ТЕМА ЗАНЯТТЯ: "Типові хімічні властивості, біологічна

роль і застосування біогенних S-елементів у медицині" -2 г.

1. АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ.

Тема необхідна для вивчення хімічних реакцій, які протікають у живій клітці при участі неорганічних іонів, а також для вивчення наступних тим, зокрема , координаційних сполук, тому що іони металів з лигандами в біологічних системах існують у вигляді координаційних сполