетилпиридиний хлорид [C16H33N ]+Cl-.
16. Объясните, почему процесс мицеллообразования в растворах коллоидных ПАВ
является самопроизвольным, несмотря на то, что образующаяся коллоиднодисперсная система обладает очень большой поверхностью раздела фаз?
17. Чем отличаются изотермы поверхностного натяжения коллоидных ПАВ от
изотерм истинно растворимых ПАВ?
18. Изобразите, как происходит формирование сферических мицелл в растворах
коллоидных ПАВ, нарисуйте строение и напишите формулу мицеллы олеата
натрия C17H33COONa с числом агрегации "m".
19. Представьте схематически изменение формы мицелл с ростом концентрации
растворов коллоидных ПАВ. Почему при увеличении концентрации раствора
число агрегации увеличивается за счет изменения формы мицелл, а не за счет
увеличения их диаметра?
20. Нарисуйте схему включения в ионную мицеллу: а) бензола; б) полярных органических веществ, нерастворимых в воде (длинноцепочечных кислот, аминов,
спиртов).
21. Какие биологические структуры организма образуются в результате процесса
мицеллообразования коллоидных ПАВ?
40
22. Приведите конкретные примеры, характеризующие медицинское и биологическое значение микрогетерогенных, грубодисперсных систем и мицеллярных систем коллоидных ПАВ.
23. Каким образом обеспечивается растворимость жирорастворимых витаминов и
липидов в водной среде организма и транспорт их внутрь клетки?
Расчетная лабораторная работа. Определение ККМ водорастворимого ПАВ
сталагмометрическим методом
Задание По графику зависимости поверхностного натяжения растворов коллоидного ПАВ от логарифма концентрации определить ККМ.
Выполнение работы
1. По указанию преподавателя по данным таблицы рассчитйте поверхностное
n
натяжение растворов коллоидного ПАВ по формуле σх = σст ст , где nст — число
nх
капель воды; nx — среднее число капель раствора данной концентрации;
σст = 72.8⋅10–3 Дж/м2.
2. Полученные данные внесите в таблицу.
3. Постройте график зависимости σx растворов от логарифма концентрации, откладывая на оси ординат найденные значения σx, а на оси абсцисс lgc
4. По точке перелома графика σ = f(lgc) определите ККМ, для чего из точки перелома опустите перпендикуляр на ось абсцисс. Антилогарифм полученного значения lgc даст определяемую величину.
Форма записи результатов
σH2O = 72.8⋅10 Дж/м , nH2O = 77.
–3
Вариант 1
2
№ измерения cПАВ, моль/л Число капель nср σx, Дж/м2⋅10–3 lgc
1
0.000125
81
2
0.00025
85
3
0.0005
92
4
0.001
108
5
0.002
159
6
0.004
164
7
0.008
164
ККМ =... моль/л.
σH2O = 72.8⋅10 Дж/м , nH2O = 68.
–3
Вариант 2
2
№ измерения cПАВ, моль/л Число капель nср σx, Дж/м2⋅10–3 lgc
1
0.000125
75
2
0.00025
82
3
0.0005
90
4
0.001
109
5
0.002
154
41
6
7
0.004
0.008
155
155
ККМ =... моль/л.
σH2O = 72.8⋅10 Дж/м , nH2O = 68.
–3
Вариант 3
2
№ измерения cПАВ, моль/л Число капель nср σx, Дж/м2⋅10–3 lgc
1
0.000125
78
2
0.00025
83
3
0.0005
91
4
0.001
108
5
0.002
153
6
0.004
158
7
0.008
158
ККМ =... моль/л.
Тема12. Кислотно-основные свойства биополимеров. Образование растворов ВМС
Содержание темы. Классификация высокомолекулярных соединений (синтетические, природные, линейные, разветвленные, сетчатые, неэлектролиты, полиэлектролиты, полиамфолиты); кислотно-основные свойства белков, ионные формы
белковых макромолекул, изоэлектрическое состояние, изоэлектрическая точка
(ИЭТ) белков; образование растворов ВМС, набухание, зависимость набухания от
различных факторов, термодинамика набухания. (ККХ с. 94-107, ЕОХ с. 526-537,
539, ПОХ с. 852-858)
Письменное домашнее задание по теме 12
1) Выпишите определения следующих терминов: биополимеры, макромолекулы,
глобулярные и фибриллярные белки, белок-кислота, белок-соль, белокоснование, свободная и связанная вода, степень набухания, контракция, ограниченное, неограниченное и антагонистическое набухание.
2) Решите один из вариантов вопросов и задач для самостоятельной работы ККХ
с.107-108. При решении воспользуйтесь примерами на с.152-153.
Примеры ситуационных задач (заданий для САРС), выполняемых на занятии
1. Охарактеризуйте приведенные ниже ВМС: а) по происхождению (биополимеры, синтетические ВМС), б) по структуре ВМС (линейные, разветвленные, сетчатые), в) по принадлежности к тому или иному типу электролитов (неэлектролиты, полиэлектролиты, полиамфолиты): целлюлоза, поливинилацетат, резина,
альбумин, гепарин, ДНК.
2. Тождественны ли понятия — полимер, полиэлектролит, полиамфолит. Какие из
нижеперечисленных соединений можно отнести к указанным типам веществ:
полиаланин, полиакриловая кислота, акриловая кислота, каучук, целлюлоза,
нуклеиновая кислота, полиэтилен?
3. Правильны ли утверждения, что: 1) макромолекулы ВМС в растворах отличаются от коллоидных частиц а) размерами, б) формой, в) гибкостью,
г) лиофильностью; 2) растворы ВМС образуются самопроизвольно и термоди42
намически устойчивы, 3) растворы ВМС являются неравновесными лиофобными системами, 4) растворы ВМС являются истинными?
4. Процесс ступенчатой ионизации кислотных и основных функциональных групп в
молекуле белка в зависимости от рН можно упрощенно представить схемой:
(NH3+)nPt(COOH)m
(NH3+)nPt(COO–)m + mH+
(NH2)nPt(COO–)m + nH+
(1) катионные формы (2) диполярный полиион
(3) анионные формы
белок-кислота, рН < pI
m = n ИЭС, рН = pI
белок-основание,
рН > pI
Какие формы белка образуют буферную систему в растворе с рН < pI?
5. pI сывороточного альбумина равна 4.7. Что можно сказать о соотношении кислотных и основных групп в его молекуле? В какой заряженной форме (катионной или анионной) находится макромолекула этого белка при рН 7.4?
6. Раствор, содержащий белки: β-лактоглобулин (pI = 5.2), и γ-глобулин (pI = 6.6)
имеет рН = 5.0. Какие по знаку заряды имеют данные белки в этом растворе и к
какому электроду (катоду или аноду) они будут перемещаться при электрофорезе? Какой белок будет перемещаться быстрее (считать, что радиусы сольватированных белков одинаковы)?
7. В каком состоянии находится (диполярный полиион, белок-кислота, белокоснование) и как заряжен фибриноген (pI = 6.0) в плазме крови при pH = 7.4?
8. Какие типы буферных систем образуют плазменные белки в крови (pH = 7.4) —
альбумин, фибриноген, глобулины (pI ≈ 4.9–7.0)?
9. Рассчитайте, сколько молекул воды связано в растворе с одной молекулой альбумина и с одним аминокислотным остатком, если известно, что 1 г альбумина
связывает 0.3 г воды, M = 68000 г/моль, число аминокислотных остатков 515.
(Ответ: 1133; 2.2)
10. Какие полимеры набухают и (или) растворяются в воде, какие в неполярных
растворителях, например, в бензоле: глобулярные белки, каучуки, фибриллярные белки, крахмал?
11. Как можно объяснить тот факт, что каучук ограниченно набухает в спирте, хотя в толуоле он набухает неограниченно (растворяется)?
12 Вулканизированный каучук (резина) даже в толуоле набухает только ограниченно. Что является причиной ограниченного набухания в данном случае?
13. Какие из перечисленных ниже явлений и параметров характерны для первой
стадии набухания: 1) небольшое увеличение объема и массы ВМС; 2) давление
набухания; 3) значительное увеличение объема и массы ВМС; 4) контракция;
5) сольватация; 6) диффузия ВМС; 7) диффузия растворителя; 8) ∆H < 0;
9) ∆H ≈ 0; 10) ∆S < 0; 11) ∆S > 0; 12) ∆G < 0?
14. Как изменится (увеличится, уменьшится, не изменится) степень набухания
желатина (pI = 4.7) в воде при добавлении небольших количеств: а) НС1;
б) NaOH; в) Na2SO4; г) KCNS; д) С2Н5ОН? Ответ объяснить.
15. В воду поместили 2.5 г полимера и взвесили после набухания. Его масса составила 4.5 г. Рассчитайте степень набухания полимера.
16. Рассчитайте степень набухания крахмала, если 1 г крахмала через 2 часа поглощает 0.3 мл раствора с ρ = 1.05 г/мл.
(Ответ: α = 31.5%)
17. Белки А и В имеют pI равное 5.4 и 3.7 соответственно. В какой области рН
возможно их антагонистическое набухание? Показать графически. Какой белок
43
набухает, а какой обезвоживается при рН 3.9?
(Ответ: набухает A, обезвоживается B)
Пример билета контрольной работы «Кислотно-основные свойства белков.
Набухание
1. Для белка миоглобина (pI = 8.2) укажите при каком из приведенных значений pH:
1) белок максимально набухает;
2) перемещается при электрофорезе к катоду;
3) наименее растворим?
а) pH = 4.2; б) pH = 6.9; в) pH = 8.3.
2. Какие формы белка образуют буферную систему в растворе с pH 8.5, если его
pI = 6.9? Схематически изобразите их.
3. Рассчитайте степень набухания желатина, если за 1 час 2 г белка поглощает 5 мл
1%-го раствора NaCNS (ρ = 1.05 г/мл).
Тема 13. Нарушение устойчивости растворов ВМС. Структурообразование в
растворах ВМС и золях
Содержание темы. Особенности растворов белков, отличающие их от растворов
низкомолекулярных соединений; нарушение устойчивости растворов ВМС; практическое и медико-биологическое значение потери устойчивости белков; процессы застудневания и гелеобразования. (ККХ с. 108-119, ЕОХ с. 543-545, ПОХ с.
87-869)
Письменное домашнее задание по теме 13
1) Выпишите определения следующих терминов: ассоциаты, время релаксации,
коацервация, флокуляция, высаливание, комплексная коацервация, нативный белок, денатурация, студень, гель, коагуляционные и конденсационнокристаллизационные структуры, тиксотропия, синерезис.
2) Решите один из вариантов вопросов и задач для самостоятельной работы ККХ
с.119-120. При решении воспользуйтесь примерами на с.153-154.
3) Подготовьтесь к выполнению лабораторной работы, приведенной на с. 45-47
Рук, для этого оформите в рабочей тетради таблицы для записи результатов.
Примеры ситуационных задач (заданий для САРС), выполняемых на занятии
1. Объясните и назовите описанные ниже явления, наблюдающиеся в растворах
белков,:
1) по мере добавления различных количеств сульфата аммония к сыворотке крови
последовательно выпали в осадок 2 белковые фракции: глобулины и альбумины;
2) фермент пепсин, инактивированный в растворе при нагревании или при воздействии щелочи, после стояния или изменения условий, вновь приобретает исходную активность;
3) при добавлении к 5%-му раствору желатина 5%-го раствора крахмала наблюдается образование мельчайших капелек, а через некоторое время происходит
разделение жидкости на два слоя с четкой границей между ними;
44
4) после добавления к раствору яичного белка раствора сульфата меди (II) образовался нерастворимый в воде бледно-голубой осадок;
5) при охлаждении 5%-го раствора желатина от 45 °C до 10 °C через некоторое время наблюдается увеличение вязкости раствора и потеря его текучести;
(а) высаливание, б) обратимая денатурация, в) необратимая денатурация, г) коацервация, д) комплексная коацервация, е) структурообразование ж) синерезис.)
2. Какой из указанных факторов при действии на растворы белков:
1) способствует высаливанию, 2) ускоряет структурообразование, 3) вызывает
денатурацию;
а) добавление гуанидина, б) добавление спирта, в) понижение температуры,
г) добавление нитрата свинца, д) добавление сульфата аммония, е) pH, близкое
к pI.
3. Для разделения методом высаливания белковых фракций альбуминов
(M ≈ 68000, pI ≈ 4.9) и глобулинов (M ≈ 160000, pI ≈ 6.4), входящих в состав
яичного белка, можно использовать хлорид натрия. На чем основано это разделение? Какими методами можно еще разделить данные белки используя другие
электролиты или способ Кона?
4. Каково биологическое значение денатурации? Можно ли использовать денатурацию при выделении белков для медицинских целей?
5. На чем основано применение сырого яичного белка для оказания первой помощи при лечении отравлений солями тяжелых металлов?
6. Приведите конкретные примеры структурированных систем организма.
7. Объясните, почему в средах с pH, близкими к pI белков, структурирование в
растворах белков, при прочих равных условиях происходит быстрее?
8. Какие явления лежат в основе старения белковых структур организма?
9. Какова биологическая роль тиксотропии белковых структур организма?
10. Укажите, какие типы межмолекулярных взаимодействий проявляются в растворах белков.
11. В чем заключается основное отличие любых процессов, протекающих в растворах ВМС, от процессов в растворах низкомолекулярных соединений?
12. Чем объясняется термодинамическая устойчивость растворов ВМС?
13. Имеется раствор, содержащий фибриноген и альбумин (pI белков см. в таблице "Характеристика некоторых белков", ККХ с. 98). Какую схему разделения
этих белков Вы можете предложить, используя кислотно-основные свойства
белков и способность к высаливанию? В Вашем распоряжении имеются растворы кислот (или оснований) и одна из высаливающих солей.
14. Почему для выделения белков с целью использования их биологической активности нельзя применять денатурирующие реагенты?
15. Каково биологическое значение процессов комплексной коацервации и денатурации белков?
Лабораторная работа. Высаливание белков хлоридом натрия
Задание
1. Провести высаливание глобулина из раствора действием хлорида натрия в
нейтральной среде.
45
2. Провести высаливание альбумина из раствора действием хлорида натрия в кислой среде.
3. Убедиться в полном высаливании белков с помощью биуретовой реакции.
Выполнение работы
1. Налейте в пробирку 2.0 мл раствора белка и насыпьте в нее порошок NaCl до
полного насыщения (т. е. прибавляйтеь порошок до тех пор, пока очередная
порция, прибавленная к раствору, остается нерастворенной).
2. Оставьте пробирку на 10–15 минут. После выпадения осадка отфильтруйте его
на воронке со складчатым фильтром.
3. Несколько капель фильтрата поместите в отдельную пробирку, добавить
5–7 капель 10%-го раствора NaOH и 2 капли 1%-го раствора CuSO4. Перемешайте. Если белки высолены не полностью, то фильтрат окрасится в синефиолетовый цвет, обусловленный образованием хелатного комплекса при взаимодействии щелочного раствора белков с ионами меди (II) (биуретовая реакция).
O
H 2N
C NH2
C O
O C NH 2
2 HN
+ Cu(OH)2
N
Cu
N
−2 H 2O
C NH2
C
O
O
C
NH 2
H 2N
O
(приведена реакция на примере биурета) фиолетовое окрашивание
4. К фильтрату, полученному в п. 2 прибавьте 1.5 мл 1%-го раствора уксусной кислоты. Оставьте на несколько минут. После выпадения осадка — отфильтруйте.
5. Повторите проверку на полноту высаливания белков в полученном фильтрате,
как описано в п. 3. При отсутствии белков цвет фильтрата останется голубым.
Форма записи результатов
Раствор
белков
Что осаждается
насыщенным NaCl
Что осаждается в слабокислой
среде после высаливания NaCl
Вывод
Лабораторная работа. Высаливание белков сульфатом аммония
Задание
1. Провести высаливание глобулина сульфатом аммония.
2. Провести высаливание альбумина сульфатом аммония.
3. Убедиться в полном высаливании белков с помощью биуретовой реакции.
Выполнение работы
1. В пробирку налейте 1.5 мл раствора белка, добавьте 1.5 мл полунасыщенного
раствора (ω ≈ 22%) сульфата аммония, перемешайте.
2. Оставьте пробирку на 10 минут. После выпадения осадка отфильтруйте его на
воронке со складчатым фильтром.
3. К фильтрату добавьте порошок сульфата аммония до полного насыщения. Через
5–7 минут отфильтруйте осадок на воронке со складчатым фильтром.
4. К фильтрату добавьте 5–7 капель 10%-го раствора NaOH и 2 капли 1%-го раствора CuSO 4. Перемешайте. Если белки высолены не полностью, то фильтрат
46
окрасится в сине-фиолетовый цвет. При отсутствии белков цвет фильтрата
останется голубым.
Форма записи результатов
Раствор Что осаждается ненасыщен- Что осаждается насыщенбелков ным раствором (NH4)2SO4 ным раствором (NH4)2SO4
Вывод
Лабораторная работа. Денатурация белков
Задание
1. Изучить действие денатурирующих реагентов на белки.
2. Сделать выводы по действию каждого денатурирующего реагента.
Выполнение работы
1. Осаждение белков сульфатом меди. Поместите в пробирку 5 капель раствора
белка, прибавьте 1–2 капли 10%-го раствора сульфата меди, наблюдайте происходящие изменения.
2. Осаждение белков концентрированной азотной кислотой. Поместите в пробирку
5 капель концентрированной азотной кислоты. Наклоните пробирку под углом
45° и по стенке осторожно добавьте 5 капель раствора белка так, чтобы жидкости не смешивались. На границе двух слоев образуется осадок в виде белого
кольца.
3. Осаждение белков трихлоруксусной кислотой. Поместите в пробирку 5 капель
раствора белка, прибавьте 2 капли 20%-й трихлоруксусной кислоты, наблюдайте происходящие изменения.
4. Осаждение белка ацетоном. Поместите в пробирку 5 капель раствора белка и
15–20 капель ацетона, добавьте 1 каплю насыщенного раствора хлорида натрия.
При стоянии выпадает осадок белка.
Форма записи результатов
№ опыта
Вещества, вызывающие
денатурацию
Характер и цвет
осадка
Вывод
Тема 14. Молекулярно-кинетические и коллигативные свойства золей и растворов ВМС. Вязкость золей и растворов ВМС
Содержание темы. Броуновское движение, диффузия, осмотическое давление,
мембранное равновесие Доннана, вязкость растворов ВМС, зависимость вязкости
растворов ВМС от различных факторов, физиологическая роль процесса диффузии и мембранного равновесия. (ККХ с. 127-140, ЕОХ с. 537-543, ПОХ с. 858871)
Письменное домашнее задание по теме 14
1) Выпишите определения следующих терминов: сегмент макромолекулы, онкотическое давление, абсолютная вязкость, относительная и удельная вязкость, приведенная
вязкость, характеристическая вязкость, мембранное равновесие Доннана, электрофорез,
электроосмос.
47
2) Решите один из вариантов вопросов и задач для самостоятельной работы ККХ
с.136-137. При решении воспользуйтесь примерами на с.154-157.
Примеры ситуационных задач (заданий для САРС), выполняемых на занятии
1. В чем проявляются особенности броуновского движения, диффузии и осмотического давления в коллоидно-дисперсных системах и растворах ВМС по
сравнению с этими свойствами растворов низкомолекулярных соединений?
2. Осмотическое давление раствора, содержащего 26 г/л гемоглобина в ИЭС равно осмотическому давлению раствора, содержащего 0.0117 г/л NaCl. Рассчитайте молярную массу гемоглобина, если плотности растворов 1 г/мл, температура
25 °С и отклонением от закона Вант-Гоффа можно пренебречь.
(Ответ: M = 65000 г/моль)
3. При изучении зависимости осмотического давления растворов желатина (pI = 4.7)
от pH получены следующие данные: pH: 4.3, 4.7, 5.2 и, соответственно, π (кПа):
1.03, 0.26, 0.55. Объясните, какому состоянию белка соответствует минимальное
значение осмотического давления: а) белок высаливается; б) белок близок к
изоэлектрическому состоянию; в) белок денатурирует?
4. Назовите составляющие осмотического давления крови. Что называется онкотическим давлением и каково его значение?
48
Молекулярно-кинетические и коллигативные свойства ВМС
Вязкость
Зависимость вязкости от
η концентрации
4
ηстр
3
Зависимость вязкости от
прикладываемого давления
η
3
2б
2а
Капиллярный
вискозиметр
Оствальда
2 ηн
1
1
η0
p
η0
c
1 - ньютоновская жидкость,
1 - раствор НМС, 2 - золь,
2 - растворы ВМС с шарообразными (а) 3 - раствор ВМС,
и вытянутыми (б) частицами,
4 - коллоидная система,
3 - структурированная система
переходящая в студень
Зависимость приведенной
вязкости от концентрации
полимера
ηуд /c
2
Зависимость вязкости
Зависимость вязкости
суспензии твердых
раствора желатина от pH
сферических частиц (1)
η
и суспензии эритроцитов (2)
от концентрации
η/ η 0
1
2
1
c
[ η]
1 - раствор, подчиняющийся
уравнению Штаудингера
2 - типичный экспериментальный результат
ИЭТ
3
4
c, %
5
pH
6
1
80
40
Зависимость осмотического Зависимость приведенного Зависимость осмотического
давления раствора от
осмотического давления
давления раствора
массовой концентрации
от концентрации
желатина от pH
π
π
π /c RT/M 1
1
2
2
3
c, г/л
ИЭТ
c
1 - фибриллярный белок
2 - глобулярный белок
1 - НМС, 2 - ВМС,
3 - золь
4
5
6
Методы определения молекулярной массы биополимеров
49
светорассеяние
вискозиметрия
диффузионный
ультрацентрифугирование
электрофорез
осмометрия
эбулиоскопия
Методы определения
Термодинами- ЭлектроМолекулярно- Оптичесческие
кинетические кинетические
кие
криоскопия
Классификация методов определения
pH
мутность раствора при
разных концентрациях
относительная вязкость
при разных концентрациях
коэффициент диффузии D
коэффициент седиментации S
электрофоретическая подвижность
осмотическое давление
при разных концентрациях
∆T кипения
∆T замерзания
Величины, определяемые экспериментально
5. К двум одинаковым порциям раствора желатина с pH = 4.7 добавили небольшие количества HCl и пропустили через вискозиметр. Время истечения первого
раствора оказалось равным 69 с, второго 83 с, а воды 46 с. Сравните значения
рН первого и второго растворов (pI желатина = 4.7, разбавлением пренебречь).
а) pH1 > pH2; б) pH1 < pH2; в) pH1 = pH2?
6. Рассчитайте приведенную вязкость раствора полимера, используя экспериментальные данные вискозиметрического метода: время истечения раствора
89 с, время истечения растворителя 85 с, содержание полимера 2.5 г/л.
(Ответ: ηприв = 18.8 см3/г)
7. Для трех растворов некоторого белка с концентрациями: 20, 40 и 80 г/л определены: а) времена истечения из вискозиметра: 102 с; 92 с; 133 с, время истечения
воды — 85 с; б) величины осмотического давления: 5.8, 19.2 и 2.0 кПа. Соотнесите данные времен истечения и величин осмотического давления с указанными
концентрациями растворов. Какие выводы можно сделать из полученных результатов?
8. Для образцов полиметилакрилата в хлороформе с помощью вискозиметра
Оствальда определены значения приведенной вязкости для растворов различных концентраций:
c, г/см3
0.05⋅10–2 0.1⋅10–2 0.15⋅10–2 0.2⋅10–2
ηуд/c, см3/г
5.24
5.50
5.72
6.00
Определите характеристическую вязкость полимера, построив график зависимости приведенной вязкости ηуд/c от c и вычислите среднюю молекулярную
массу полимера, если K = 4.9⋅10–4 см3⋅моль/г2, α = 0.82.
(Ответ: [η] = 5.0 см3/г; M = 77400 г/моль)
9. При денатурации фибриллярных белков часто уменьшается вязкость их растворов. Какие из следующих выводов справедливы? В процессе денатурации:
а) происходит нарушение первичной структуры белка; б) происходит скручивание
пептидных цепей и изменение поперечных размеров макромолекул;
в) происходит изменение формы макромолекул.
10. Коэффициенты диффузии альбумина (M = 68000 г/моль) и этанола (C2H5OH)
соответственно равны: 0.067⋅10–9 и 1.1⋅10–9 м2/с. Как соотносятся среднеквадратичные смещения молекул этих веществ ( ∆ x а : ∆ x э) за время 10 с? Выберите
правильный ответ:
а) 1 : 16.4; б) 16.4 : 1; в) 4 : 1; г) 1 : 4.
11. В три сосуда, каждый из которых разделен непроницаемой для белка мембраной на две части, поместили: в правое отделение 1 л раствора гемоглобина
50
(M = 65000), а в левое — 1 л раствора низкомолекулярного вещества. В каком из
приведенных случаев будет иметь место эффект Доннана? (Указаны массы веществ в растворах правого и левого отделений.) а) 20 г белка в форме HHb и 1 г
NaCl; б) 200 г белка в форме Hb–Na+ и 0.5 г NaCl; в) 200 г белка в форме Hb–Na+
и 10 г глюкозы (C6H12O6).
12. Белок плазмы крови альбумин (M = 68000 г/моль; pI ≈ 4.7) имеет макромолекулы в форме глобул, а белок фибриноген (M = 360000 г/моль; pI ≈ 6.0) —
фибриллярный. У какого из этих белков: 1) больше значение характеристической вязкости; 2) больше значение коэффициента диффузии; 3) больше
объем вращения макромолекул при перемещении их в ламинарном потоке: а) у
альбумина; б) у фибриногена; в) у обоих белков одинаково?
Пример билета контрольной работы «Молекулярно-кинетические свойства
растворов ВМС»
1. Рассчитайте осмотическое давление 1.4%-го раствора β-лактоглобулина
(M = 35000 г/моль) в форме NaPt при 37 °C, допустив для этого случая справедливость уравнения Вант-Гоффа.
2. Экспериментально найденное значение характеристической вязкости поливинилацетата в ацетоне равно 1.5 см3/г. Рассчитайте молекулярную массу поливинилацетата, если K = 2.8⋅10–4 см3⋅моль/г2 и α = 0.76.
Домашнее задание для подготовки к модульной контрольной работе
1. Ознакомьтеся с программой модульной контрольной работы (см. сайт кафедры).
2. Разберите примеры тестового контроля и основного билета.
Образец билета тестового контроля второго модуля
1. Как влияют на поверхностное натяжение их растворов указанные вещества:
1) C12H22O11; 2) CH3(CH2)3CH2NH2; 3) C17H33COONa; 4) CH3(CH2)3CH2COOH?
а) увеличивают; б) не изменяют; в) уменьшают; г) сначала уменьшают, а затем
увеличивают; д) сначала увеличивают, а затем уменьшают.
2. Соотнесите значение ККМ для следующих коллоидных ПАВ: 1) C17H35COONa;
2) C12H25OSO3Na; 3) C19H39COONa; 4) C15H31COONa?
а) 7⋅10–4; б) 4⋅10–4; в) 3.3⋅10–4; г) 8.4⋅10–4 (моль/л).
3. Для белков: γ-глобулина pI = 6.5, цитохрома pI = 10.7. При каких значениях pH:
1) происходит антагонистическое набухание этих белков; 2) цитохром обладает
большей электрофоретической подвижностью; 3) γ-глобулин наименее растворим; 4) γ-глобулин минимально набухает? а) 5.0; б) 6.5 – 10.7; в) 6.4; г) 10.5.
4. Какой из указанных факторов при действии на растворы белков: 1) увеличивает
осмотическое давление; 2) вызывает денатурацию; 3) уменьшает вязкость;
4) вызывает высаливание? а) добавление муравьиной кислоты; б) уменьшение
концентрации; в) увеличение концентрации; г) добавление ацетона.
5. Оцените истинность следующих суждений: 1) Высокая лабильность коллоидных дисперсных систем проявляется в их устойчивости к действию электролитов; 2) Коллоидные ПАВ это дифильные органические соединения с числом
51
атомов углерода в радикале от 10 до 20; 3) Поверхностная активность отражает
способность веществ накапливаться в поверхностном слое и понижать поверхностное натяжение; 4) Растворы ВМС термодинамически устойчивы, так как
они лиофильны? а) да; б) нет.
Образец билета модульной контрольной
1. Рассчитайте равновесную концентрацию уксусной кислоты при установившемся абсорбционном равновесии на границе раствор–активированный уголь, если исходная концентрация кислоты 0.4 моль/л, объем раствора 50 мл, масса угля
2 г, а величина адсорбции 5⋅10–3 моль/г. Укажите тип адсорбции, который имеет
место в данном случае. Изобразите графически вид изотермы адсорбции для
этой системы.
2. Изобразите строение мицеллы золя, полученного при смешивании равных объемов 0.03 М раствора CaBr2 и 0.02 М раствора K2CO3. Укажите знаки ϕ- и
ζ -потенциалов. Как будут изменяться величины этих потенциалов при прибавлении к золю электролита NaCl?
3. Рассчитайте степень набухания желатина, если через 1 час 2 г белка поглощают
0.8 мл 1% раствора NaI (ρ = 1.1 г/мл). Какие факторы влияют на степень набухания белков? Графически изобразите зависимость набухания белка от pH.
4. Осмотическое давление раствора гемоглобина, содержащего 30 гбелка на 1 л
раствора в форме Hb–Na+ при 298 К равно 2.286 кПа. Рассчитайте из этих данных молярную массу белка, если известно, что отклонения от закона ВантГоффа в этой системе практически отсутствуют.
5. Сравните величины критических концентраций мицеллообразования (ККМ) для
стеарата калия и пальмитата калия. Изобразите строение одной из мицелл.
6. Коэффициент диффузии фосфолипидов в клеточной мембране составляет ∼ 10–
8
см2/с. Рассчитайте время, которое соответствует среднему сдвигу молекулы
фосфолипида на расстояние 2⋅10–4 см, примерно равное длине клетки.
52
3 МО ДУЛЬ . ХИМИЯ Б ИО ГЕ ННЫ Х ЭЛЕ МЕ НТ О В ,
В О ПР О С Ы ЭК О ЛО ГИИ.
Последний раздел посвящен химии биогенных элементов, охране окружающей
среды, понятиям биосферы и ноосферы. Материалы этого раздела полностью перенесены на самостоятельную проработку. В понятие общей характеристики блока
или группы элементов входит положение в периодической системе элементов и
сравнение с соседними группами, физико-химическая характеристика, закономерности изменения физико-химических характеристик в связи со свойствами
свободных атомов, содержание в организме, характерные степени окисления и
валентное состояние. Знание этих свойств необходимо для обоснования сущности
процессов, протекающих в организме, позволяет раскрыть биологическую роль
элементов, а также создавать новые лекарственные препараты. В наши дни становится актуальной не только проблема охраны окружающей среды, но и внутренней среды организма, т. к. в организм человека различными путями — через воду,
воздух, пищу и лекарственные вещества попадает около 10 миллионов ксенобиотиков (чужеродных для организма соединений). По данным ВОЗ их число увеличивается в 2 раза каждые 10 лет. Изучение материалов этого раздела необходимо
для осуществления профилактики и лечения профессиональных заболеваний.
Б ИО Г Е ННЫ Е
Э Л Е М Е НТ Ы
Тема 15. Введение в химию элементов (ЕОХ с. 204-222, ПОХ с. 296-307)
Биогеохимия – раздел геохимии, изучающий химические процессы в земной
коре с участием живых организмов. Часть земной оболочки, занятую растительными и животными организмами, называют биосферой.
По В. И. Вернадскому, биосфера – это определенным образом организованная
среда, переработанная живыми организмами и космическими излучениями и
приспособленная к жизни.
Биосфера включает в себя нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы. Именно в этой тонкой оболочке развилась жизнь.
Распространенность химических элементов в земной коре различна. Сравнительно небольшое число элементов составляют земную кору. Около 50% массы
земной коры приходится на кислород, более 25% – на кремний.
Согласно В. И. Вернадскому, живые организмы (живое вещество) принимают
активное участие в перераспределении химических элементов в земной коре.
Примером геохимической роли живого вещества является кальциевая функция,
характерная для всех организмов, имеющих кальций-фосфатный (карбонатный)
скелет. Концентрируя ионы кальция в своих телах, живые организмы энергично
извлекают кальций из окружающей среды. Другим примером геохимической роли
живого вещества является образование горных пород, например железных руд, в
результате деятельности микроорганизмов.
Исследования химического состава земной коры, почвы, морской воды, растений, животных, человека показали, что в живых организмах, в том числе и у чело53
века, можно обнаружить почти все те же элементы, которые есть в земной коре и
морской воде.
В процессе эволюции от неорганических веществ к биоорганическим основой
использования тех или иных химических элементов при создании биосистем является естественный отбор. В земной коре содержится много кремния (27.6%), а в
живых организмах его мало. Аналогичная ситуация имеет место и в случае алюминия, который в больших количествах содержится в земной коре (7.45%) и в
очень незначительных (10–5%) – в живых организмах.
Непропорциональное содержание элементов в организме и среде связано с
тем, что на усвоение элементов влияет растворимость их природных соединений в
воде. Природные соединения кремния, алюминия практически нерастворимы, поэтому они не усваиваются живыми организмами. Наблюдается и обратная картина, например, углерод в незначительных количествах содержится в земной коре
(0.35%), а по содержанию в живых организмах занимает второе место (21%).
Увеличенное содержание элемента в организме по сравнению с окружающей
средой называют биологическим концентрированием элемента. В результате
естественного отбора основу живых систем составляют только шесть элементов:
углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, получивших название органогенов. Эти элементы составляют в организме 97.4%.
Для органогенов характерно образование водорастворимых соединений, что
способствует их концентрированию в живых организмах. Характерным для органогенов, а также для некоторых металлов – железа, магния и других – является
исключительное разнообразие образуемых ими связей. Это в значительной мере
определяет разнообразие биомолекул в живых организмах.
Макро- и микроэлементы в организме человека
Существуют различные способы классификации химических элементов, содержащихся в организме человека. Так, В. И. Вернадский в зависимости от среднего содержания (массовой доли) в живых организмах делил элементы по декадной системе. Соответственно этой классификации элементы, содержащиеся в живых организмах, делят на три группы.
• Макроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме выше 10–2%. К
ним относятся кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, натрий и хлор.
• Микроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме находится в
пределах от 10–3 до 10–5%. К ним относятся иод, медь, мышьяк, фтор, бром,
стронций, барий, кобальт.
• Ультрамикроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме ниже
10–5%. К ним относятся ртуть, золото, уран, торий, радий и др.
В настоящее время в литературе ультрамикроэлементы чаще объединяют с
микроэлементами в одну группу.
54
В. В. Ковальский, исходя из значимости для жизнедеятельности, подразделил
химические элементы на две группы.
• Жизненно необходимые (незаменимые) элементы. Они постоянно содержатся в
организме человека, входят в состав ферментов, гормонов и витаминов (H, O,
Ca, N, K, P, Na, S, Mg, С1, C, I, Mn, Cu; Co, Fe, Zn, Mo, Y). Их дефицит приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности человека.
• Примесные элементы. Эти элементы постоянно содержатся в организме животных и человека (Ga, Sb, Sr, Br, F, B, Be, Li, Si, Sn, Cs, Al, Ba, Ge, As, Rb, Pb,
Ra, Bi, Cd, Cr, Ni, Ti, Ag, Th, Hg, U, Se и т. д.). Биологическая роль их мало выяснена или неизвестна.
Элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности различных клеток и организмов, называют биогенными элементами. Точно перечислить все
биогенные элементы в настоящее время еще невозможно из-за сложности определения очень низких концентраций микроэлементов и установления их биологических функций. Для 24 элементов биогенность установлена надежно. Это элементы
1-й и некоторые элементы 2-й групп по Ковальскому.
Закономерности распределения биогенных элементов в периодической системе элементов Д. И. Менделеева
Основой для изучения свойств элементов и, в частности, их биологической роли, является периодический закон Д. И. Менделеева. Физико-химические свойства, а
следовательно, их физиологическая роль, определяются положением этих элементов в
периодической системе Д. И. Менделеева. Как правило, с увеличением заряда ядра
атомов увеличивается токсичность элементов данной группы и уменьшается их
содержание в организме. Уменьшение содержания, очевидно, связано с тем, что многие элементы больших периодов из-за значительных атомных и ионных радиусов,
высокого заряда ядра, сложности электронной конфигурации, малой растворимости их соединений плохо усваиваются живыми организмами.
Сходство и различие биологического действия элементов связано с электронным строением их атомов и ионов. Близкие значения атомных и ионных радиусов,
энергий ионизации, координационных чисел, склонность к образованию связей с
одними и теми же элементами в молекулах биолигандов обуславливает эффекты
замещения элементов в биологических системах. Такое замещение ионов может
происходить как с усилением (синергизм), так и с угнетением активности (антагонизм) замещаемого элемента.
Синергизм и антагонизм элементов изучен еще недостаточно. Исследование
этого вопроса чрезвычайно важно, так как его решение позволяет раскрыть биологическую роль элементов, а также создавать новые лекарственные препараты.
Взаимосвязь между физико-химическими характеристиками элементов и их биологическим действием позволяет прогнозировать результат поступления различных соединений этих элементов в организм человека. Все биогенные элементы
можно разделить на 3 блока: s-блок, p-блок и d-блок.
55
Тема 16. Общая характеристика элементов s-блока (ЕОХ с. 223-253, ПОХ с.
335-366)
Элементы главных подгрупп I и II группы, включая водород, (их всего 13)
имеют относительно небольшой заряд ядра, большой размер атома, невысокий
потенциал ионизации валентных электронов и способность образовывать элементами I и II групп ионы M+ или M2+. Химия этих элементов (за исключением водорода) является в основном ионной химией. Ионы Na+ K+, Ca2+ и Mg2+ создают
электролитную среду в крови, клеточных и межклеточных жидкостях и составляют основу ионного гомеостаза. В выполнении этой функции принимают участие
также элементы p-блока (хлор, в меньшей степени сера, углерод, кислород и фосфор).
Большинство природных соединений натрия, калия, кальция и стронция растворимы в воде и слабых кислотах. Поэтому ионы этих металлов могут переходить из водных растворов в организмы растений, животных и человека.
Среди природных комплексных соединений элементов s-блока особое место
занимают макрокомплексы на основе циклических полипептидов, в частности валиномицина. Эти пептиды содержат внутренние полости определенных размеров,
в которых находится несколько кислородсодержащих групп, способных за счет донорно-акцепторного взаимодействия связывать ионы металлов, включая ионы Na+
и K+, размеры которых соответствую размерам полости. Такие комплексы присутствуют в биологических мембранах, обеспечивают транспорт ионов через эти
мембраны и поэтому называются ионофорами. В ионофоре катион комплексообразователя изолирован от окружающей среды гидрофобной оболочкой лиганда, за счет
OO
O +
которой он может свободно "плавать" в гидроK
фобной среде, например в клеточной мемOO O
бране. Такими свойствами обладает антибиотик валиномицин, размер полости которого соответствует размерам катиона K+.
Схематичное изображение комплекса иона K+ с валиномицином
Поэтому с помощью валиномицина может осуществляться транспорт катионов калия через мембрану из зоны низкой концентрации ионов K+ (наружная поверхность
мембраны), где образуется комплекс, в зону высокой концентрации ионов K+
(внутренняя поверхность мембраны), где этот комплекс распадается.
С помощью другого полипептида – грамицидина А – осуществляется транспорт ионов натрия, но по эстафетному механизму. Грамицидин А – полипептид,
свернутый в "трубочку", внутренняя поверхность которой выстлана кислородсодержащими группами. В результате образуется достаточно большой длины гидрофильный канал с определенным сечением, соответствующим размеру иона Na+.
Внешняя гидрофобная поверхность "трубочки" позволяет ей располагаться поперек фосфолипидного бислоя мембраны, полностью сливаясь с ним. Ион Na+, входя в гидрофильный канал с одной стороны, передается от одной к другой кислородным группировкам подобно эстафете. В этом случае получается ионопрово56
дящий канал. Таким образом, за счет лабильного комплексообразования в ионофоре осуществляется транспорт ионов сквозь клеточные мембраны, против градиента концентраций.
Перенос веществ против градиента концентраций называется активным
транспортом. Он не может протекать самопроизвольно и требует энергетических затрат. Источником энергии является экзэргоническая реакция гидролиза
АТФ.
Валиномицин и грамицидин используются также как антибиотики. Валиномицин применяется кроме того для получения ионселективных электродов с целью
контроля за концентрацией ионов К+ в присутствии высоких концентраций ионов
Na+ (в крови и моче). Можно осуществлять контроль за содержанием ионов K+ в
сыворотке крови во время лечения сердечных кризов или диабетической комы. На
примере величин устойчивости комплексов щелочных металлов с ионофорами
(валиномицина в этаноле) можно убедиться в близости свойств ионов Li+ и Na+, а
также K+, Rb+ и Cs +, устойчивость комплексов которых значительно выше.
Ион
Li+
Na+
K+
Rb+
Cs +
lgK уст.
0.7
0.8
4.5
5.3
4.6
Сходство свойств ионов, обусловленное сходством их электронного строения
и близостью радиусов, определяет их взаимозамещаемость в организме.
Ионы Na+, K+ и Ca2+ обеспечивают перенос информации в клетку. Большая
чувствительность клеток к данным ионам обеспечивается разностью их содержания вне и внутри клеток – градиентом концентрации (ионная асимметрия). Всем
живым организмам присуще явление ионной асимметрии. Старение – понижение
градиента концентрации ионов вне и внутри клетки, смерть – выравнивание таких
концентраций ионов калия и натрия. Градиент концентрации ионов кальция между цитоплазмой и средой на уровне четырех порядков величины обеспечивается
связыванием ионов Ca2+ в хелатное соединение специфическим белком – колмодулином. Ион Ca2+ участвует в запуске внутриклеточных процессов – сокращения
мышечных клеток, биосинтеза и секреции различных веществ. Вещества, регулирующие поток ионов кальция, называются эффекторами. Последние делятся на
блокаторы и активаторы. В клинической практике применяют Ca-блокаторы в
сердечнососудистой терапии (стенокардия, аритмия, инфаркт миокарда), иммунологии, химиотерапии рака.
Тема 17. Общая характеристика элементов p-блока (ЕОХ с. 305-390, ПОХ с.
369-488)
К элементам p-блока относятся все органогены (C, N, O, P, S), кроме водорода.
Кроме того, биогенными элементами являются: кремний, селен, фтор, хлор, иод.
Это элементы, образующие основную массу биополимеров – протеинов, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и соответствующих мономеров. Соединения
этих элементов могут проявлять нуклеофильные свойства и быть комплексообразующими агентами.
57
Углерод является макробиогенным элементом и основой органических соединений. Соединения углерода не только являются структурной основой жизни, но
и источником необходимой для жизни энергии, запасаемой в связях C–C и C–H.
Величина энергии одинарной связи для углерода больше, чем для любого другого
атома (E C–C = 374 кДж/моль, E Si–Si = 222 кДж/моль). Углерод – практически единственный элемент, способный сохранять в цепях одинарные и кратные связи. Углеродные цепи, окруженные атомами водорода, очень устойчивы и обеспечивают
самосохранение разнообразных сложных структурных образований. В то же время молекулы, содержащие такие цепи, гибки, могут геометрически приспосабливаться друг к другу, что существенно для живых систем, в которых важна не
только прочность, но и подвижность в своих внутренних сочленениях. Такая конформационная подвижность определяет важнейшие свойства биополимеров.
Кремний в организме человека является необходимым микроэлементом.
Остатки кремниевой кислоты наряду с остатками фосфорной кислоты входят в
состав нуклеиновых кислот.
Азот является составной частью белков и нуклеиновых кислот. Атомы азота в
биоорганических соединениях являются донорными атомами, образующими связи с ионами многих биогенных металлов.
Фосфор в биологических системах выполняет разнообразные функции всегда
в виде производных фосфорной кислоты. Анионы H2PO4– и HPO42– составляют
буферную систему крови. АТФ и АДФ играют важную роль в биоэнергетическом
механизме клеток.
Сера является составной частью цистеина и метионина и поэтому всегда входит в состав белков. Окисление серы в цистеине приводит к образованию дисульфидных мостиков, стабилизирующих третичную структуру белков. Тиольные
группы (–SH) играют важную роль в активных центрах ферментов.
Тема 18. Общая характеристика элементов d-блока (ЕОХ с. 254-304, ПОХ с.
491-572)
К d-блоку относятся 32 элемента периодической системы 4 – 7 периодов. Все
атомы d-блока за исключением групп IБ и IIБ имеют незавершенный
d-электронный слой. Такие электронные оболочки неустойчивы. Этим объясняется переменная валентность и набор разных степеней окисления этих элементов, а
также разнообразие комплексных соединений, которые они образуют с различными лигандами. При физиологических значениях pH некоторые из ионов dэлементов должны выпадать в осадок в виде гидроксидов, но этого не происходит
из-за прочного связывания их в комплексные соединения.
Химическая связь и пространственное строение комплексных соединений уже
обсуждались ранее в нашем курсе. Устойчивость комплексов в принципе определяется эффективностью донорно-акцепторного взаимодействия между лигандом и
комплексообразователем. Прочность связей между ними зависит от их поляризуемости, т. е. способности трансформировать свои электронные оболочки под
внешним воздействием. По этому признаку реагенты подразделяются на "жест58
кие" или малополяризуемые и "мягкие" – легкополяризуемые. Поляризуемость
атома или иона зависит от его радиуса и числа электронных слоев. Чем меньше
радиус и число электронов частицы, тем она менее поляризуема, и наоборот. По
этим признакам можно расположить комплексообразователи и лиганды, участвующие в процессе метаболизма в следующей последовательности.
Увеличение жесткости комплексообразователя
металлы жизни
токсиканты
Na +, K+, Mg 2+, Ca2+, Mn 2+, Fe2+, Co2+, Ni 2+, Cu2+, Zn2+, Cd 2+, Pb2+, Hg2+
s-металлы
d-металлы
Увеличение жесткости лиганда
F−, OH−, H2O, Cl−, Br−, I−, RCOO−, NR3, RSH, CN−
В соответствии с принципом жестких и мягких кислот и оснований
(Р. Пирсон, более подробно см. БОХ-1 раздел 5.2) считается, что наиболее прочные связи будут возникать между мягкими комплексообразователями и мягкими
лигандами. С учетом того, что белки и ферменты содержат мягкие группы RCOO–
, NR3 и RSH, становится понятным, почему металлы жизни – d-элементы – в организме встречаются практически только в виде комплексов с биосубстратами. С
другой стороны, становится понятным, почему ионы тяжелых металлов сильно
токсичны. Они относятся к наиболее мягким и активно взаимодействуют с биосубстратами, нарушая их метаболизм. Особенно легко в реакцию комплексообразования вступают белки, содержащие группы RSH.
2 RSH + 2 Hg+
R–S–Hg–S–R + 2 H+
Элементы d-блока в сравнении с элементами s-блока содержатся в организме в
микроколичествах, но роль их исключительно велика. Это относится прежде всего к наиболее важным биогенным элементам d-блока ("остров" биометаллов:
хром – медь, молибден). Они входят в активные центры многих ферментов, содержатся в структуре ряда гормонов и витаминов, участвуют в регуляции биохимических процессов.
Как упоминалось выше, ионы натрия и калия вследствие своей жесткости
практически не образуют устойчивых комплексов с биосубстратами и в физиологических средах находятся в основном в ионизированном состоянии.
Вопросы и упражнения
1. Какие соединения называются макроэргическими? Приведите примеры.
2. Из каких компонентов состоит фосфатный буфер? Укажите их количественное
соотношение в плазме крови при pH = 7.4, а также интервал буферного действия. Покажите механизм буферного действия по отношению к кислоте.
3. Что такое ионофоры? Роль ионов натрия и калия в создании мембранного потенциала.
59
4. Изобразите строение комплексного соединения коламина (или аланина) с гидроксидом меди (II) в щелочной среде. Укажите координационное число комплексообразователя и дентатность лиганда.
5. Изобразите электронное строение ионов Fe2+ и Fe3+. Объясните, почему эти ионы могут быть акцепторами электронных пар.
6. Какие доноры – кислородные или азотные сильнее координируются ионами
Cu (II) при металл-белковом взаимодействии в живом организме. Объясните
свой ответ.
7. Опишите механизм действия гидрокарбонатного буфера. Рассчитайте соотношение компонентов при pH = 7.4 (для угольной кислоты pKa1 = 6.3; pKa2 = 10.3).
ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. ОХРАНА
ВНУТРЕННЕЙ СРЕДЫ ОРГАНИЗМА
Введение
В наши дни становится актуальной не только проблема охраны окружающей
среды, но и внутренней среды организма, т.к. в организм человека различными
путями – через воду, воздух, пищу и лекарственные вещества попадает около
10 миллионов ксенобиотиков (чужеродных для организма соединений). По данным ВОЗ их число увеличивается в 2 раза каждые 10 лет.
Предпосылкой развития биогеохимии до уровня науки об окружающей среде
явилась идея Вернадского о производственной деятельности человека: "производственная деятельность человека становится геохимическим фактором". Интенсивность этого воздействия исключительно высока и превосходит скорость геологических процессов, а также влияет на равновесие в биосфере.
Улучшая условия жизни на земле в материально-техническом смысле, человек
разрушает среду обитания. Это связано со стремлением к достижению максимальной экономической выгоды и с низкой культурой производителей и потребителей
химических препаратов, не обладающих химическими знаниями. Ранее мы ввели
понятие о биосфере. Возникает также необходимость введения понятия о "ноосфере" – биологической среде, управляемой разумом. Необходим научно обоснованный, созидательный подход к производственной деятельности человека.
Озабоченность общества экологической нестабильностью привела к развитию
биогеохимической медицины – санитарно-гигиенической службы контроля за состоянием окружающей среды и здоровья человека.
Концентрации биогенных элементов в организме при нормальном его функционировании поддерживаются на строго определенных уровнях (биотическая
доза) путем контроля с помощью системы соответствующих протеинов и гормонов, они должны содержаться в достаточном количестве в принимаемой пище и воде. Химический состав пищи, растений, идущих на питание, влияет на состояние организма. Биогеохимические провинции – это территории, в почве которых
содержание химических элементов отличается от среднего.
60
Заболевания, вызванные избытком или недостатком элементов в данной биогеохимической провинции, называются эндемическими заболеваниями. Избыток железа в рационе вызывает сидероз. В Армении в почве повышено содержание молибдена, и 37% населения страдает подагрой. Болезнь Вильсона обусловлена избытком меди в организме. В Забайкалье, Корее, Китае, где почвы
содержат повышенные концентрации стронция и бария, население поражается
деформирующими артрозами (уровская болезнь). Это пример взаимозамещения элементов.
Стронций и барий близки по физико-химическим свойствам к кальцию и способны замещать его в костной ткани. Растворимость фосфатов уменьшается в ряду Ca > Sr > Ba, поэтому равновесие реакции
3 SrX2 + Ca3(PO4)2
3 CaX2 + Sr3(PO4)2
смещено вправо. Стронциевый рахит выражается в повышенной ломкости костей.
Особую опасность представляет радиоактивный изотоп стронций-90, который,
оседая в костях, облучает костный мозг и нарушает костномозговое кроветворение.
Итак, избыток или недостаток элементов в окружающей среде приводит к развитию заболеваний – биогенных эндемий. Реакцию организма на изменение концентрации элемента можно выразить графически (рис. 9.1.).
реакция
организма
2
нижний
дефицит
предел
выживания
1
норма
здоровья
токсичность летальность
концентрация биоэлемента в пище (доза)
Кривая 1 – реакция организма на содержание соединений железа;
кривая 2 – реакция организма на содержание соединений мышьяка
Приблизительные дозы микроэлементов и витаминов для человека (мг/кг в день)
Недостаточность
Нормальное
Микроэлементы
в диете, вызыва- Терапевтические Смертельные
содержание
и витамины
ющая заболевадозы
дозы
в пище
ние
Фтор
0.05–0.1
0.05
50
200
Цинк
0.1–1.0
0.1
5
80
Медь
0.2–1.0
0.2
5
8
Железо
0.01–0.1
0.01
5
80
Марганец
0.0005–0.01
0.0005
0.05
70
Иод
0.001–0.005
0.001
0.01
50
Кобальт
0.0005–0.005
0.0005
0.03
10
61
Витамин А
Витамин B1
Витамин B2
Витамин PP
Витамин B6
Фолиевая кислота
Витамин C
0.002
0.004
0.05
0.3
0.04
0.006
1.0
–
–
–
0.06
0.14
0.07
0.07
0.43
1.0
0.2
4.0
1.4
0.14
8.0
2000
250
560
3500
4000
100
2300
Большая протяженность плато указывает не только на малую токсичность
элемента, но также на большую способность организма к адаптации по отношению к значительным изменениям содержания этого элемента. Напротив, узкое
плато свидетельствует о значительной токсичности элемента и резком переходе
от необходимых организму количеств к опасным для жизни. При выходе за плато
(увеличении концентрации микроэлемента) все элементы становятся токсичными.
В конечном счете существенное увеличение концентрации микроэлементов может привести к летальному исходу. Таким образом, малые дозы элемента – лекарство, большие дозы – яд. "Все есть яд и ничто не лишено ядовитости, одна лишь
доза делает яд незаметным". Эти слова Парацельса подтверждают данные таблицы.
По этой причине существует еще одна классификация веществ по физиологической активности. По этой классификации вещества делятся на нейтральные, необходимые и токсичные.
Тема 19 Общие механизмы токсического действия
Итак, элементы, попадающие в организм и в окружающую среду, можно подразделить на нейтральные, токсичные и нетоксичные. При этом понятие токсичности
неоднозначно, т. к. связано с дозой и чувствительностью организма. Явление токсичности представляет такой случай, когда интенсивность химического воздействия
превышает адаптационную емкость конкретной особи. Токсичность является мерой несовместимости вещества с существованием данного организма. В связи с
этим вводятся следующие количественные показатели:
• предельно допустимая концентрация (ПДК) – максимальная концентрация
(мг/л) вещества, не вызывающая соматических и генетических последствий.
Для смесей ПДК приблизительно равна ПДК самого токсического элемента.
Если их ПДК близки, то
c1/ПДК1 + c2/ПДК2 + ... ≤ 1, где c – массовая концентрация.
• летальная доза (DL50) – количество вещества вызывающее летальный исход у
50% объектов испытаний (единица измерения, масса вещества на кг массы
млекопитающего).
Поскольку токсическое и физиологическое действие зависит от пути поступления в организм и действия на критические органы, от темпов, доз и индивидуальной чувствительности отдельных организмов, то определение ПДК и DL50 является достаточно сложной научно-практической задачей. Соответствующие дан62
ные обычно получают в результате труда больших научных коллективов, объединенных национальными и международными программами.
Основная трудность заключается в том, что прямые исследования на живом
человеке невозможны. Используется либо экстраполяция из опытов на животных,
либо анализ несчастных случаев.
Наиболее характерные токсичные для живых организмов элементы расположены в периодической системе довольно компактно.
Расположение токсичных элементов в Периодической системе
Периоды
Группы
VIII
IB
II B
III A
IV A
VA
VI A
II
–
–
Be
–
–
–
–
IV
Ni
Cu
Zn
–
Ge
As
Se
V
Pd
Ag
Cd
–
Sn
Sb
Te
VI
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
–
В следующей таблице приведены некоторые значения ПДК веществ в водах
бытового и культурно-хозяйственного назначения.
Значения ПДК некоторых веществ в воде
Вещество
ПДК, мг/л
Вещество
ПДК, мг/л
ампициллин
0.02
медь
1.0
анилин
0.1
ртуть
0.0005
барий
0.1
свинец
0.03
бензальдегид
0.003
селен
0.01
бензил хлористый
0.001
серебро
0.05
бензин
0.1
стронций
7.0
бензоат калия
7.5
сульфаты (по SO42–)
500
бензпирен
0.000005
тетраэтилсвинец
–
бериллий
0.0002
хлор
–
диэтилртуть
0.0001
хлориды (по С1–)
350
марганец
0.1
цинк
1.0
Следует отметить, что среди органических соединений наибольшей токсичностью обладают полициклические углеводороды, что обусловлено их высокой способностью проникать через клеточные мембраны.
63
Cl
Cl
Бензпирен
ПДК = 5⋅10-6 мг/л,
канцероген
O
Cl
Cl
O
Диоксин
ПДК = 5⋅10-6 мг/л,
мутаген, канцероген,
способен накапливаться
в организме,
LD 50 = 0.07 мг/кг
O 2N
OC 2H5
O P S
OC 2H 5
Тиофос
ПДК = 3⋅10 -3 мг/л,
LD50 = 5−10 мг/кг
Среди металлов особой токсичностью и достаточно большой распространенностью отличаются ртуть, свинец и медь. Весьма существенна форма нахождения
этих металлов в почве, морских и речных осадках и в воздухе. Как видно из таблицы 9.3 (сравните, например, ртуть и диэтилртуть), гидрофобизация ионов этих
металлов приводит к значительному увеличению токсичности, т. к. позволяет металлоорганическим соединениям легко проникать через клеточные мембраны.
Элементы d-блока (тяжелые металлы) являются протоплазматическими ядами,
токсичность которых возрастает по мере увеличения относительной атомной массы. Чем выше химическая активность, тем выше токсичность. Токсичность тяжелых металлов может проявляться по-разному. Ионы многих металлов, например,
меди и ртути, при токсичных концентрациях ингибируют активность ферментов.
Ионы меди, золота, кадмия, железа (II) могут нарушать проницаемость мембран.
Другие ионы металлов конкурируют с необходимыми для организма ионами металлов и нарушают их важнейшие функции. Ион лития конкурирует с ионом
натрия, ион цезия замещает ион калия, ионы бария и стронция замещают ион
кальция. Ион кадмия замещает ион цинка. На токсичность оказывает влияние степень окисления атома. Соединения хрома (VI) более токсичны, чем соединения
хрома (III). Восстановленные формы железа более токсичны, чем соединения железа (III).
Ионы ртути, мышьяка, висмута, свинца, как уже говорилось выше, блокируют
тиольные группы протеинов или вытесняют из активных центров ферментов медь
и цинк. Ионы бериллия блокируют гидролитические ферменты и прочно связываются с нуклеиновыми кислотами.
Механизм токсического действия оксида углерода (II) связан с замещением
лиганда – молекулы воды в гемоглобине на CO. При этом образуется карбоксигемоглобин,
HHb + CO
HHbCO,
устойчивость которого в 300 раз больше, чем оксигемоглобина. Кислородная емкость крови уменьшается пропорционально поступившему в организм CO. При
тяжелых отравлениях (содержание HHbCO ≈ 60% в крови) происходит потеря сознания, судороги. Смерть наступает от остановки дыхания. Смертельные концентрации CO составляют 2 мг/л при 60 минутной и 5 мг/л при пятиминутной экспозиции. Пострадавшим необходимо вдыхание чистого кислорода, т. к. в воздухе
64
содержание кислорода недостаточно для быстрого вытеснения CO из карбоксигемоглобина.
Под действием окислителей (нитритов, нитратов, NO2) гемоглобин в результате окисления Fe2+ в Fe3+ и потери воды-лиганда превращается в метгемоглобин
(метHHb).
окислитель
HHb(Fe2+)
метHHb(Fe3+) + H+ + e
восстановитель
Метгемоглобин не способен переносить кислород и уменьшает кислородную
емкость крови. Для его превращения в гемоглобин необходимо действие восстановителей.
Токсическое действие нитратов связано с рядом их химических превращений.
Попадая в организм, нитраты легко восстанавливаются до нитритов.
NO3– + 2 H+ + 2 e
NO2– + H2O ϕ0 = 0.42 В (рН = 7)
Нитриты эффективно окисляют гемоглобин в метгемоглобин, образуя оксид
азота (II).
NO2– + HHb(Fe2+) + 2 H+
NO + метHHb(Fe3+) + H2O
Оксид азота (II), подобно CO, образует прочный комплекс с гемоглобином. В
результате воздействия нитритов возникает острое кислородное голодание тканей
из -за уменьшения содержания гемоглобина в крови.
При попадании в организм цианидов они быстро проникают в кровь, но ион
CN– весьма слабо связывается с Fe2+ гемоглобина и чрезвычайно эффективно с
Fe3+ и Cu2+ – комплексообразователями фермента цитохромоксидазы, т. к. образует с ними более прочные комплексы. Цианид-ион блокирует окисленную форму
фермента и ингибирует ее действие в дыхательной цепи.
HO Fe Цитохромоксидаза Cu OH
+ 2 CN −
NC Fe Цитохромоксидаза Cu CN + 2 OH −
Клеточное дыхание прекращается на самом главном этапе – усвоении кислорода клетками тканей организма, особенно в нервных клетках мозга, где этот
процесс идет чрезвычайно интенсивно. При этом не нарушается ни поступление
кислорода в кровь, ни перенос его гемоглобином к тканям. Артериальная кровь
переходит в вены, оставаясь насыщенной кислородом. Пероральная токсодоза цианид-иона для человека DL50 составляет 1 мг/кг.
Тема 20. Общие механизмы детоксикации и защитных барьеров
Для живого организма характерно постоянство внутренней среды – гомеостаз.
Нарушение его в соответствии с принципом адаптивных перестроек является
движущей силой восстановительных процессов. Живой организм обладает значи65
тельным запасом прочности, который реализуется различными путями детоксикации.
• Механические барьеры – кожный, гемато-энцефалический, плацентарный, клеточные мембраны.
• Выделительные механизмы (отхаркивание, пот, слезная жидкость и т. д.) обеспечивают выведение ксенобиотиков. Вызывание рвоты, понос освобождают
организм от чужеродных соединений.
• Биохимическая (молекулярная детоксикация).
Рассмотрим более подробно механизмы биохимической детоксикации. Можно
выделить 4 основных звена детоксикации ксенобиотиков.
• Микросомальные ферменты – оксигеназы. Множественные формы этих ферментов являются приспособительным механизмом, с помощью которого любой живой организм может противостоять неблагоприятному химическому
окружению.
• Субстраты и ферменты конъюгации.
• Макроэргические соединения, необходимые для реакций конъюгации.
• Ферментные и неферментные механизмы антирадикальной и антипероксидной
защиты.
Необходимо отметить, что в процессе транспорта ксенобиотиков еще до детоксикации происходит их обратимое связывание с сывороточным альбумином,
что в последнее время рассматривается как один из механизмов защиты организма от экзогенных низкомолекулярных соединений. Поскольку биохимическая система детоксикации функционирует как единое целое, все звенья ее должны действовать эффективно. Усиление реакций окисления, которое сопровождается генерацией H2O2, органических пероксидов, супероксидных радикалов, приводит и
к усилению пероксидного окисления липидов, что можно рассматривать как признак общей неспецифической реакции на стресс.
Еще одна особенность системы детоксикации – необходимость постоянного
использования глутатиона. Глутатион – это трипептид γ-Glu–Cys–Gly. Наличие
цистеина в составе глутатиона обуславливает возможность существования его как
в восстановленной, так и в окисленной дисульфидной форме. Стимуляция биосинтеза восстановленного глутатиона открывает перспективы увеличения резистентности организма к действию ксенобиотиков.
Итак, адаптация организма является нормальным физиологическим процессом, а анализ механизмов детоксикации позволяет обосновать уровни ПДК.
Биотрансформация ксенобиотиков с помощью оксигеназ – первая фаза детоксикации
Роль оксидаз в молекулярном механизме детоксикации липофильных ксенобиотиков заключается в катализе таких реакций, в результате которых в них появляются реакционноспособные функциональные группы OH, NH2, COOH, SH.
Затем метаболиты легко вступают в реакции конъюгации с образованием мало66
токсичных соединений, которые выводятся из организма с мочой, желчью и калом. Приведем ряд реакций, катализируемых ферментами оксигеназами.
• Эпоксидирование:
ферменты
H 3C
Толуол
H
O
H3C
H
Толуол-3,4-оксид
OH
H
H3C
п-Крезол
• N-гидроксилирование:
[O]
RNH2
RNH OH
Амин
Замещенный гидроксиламин
• Окислительное дезаминирование:
ФАД
H 2O
RCH2NH2
RC O
RCH
NH
H + NH 3
− ФАДH2
Амин
Альдегид
Имин
• C-Гидроксилирование алифатических, ароматических и алициклических углеводородов:
C OH + H 2O + НАДФ +
C H + O 2 + НАДФH + H+
+
NH C O
CH3 + O2 + НАДФH + H
Ацетанилид
+
NH C O
CH3 + H2O + НАДФ
п -Гидроксиацетанилид
HO
OH
двойное
OH
гидроксилирование
Пирокатехин
Бензол
окислительный
разрыв
HOOC
COOH
транс-, транс-Муконовая кислота
• Дегалогенирование:
фермент
НАД+
CF3 CHClBr
CF3 CH3
CF 3 COOH
фторротан
1,1,1-Трифторэтан
Трифторуксусная
кислота
(антисептик)
Эти ферменты катализируют также реакции O- и S-дезалкилирования, десульфирования, восстановления нитро- и азосоединений.
Реакции конъюгации
Реакции конъюгации представляют собой вторую фазу детоксикации. В организме животных и человека наибольшее распространение получили следующие
реакции конъюгации:
• глюкуронидная;
• сульфатная;
67
•
•
•
•
с глутатионом;
с аминокислотами;
метилирование;
ацетилирование.
Механизмы конъюгации обязательно предусматривают участие макроэргических соединений.
Глюкуронидной конъюгации подвергается около 40 классов органических соединений, включая фенолы, карбоновые кислоты, ариламины, арилмеркаптаны и
т. д. Например, выведение из организма салициловой кислоты происходит в виде
O-глюкуронида, мепротана – в виде N-глюкуронида.
COOH
COOH
CH3
O
OO
O NH C O CH2 C CH2 O C O
OH
NH 2
OH
HOOC
C3H7
OH OH
OH OH
Общая схема сульфатной конъюгации включает превращение в сульфокислоту.
сульфотрансфераза
RXSO3 где X = O, N, возможно S
RXH
конъюгат
Конъюгации с глутатионом подвергается очень большое число соединений.
Для них необходимо наличие электрофильного центра, способного реагировать с
SH-группой глутатиона (Х = галоген, NO 2 и другие хорошо уходящие группы):
глутатион-S-трансфераза
RX
R S CH 2 CH COOH O
и другие ферменты
NH C CH
3
R-замещенная меркаптуровая кислота
Метаболизм нафталина подтверждает множественность путей поддержания
гомеостаза на молекулярном уровне.
S CH2 CH COOH O
NH C CH
3
O
Г-SH
коньюгат
O2
H OH
+ H2O
OH − H O
OH
Нафталин
Нафталин-1,2-оксид
2
H
OH
OH
−2H
β-Нафтол
1,2-Дигидроксинафталин
Конъюгация с аминокислотами – биохимический механизм обезвреживания
органических соединений с COOH группой, в том числе и эндогенных продуктов –
желчных кислот. Обычно глицин образует конъюгаты с арилкислотами, глутамин
– с арилуксусными кислотами, а таурин (NH2-CH2-CH2-SO 3H) – с желчными кислотами. Ниже представлена общая схема конъюгации:
68
O
R C OH + HSКоА ацил-КоА-синтетаза R C O
SКоА
ксенобиотик
O
R C SКоА + R' CH COOH фермент O
COOH + HSКоА
NH 2
R C NH CH R'
Конъюгация глицина с бензойной кислотой приводит к образованию гиппуроO
C NH CH COOH , которая секретируется в плазму, а затем вывой кислоты
2
водится с мочой. В клинике исследование скорости образования гиппуровой кислоты после введения бензоата натрия используется в качестве теста для оценки
антитоксической функции печени.
Молекулярные механизмы поддержания гомеостаза при действии супероксидных анион-радикалов и пероксидных соединений
Супероксидный анион-радикал, образующийся при действии оксигеназ на
ксенобиотики, является высокотоксичным и относительно стабильным радикалом. Он взаимодействует с молекулами белка, липопротеинов, вызывает разрыв
спиралей ДНК, окисление тиоловых групп, инициирует пероксидное окисление
липидов. С ним связывают мутагенные, канцерогенные механизмы и механизмы
воспалительных процессов. Физиологический уровень супероксидного анионрадикала очень низок. Стационарная концентрация 8⋅10–12 моль/л. При этой концентрации исключена возможность токсического действия самого анионрадикала, но в присутствии других химических веществ резко возрастает генерация и опасность токсического поражения организма. Мощным молекулярным механизмом, поддерживающим гомеостаз, является действие ферментов – СОД –
супероксиддисмутаз (СОД открыта в 1969 г.). Супероксиддисмутазы являются
Zn-, Cu-, Fe-содержащими металлопротеинами и встречаются у всех кислородпотребляющих организмов. Это очень активные ферменты. Каталитическая активность СОД 3⋅106 моль/мин, константа скорости катализируемой реакции
2.37⋅109 моль/с.
СОД
2 O 2−
H2O2 + O 2
+ 2 H+
супероксидный
анион-радикал
Ниже приведена более подробная схема действия СОД.
[СОДCu 2+] + O2−
[СОДCu +] + O 2
ϕ0Cu2+/Cu+ = 0.167 В, ϕ0'O2/O2− = −0.45 В, E0' = 0.617 В
[СОДCu +] + O2− + 2 H+
[СОДCu 2+ ] + H2O2
ϕ 0'O2−/H2O2 = 0.295 В, E 0' = 0.295 - 0.617 В
Супероксидный радикал кислорода легко окисляет медь в степени окисления
+1 до +2. В отсутствие СОД протекает реакция образования синглетного кислорода.
69
2 O 2− + 2 H+
H2O2 + 'O2
синглетный
кислород
Возможна и другая более опасная реакция.
O2− + H2O 2
O2 + HO− +
HO
короткоживущий
радикал
Образующаяся H2O 2 в 10 раз менее токсична, чем супероксидный анионрадикал и разлагается на воду и кислород с участием фермента каталазы.
Помимо указанных ферментов свой вклад в защиту организма от радикальных
повреждений вносят эндогенные метаболиты, обладающие антиоксидантной активностью. Их принято делить на две группы.
• Липидорастворимые антиоксиданты – вещества группы витамина E (токоферолы), витамины A, K, P, убихиноны, стероидные гормоны.
• Водорастворимые антиоксиданты – низкомолекулярные тиолы и аскорбиновая
кислота.
Примером молекулярного механизма детоксикации, не связанной с микросомальными ферментами оксигеназами, является известная реакция окисления
спиртов в альдегиды под действием фермента алкогольдегидрогеназы и далее
альдегидов под действием фермента альдегидоксидазы, которая переводит альдегид в менее токсичную карбоновую кислоту.
O
R C H + НАДH + H+
R CH 2 OH + НАД+
O
O
R C H + НАД+ + H2O
R C OH + НАДH + H+
В качестве примера можно привести превращение бензальдегида в бензоат-ион.
O
O
фермент
C O− + НАДH + 2 H+
C H + НАД+ + H2O
Бензоат,
Бензальдегид,
ПДК
7.5 мг/л
ПДК 0.003 мг/л
Некоторые принципы дезинтоксикационой терапии
В клинической токсикологии лечебные мероприятия, направленные на прекращение или снижение интенсивности действия на организм токсических веществ, объединены в понятие "дезинтоксикационная терапия". К ней относятся
методы усиления естественной детоксикации (промывание желудка, очищение
кишечника, форсированный диурез), методы искусственной детоксикации (различные виды диализа, гемосорбция, замещение крови и др.).
Метод искусственной детоксикации, основанный на превращении токсичной
частицы в нетоксичную с последующим выведением ее из организма, называется
эфферентным. Он воспроизводит механизм работы печени, позволяет осуществлять профилактику и лечение профессиональных заболеваний. Должное место в
дезинтоксикационной терапии занимают сорбционные, электрохимические методы, методы окисления-восстановления и другие. Они позволяют, изменяя размер,
70
природу и растворимость соединения превращать ядовитое вещество в неядовитое, купировать его действие, вывести из организма. Достигается это и переведением ионов в прочные растворимые в воде соединения хелатного типа.
Если в организме присутствуют лиганды, не способные проникать через биологические барьеры, то они остаются в жидких средах организма и легко выводятся с мочой. К ним относятся полиаминокарбоновые кислоты класса комплексонов, например, этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА) или ее динатриевая
соль – трилон Б.
CH 2COOH
CH2 N
CH 2COOH ЭДТА
CH 2COOH
CH2 N
CH 2COOH
При этом большинство металлов образуют внутрикомплексные соединения
хелатного типа, хорошо растворимые в воде, но нерастворимые в липидах.
[MЭДТА](n − 4)
Mn+ + ЭДТА 4−
Устойчивость их высока и достигает приведенных ниже величин:
Катион
Mg2+
Ca2+
Ba2+ Cd 2+, Co 2+, Zn2+ Cu2+, Ni2+, Pb 2+ Fe2+
lgK уст.
8.7
10.7
7.8
16
18
14
Fe3+
25
Выведение металлов-токсикантов за счет хелатообразующих препаратов называется хелатотерапией. При этом должно соблюдаться условие:
К уст.[Мтоксич.Препарат] > К уст.[Мтоксич.Лиганд биол.];
К уст.[Мбиол.Препарат] < К уст.[Мбиол.Лиганд биол.]
Это нужно обязательно учитывать, так как при больших дозах ЭДТА или трилона Б из организма выводятся ионы кальция, железа и кобальта, поэтому для выведения из организма ионов Pb 2+, Hg2+, Cd 2+ используется титацин (кальций динатриевая соль ЭДТА), имеющий низкое сродство к иону Ca2+, а также препараты
железа и кобальтсодержащий витамин B12.
Комплексонометрия используется для определения содержания ионов кальция, цинка и железа в фармацевтических препаратах, общего и связанного кальция в сыворотке крови, а также и при анализе жесткости воды.
Эффективными препаратами для хелатотерапиии являются, кроме того, унитиол
(натрий 2,3-димеркаптопропансульфонат) и сукцимер (2,3-димеркаптоянтарная
кислота)
HOOC CH CH COOH
2 SO 3Na
HS CH 2 CH CH
SH
SH
HS
Унитиол
Сукцимер
Эти хелатирующие реагенты эффективно связывают почти все металлы – токсиканты, но не выводят из организма ионы биогенных металлов.
Вопросы и упражнения
71
1. С какой целью при длительном применении комплексонов в хелатотерапии
рекомендуется использовать препараты кальция, железа и витамин В12?
2. Приведите схему биохимической детоксикации организма от спиртов и альдегидов.
3. Объясните механизм токсического действия оксида углерода (II) на организм
человека.
4. Дайте определение понятиям "биогеохимическая провинция", "эндемические
заболевания". Объясните взаимосвязь между ними. Приведите примеры.
5. Предложите возможный способ выведения ионов Pb2+ из организма больного.
Напишите соответствующее уравнение реакции.
6. Объясните, как влияет гидрофобизация ионов металлов в металлоорганических соединениях на величину ПДК.
7. Объясните с химической точки зрения влияние повышенного содержания
стронция в почве и природной воде на организм человека.
8. В чем выражается токсическое действие пероксидных радикалов на организм?
Какие метаболиты обладают антиоксидантной активностью? Приведите примеры.
9. Коньюгация представляет собой вторую фазу молекулярной детоксикации организма от ксенобиотиков. Изобразите схему глюкуронидной коньюгации салициловой кислоты.
10. Что означает ПДК (предельно допустимая концентрация) и DL50? Как получают эти данные?
11. В чем заключается механизм токсического действия нитратов и нитритов на
организм человека?
Т Е М Ы
Р Е Ф Е Р АТ О В
1. Биологически важные реакции алкилирования, протекающие по механизму
нуклеофильного замещения. Их механизм и биологическая роль. Биологические алкилирующие реагенты. Алкилирующие противоопухолевые препараты. Механизм их действия.
2. Понятие о стратегии пептидного синтеза. Защита и активация аминокислот
при биосинтезе белков. Основные этапы в ситнтезе пептидной связи.
3. Физико-химические методы разделения аминокислот.*
4. Гликолиз и глюконеогенез. Основные типы химических реакций, происходящих в этих процессах.
5. Пентозный цикл. Основные типы химических реакций, проходящих в этом пути окисления углеводов.
6. Превращения аминокислот в живом организме, протекающие с участием пиридоксальфосфата. Строение пиридоксальфосфата и механизм его действия.
7. S-Аденозилметионин, его строение, биосинтез, биологическая роль. Примеры
реакций, протекающих с участием S-аденозилметионина.
8. Макроэргические соединения в живом организме. Их образование и биологическая роль.
9. Кофермент A, его строение. Примеры реакций, протекающих в живом организме с участием ацил-CoA.
10. Глицерофосфолипиды, их биосинтез и биологическая роль.*
11. Сфинголипиды, их биосинтез и биологическая роль.
72
12. β-Окисление высших жирных кислот и их биосинтез. Типы химических реакций, происходящих в этих процессах.
13. Полиненасыщенные жирные кислоты, их строение и биологическая роль. Биорегуляторы, образующиеся из арахидоновой кислоты.
14. Биосинтез холестерина. Типы химических реакций, происходящих в этом биохимическом процессе.
15. Желчные кислоты, их строение и биологическая роль.
16. Кортикостероиды, их строение и биологическая роль.
17. Женские половые гормоны, их строение и биологическая роль.
18. Мужские половые гормоны, их строение и биологическая роль.
19. Анаболические стероиды, их строение и воздействие на организм человека.
20. Сердечные гликозиды, их строение и воздействие на организм человека.
21. Антибиотики ряда пенициллина и цефалоспорина, их механизм действия.
22. Реакции фосфорилирования углеводов, многоатомных спиртов, аминокислот.
Их механизм и биологическая роль. Фосфорилирующие реагенты.
23. Реакции ароматического и алифатического гидроксилирования в ряду аминокислот и стероидов, их биологическое значение.
24. Фолиевая, дигидрофолиевая и тетрагидрофолиевая кислоты. Их строение,
биосинтез и биологическая роль. Примеры биохимических реакций с участием
производных тетрагидрофолиевой кислоты.
25. Тиаминпирофосфат, его строение и биологическая роль. Примеры биохимических процессов, протекающих с участием тиаминпирофосфата.
26. Аскорбиновая кислота, ее строение и биологическая роль. Примеры биохимических процессов, протекающих с участие аскорбиновой кислоты.
27. Дигидролипоевая кислота и глутатион — биохимические восстановители, их
строение и биологическая роль. Примеры биохимических реакций с их участием.
28. Применение гемосорбции в медицине.
29. Применение хроматографии в биологии и медицине.
30. Биологическое значение коагуляции, пептизации и коллоидной защиты.
31. Аэрозоли в окружающей среде.
32. Биологическое значение и применение в медицине эмульсий, пен, аэрозолей.
Лекарственные формы как дисперсные системы.
33. Роль ПАВ в процессах переваривания жиров. Дисперсные системы, образующиеся в процессе пищеварения.
34. Солюбилизация и ее роль в переносе лекарственных препаратов в клетку.
35. Строение бислойных фосфолипидных мембран и их биологическая роль. Понятие о липосомах.
36. Антагонистическое набухание, его проявления в живом организме.
37. Общность и различия в нарушении устойчивости лиофобных золей и растворов ВМС.
38. Коацерваты и протоплазма.
39. Биореология крови.
40. Методы фракционирования и очистки белков.
41. Макро- и микроэлементы в организме человека.
73
42. Закономерности распределения биогенных элементов в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.
43. Общая характеристика элементов s-блока. Биологическая роль и применение
их соединений в медицине.
44. Общая характеристика элементов p-блока. Биологическая роль и применение
их соединений в медицине.
45. Кислород — основной окислитель в биологических системах. Активные формы кислорода как причины окислительного стресса.
46. Общая характеристика элементов d-блока. Биологическая роль и применение
их соединений в медицине.
47. Охрана окружающей среды. Понятие биосферы, ноосферы (В. И. Вернадский
— основатель биогеохимии как науки). Взаимосвязь здоровья и состояния
окружающей среды. Макро и микроэлементы.
48. Охрана внутренней среды организма. Предельно-допустимые концентрации
(ПДК) и летальные дозы (DL50). Токсичность. Кривые "доза – физиологический ответ".
49. Биологические барьеры. Пути проникновения токсикантов в клетку и некоторые механизмы детоксикации органических и неорганических веществ.
Л ИТ Е Р АТ У Р А
1. Материал лекций по общей химии.
2. Материал лекций по биоорганической химии.
3. Материал лекций по физической химии поверхностных явлений, коллоиднодисперсных систем и растворов ВМС.
4. Ершов Ю. А. Общая химия. 2, 3 издания. М.: Высш. шк.. 2000, 2007.
5. Глинка Н. Л. Общая химия. Л.: Химия. 1987.
6. А. С. Ленский, И. Ю. Белавин, С. Ю. Быликин. Биофизическая и бионеорганическая химия. Учебник для студентов медицинских ВУЗов. М.: Медицинское
информационное агентство. 2008.
7. Тюкавкина Н. А., Бауков Ю. И. Биоорганическая химия. 2 издание. М.: Медицина. 1991. 3 издание. М.: Дрофа. 2004.
8. В. Н. Сергеев. Курс коллоидной химии для медицинских ВУЗов. Учебное пособие для студентов медицинских ВУЗов, обучающихся по специальности фармация. М.: Медицинское информационное агентство. 2008.
9. В. И. Слесарев. Химия. Основы химии живого. С.-Пб.: Химиздат. 2001.
10. Ю. А. Овчинников. Биоорганическая химия. М.: Просвещение, 1987.
11. Р. Чанг. Физическая химия с приложениями к биологическим системам. М.:
Мир. 1980.
12. М. И. Равич-Щербо, В. В. Новиков. Курс физической и коллоидной химии. М.:
Высшая школа. 1975.
13. В. Н. Захарченко. Коллоидная химия. М.: Высшая школа, 1989.
14. К. Б. Серебровская. Коацерваты и протоплазма.
15. Т. Т. Березов, Б.Ф. Коровкин. Биологическая химия. М.: Медицина, 2007.
74
16. И. Тиноко, К. Зауэр, Дж. Вэнг, Дж. Паглиси. Физическая химия. Принципы и
применение в биологических науках. М.: Техносфера. 2005.
17. Голиков С. М. Общие механизмы токсического действия. М.: Медицина. 1986.
18. Ершов Ю. А., Плетнева Т. В. Механизмы токсического действия неорганических соединений. М.: Медицина. 1989.
19. Принципы и методы оценки токсичности химических веществ. Программа
ООН по окружающей среде. М.: Медицина. 1981.
20. Большая медицинская энциклопедия. 3 издание. М.: Советская энциклопедия.
1975/81.
21. Химический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. 1983.
75
ТАБЛИЦА ДЕСЯТИЧНЫХ ЛОГАРИФМОВ
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2.0
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3.0
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
4.0
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
5.0
5.1
5.2
5.3
0.00
0.0000
0.0414
0.0792
0.1139
0.1461
0.1761
0.2041
0.2304
0.2553
0.2788
0.3010
0.3222
0.3424
0.3617
0.3802
0.3979
0.4150
0.4314
0.4472
0.4624
0.4771
0.4914
0.5051
0.5185
0.5315
0.5441
0.5563
0.5682
0.5798
0.5911
0.6021
0.6128
0.6232
0.6335
0.6435
0.6532
0.6628
0.6721
0.6812
0.6902
0.6990
0.7076
0.7160
0.7243
0.01
0.0043
0.0453
0.0828
0.1173
0.1492
0.1790
0.2068
0.2330
0.2577
0.2810
0.3032
0.3243
0.3444
0.3636
0.3820
0.3997
0.4166
0.4330
0.4487
0.4639
0.4786
0.4928
0.5065
0.5198
0.5328
0.5453
0.5575
0.5694
0.5809
0.5922
0.6031
0.6138
0.6243
0.6345
0.6444
0.6542
0.6637
0.6730
0.6821
0.6911
0.6998
0.7084
0.7168
0.7251
0.02
0.0086
0.0492
0.0864
0.1206
0.1523
0.1818
0.2095
0.2355
0.2601
0.2833
0.3054
0.3263
0.3464
0.3655
0.3838
0.4014
0.4183
0.4346
0.4502
0.4654
0.4800
0.4942
0.5079
0.5211
0.5340
0.5465
0.5587
0.5705
0.5821
0.5933
0.6042
0.6149
0.6253
0.6355
0.6454
0.6551
0.6646
0.6739
0.6830
0.6920
0.7007
0.7093
0.7177
0.7259
0.03
0.0128
0.0531
0.0899
0.1239
0.1553
0.1847
0.2122
0.2380
0.2625
0.2856
0.3075
0.3284
0.3483
0.3674
0.3856
0.4031
0.4200
0.4362
0.4518
0.4669
0.4814
0.4955
0.5092
0.5224
0.5353
0.5478
0.5599
0.5717
0.5832
0.5944
0.6053
0.6160
0.6263
0.6365
0.6464
0.6561
0.6656
0.6749
0.6839
0.6928
0.7016
0.7101
0.7185
0.7267
0.04
0.0170
0.0569
0.0934
0.1271
0.1584
0.1875
0.2148
0.2405
0.2648
0.2878
0.3096
0.3304
0.3502
0.3692
0.3874
0.4048
0.4216
0.4378
0.4533
0.4683
0.4829
0.4969
0.5105
0.5237
0.5366
0.5490
0.5611
0.5729
0.5843
0.5955
0.6064
0.6170
0.6274
0.6375
0.6474
0.6571
0.6665
0.6758
0.6848
0.6937
0.7024
0.7110
0.7193
0.7275
76
0.05
0.0212
0.0607
0.0969
0.1303
0.1614
0.1903
0.2175
0.2430
0.2672
0.2900
0.3118
0.3324
0.3522
0.3711
0.3892
0.4065
0.4232
0.4393
0.4548
0.4698
0.4843
0.4983
0.5119
0.5250
0.5378
0.5502
0.5623
0.5740
0.5855
0.5966
0.6075
0.6180
0.6284
0.6385
0.6484
0.6580
0.6675
0.6767
0.6857
0.6946
0.7033
0.7118
0.7202
0.7284
0.06
0.0253
0.0645
0.1004
0.1335
0.1644
0.1931
0.2201
0.2455
0.2695
0.2923
0.3139
0.3345
0.3541
0.3729
0.3909
0.4082
0.4249
0.4409
0.4564
0.4713
0.4857
0.4997
0.5132
0.5263
0.5391
0.5514
0.5635
0.5752
0.5866
0.5977
0.6085
0.6191
0.6294
0.6395
0.6493
0.6590
0.6684
0.6776
0.6866
0.6955
0.7042
0.7126
0.7210
0.7292
0.07
0.0294
0.0682
0.1038
0.1367
0.1673
0.1959
0.2227
0.2480
0.2718
0.2945
0.3160
0.3365
0.3560
0.3747
0.3927
0.4099
0.4265
0.4425
0.4579
0.4728
0.4871
0.5011
0.5145
0.5276
0.5403
0.5527
0.5647
0.5763
0.5877
0.5988
0.6096
0.6201
0.6304
0.6405
0.6503
0.6599
0.6693
0.6785
0.6875
0.6964
0.7050
0.7135
0.7218
0.7300
0.08
0.0334
0.0719
0.1072
0.1399
0.1703
0.1987
0.2253
0.2504
0.2742
0.2967
0.3181
0.3385
0.3579
0.3766
0.3945
0.4116
0.4281
0.4440
0.4594
0.4742
0.4886
0.5024
0.5159
0.5289
0.5416
0.5539
0.5658
0.5775
0.5888
0.5999
0.6107
0.6212
0.6314
0.6415
0.6513
0.6609
0.6702
0.6794
0.6884
0.6972
0.7059
0.7143
0.7226
0.7308
0.09
0.0374
0.0755
0.1106
0.1430
0.1732
0.2014
0.2279
0.2529
0.2765
0.2989
0.3201
0.3404
0.3598
0.3784
0.3962
0.4133
0.4298
0.4456
0.4609
0.4757
0.4900
0.5038
0.5172
0.5302
0.5428
0.5551
0.5670
0.5786
0.5899
0.6010
0.6117
0.6222
0.6325
0.6425
0.6522
0.6618
0.6712
0.6803
0.6893
0.6981
0.7067
0.7152
0.7235
0.7316
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
6.0
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
7.0
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
8.0
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8
8.9
9.0
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
9.6
9.7
9.8
9.9
0.7324
0.00
0.7404
0.7482
0.7559
0.7634
0.7709
0.7782
0.7853
0.7924
0.7993
0.8062
0.8129
0.8195
0.8261
0.8325
0.8388
0.8451
0.8513
0.8573
0.8633
0.8692
0.8751
0.8808
0.8865
0.8921
0.8976
0.9031
0.9085
0.9138
0.9191
0.9243
0.9294
0.9345
0.9395
0.9445
0.9494
0.9542
0.9590
0.9638
0.9685
0.9731
0.9777
0.9823
0.9868
0.9912
0.9956
0.7332
0.01
0.7412
0.7490
0.7566
0.7642
0.7716
0.7789
0.7860
0.7931
0.8000
0.8069
0.8136
0.8202
0.8267
0.8331
0.8395
0.8457
0.8519
0.8579
0.8639
0.8698
0.8756
0.8814
0.8871
0.8927
0.8982
0.9036
0.9090
0.9143
0.9196
0.9248
0.9299
0.9350
0.9400
0.9450
0.9499
0.9547
0.9595
0.9643
0.9689
0.9736
0.9782
0.9827
0.9872
0.9917
0.9961
0.7340
0.02
0.7419
0.7497
0.7574
0.7649
0.7723
0.7796
0.7868
0.7938
0.8007
0.8075
0.8142
0.8209
0.8274
0.8338
0.8401
0.8463
0.8525
0.8585
0.8645
0.8704
0.8762
0.8820
0.8876
0.8932
0.8987
0.9042
0.9096
0.9149
0.9201
0.9253
0.9304
0.9355
0.9405
0.9455
0.9504
0.9552
0.9600
0.9647
0.9694
0.9741
0.9786
0.9832
0.9877
0.9921
0.9965
0.7348
0.03
0.7427
0.7505
0.7582
0.7657
0.7731
0.7803
0.7875
0.7945
0.8014
0.8082
0.8149
0.8215
0.8280
0.8344
0.8407
0.8470
0.8531
0.8591
0.8651
0.8710
0.8768
0.8825
0.8882
0.8938
0.8993
0.9047
0.9101
0.9154
0.9206
0.9258
0.9309
0.9360
0.9410
0.9460
0.9509
0.9557
0.9605
0.9652
0.9699
0.9745
0.9791
0.9836
0.9881
0.9926
0.9969
0.7356
0.04
0.7435
0.7513
0.7589
0.7664
0.7738
0.7810
0.7882
0.7952
0.8021
0.8089
0.8156
0.8222
0.8287
0.8351
0.8414
0.8476
0.8537
0.8597
0.8657
0.8716
0.8774
0.8831
0.8887
0.8943
0.8998
0.9053
0.9106
0.9159
0.9212
0.9263
0.9315
0.9365
0.9415
0.9465
0.9513
0.9562
0.9609
0.9657
0.9703
0.9750
0.9795
0.9841
0.9886
0.9930
0.9974
77
0.7364
0.05
0.7443
0.7520
0.7597
0.7672
0.7745
0.7818
0.7889
0.7959
0.8028
0.8096
0.8162
0.8228
0.8293
0.8357
0.8420
0.8482
0.8543
0.8603
0.8663
0.8722
0.8779
0.8837
0.8893
0.8949
0.9004
0.9058
0.9112
0.9165
0.9217
0.9269
0.9320
0.9370
0.9420
0.9469
0.9518
0.9566
0.9614
0.9661
0.9708
0.9754
0.9800
0.9845
0.9890
0.9934
0.9978
0.7372
0.06
0.7451
0.7528
0.7604
0.7679
0.7752
0.7825
0.7896
0.7966
0.8035
0.8102
0.8169
0.8235
0.8299
0.8363
0.8426
0.8488
0.8549
0.8609
0.8669
0.8727
0.8785
0.8842
0.8899
0.8954
0.9009
0.9063
0.9117
0.9170
0.9222
0.9274
0.9325
0.9375
0.9425
0.9474
0.9523
0.9571
0.9619
0.9666
0.9713
0.9759
0.9805
0.9850
0.9894
0.9939
0.9983
0.7380
0.07
0.7459
0.7536
0.7612
0.7686
0.7760
0.7832
0.7903
0.7973
0.8041
0.8109
0.8176
0.8241
0.8306
0.8370
0.8432
0.8494
0.8555
0.8615
0.8675
0.8733
0.8791
0.8848
0.8904
0.8960
0.9015
0.9069
0.9122
0.9175
0.9227
0.9279
0.9330
0.9380
0.9430
0.9479
0.9528
0.9576
0.9624
0.9671
0.9717
0.9763
0.9809
0.9854
0.9899
0.9943
0.9987
0.7388
0.08
0.7466
0.7543
0.7619
0.7694
0.7767
0.7839
0.7910
0.7980
0.8048
0.8116
0.8182
0.8248
0.8312
0.8376
0.8439
0.8500
0.8561
0.8621
0.8681
0.8739
0.8797
0.8854
0.8910
0.8965
0.9020
0.9074
0.9128
0.9180
0.9232
0.9284
0.9335
0.9385
0.9435
0.9484
0.9533
0.9581
0.9628
0.9675
0.9722
0.9768
0.9814
0.9859
0.9903
0.9948
0.9991
0.7396
0.09
0.7474
0.7551
0.7627
0.7701
0.7774
0.7846
0.7917
0.7987
0.8055
0.8122
0.8189
0.8254
0.8319
0.8382
0.8445
0.8506
0.8567
0.8627
0.8686
0.8745
0.8802
0.8859
0.8915
0.8971
0.9025
0.9079
0.9133
0.9186
0.9238
0.9289
0.9340
0.9390
0.9440
0.9489
0.9538
0.9586
0.9633
0.9680
0.9727
0.9773
0.9818
0.9863
0.9908
0.9952
0.9996
Логарифмом числа N по основанию a называется показатель степени x, в которую
нужно возвести a, чтобы получить число N. Запись logaN = x равнозначна записи
ax = N.
Из определения логарифма вытекает следующее тождество: alogaN = N.
Если основание логарифмов больше 1, то большее число имеет больший логарифм.
Логарифмы чисел, больших 1, положительны, меньших 1 – отрицательны.
Логарифм 1 при любом основании равен 0.
Логарифм числа, равного основанию, равен 1.
Логарифм произведения равен сумме логарифмов сомножителей:
log(XY) = logX + logY.
Логарифм частного равен разнице логарифма делимого и логарифма делителя:
log(X / Y) = logX – logY.
Логарифм числа в степени равен произведению показателя степени на логарифм
ее основания:
log(XY) = Y⋅logX.
Наиболее часто применяются десятичные (основание 10, обозначение lg) и натуральные (основание e = 2.7183..., обозначение ln) логарифмы. Чтобы по известному десятичному логарифму числа N найти его натуральный логарифм, нужно разделить десятичный логарифм числа N на десятичный логарифм числа e:
lnN = lgN / lg e ≈ lgN / 0.43429 ≈ 2.30259 lgN.
Для того, чтобы при помощи таблицы отыскать логарифм числа, необходимо сначала найти его порядок, т. е. представить число в виде: 28465 = 2.8465⋅104
(4 порядок); округлить число до 3-х значащих цифр: 2.8465 ≈ 2.85 = 2.8 + 0.05; на
пересечении ряда 2.8 и колонки 0.05 найти значение и прибавить к нему порядок
числа:
lg 28465 = lg(2.8465⋅104) ≈ 0.4548 + 4 = 4.4548;
или аналогично, для чисел меньших 1, 0.28465 = 2.8465⋅10–1 (–1 порядок):
lg 0.28465 = lg(2.8465⋅10–1) ≈ 0.4548 – 1 = –0.5452.
Для того, чтобы при помощи таблицы отыскать десятичный антилогарифм положительного числа (возвести 10 в положительную степень), необходимо сначала
представить
число
в
виде
суммы
целой и дробной частей:
2.94218 = 2 + 0.94218; округлить дробную часть до 4-х значащих цифр:
0.94218 ≈ 0.9422; найти в таблице ближайшее число и сложить значения соответствующих ему ряда и колонки: 8.7 + 0.05 = 8.75; умножить полученное значение
на 10 в степени, равной целой части исходного числа:
102.94218 ≈ 102 + 0.9422 = 102⋅100.9422 ≈ 102⋅8.75 = 875.
Если требуется возвести 10 в отрицательную степень, то сначала представляем
показатель степени в виде суммы целой отрицательной и дробной положительной
частей: –1.05782 = –2 + 0.94218, а далее действовать аналогично:
10–1.05782 ≈ 10–2 + 0.9422 = 10–2⋅100.9422 ≈ 8.75⋅10–2.
Так как lg e ≈ 0.43429 ≈ 1 : 2.30259 (или e ≈ 100.43429), то для возведения в степень
числа e надо найти десятичный антилогарифм числа, умноженного на 0.43429,
78
или деленного на 2.30259:
e6.774 ≈ 106.774 : 2.30259 ≈ 102.9419 = 102⋅100.9419 ≈ 8.75⋅102 = 875
вставка Таблица Менделеева
79
вставка Т АБ ЛИЦА Р АС Т В О Р ИМ О С Т И НЕ К О Т О Р Ы Х С О ЛЕ Й И
О С НО В АНИЙ В В О Д Е
80
С о д е ржа н и е
Содержание дисциплины
Инструкция по охране труда и технике безопасности для студентов
1-й модуль. Биоорганическая химия
Тема 1. Окислительно-восстановительные реакции органических соединений
Тема 2. Свойства и биологически важные реакции поли- и гетерофункциональных соединений
Тема 3. α-Аминокислоты. Пептиды. Белки
Тема 4. Углеводы
Тема 5. Гетероциклические соединения, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты
Тема 6. Липиды
Модульная контрольная работа № 1
2-й модуль. Физико-химия наносистем или физико-химия микрогетерогенных систем и биополимеров.
Тема7. Поверхностные явления. Адсорбция
Тема 8. Хроматография
Тема 9. Образование и строение коллоидно-дисперсных систем
Тема 10. Нарушение устойчивости коллоидно-дисперсных систем
Тема 11. Микрогетерогенные и грубодисперсные системы. Коллоидные ПАВ
Тема12. Кислотно-основные свойства биополимеров. Образование растворов ВМС
Тема 13. Нарушение устойчивости растворов ВМС. Структурообразование в
растворах ВМС и золях
Тема 14. Молекулярно-кинетические и коллигативные свойства золей и растворов ВМС. Вязкость золей и растворов ВМС
Модульная контрольная работа № 2
3-й модуль. Химия биогенных элементов, вопросы экологии
Часть 1. Биогенные элементы
Тема 15. Введение Общая характеристика элементов s-блока
Тема 16.Общая характеристика элементов s-блока
Тема 17. Общая характеристика элементов p-блока
Тема 18. Общая характеристика элементов d-блока
Вопросы и упражнения
Часть 2. Химические аспекты охраны окружающей среды. Охрана внутренней среды организма
Введение
Тема 19 Общие механизмы токсического действия
Тема 20. Общие механизмы детоксикации и защитных барьеров
Вопросы и упражнения
Темы рефератов
Литература
Таблица десятичных логарифмов
Периодическая система элементов Д. И. Менделеева
Таблица растворимости
81
3
3
10
10
13
18
20
22
24
26
28
28
31
34
36
39
42
44
47
51
53
53
53
55
57
58
59
60
60
62
65
71
72
74
75
78
79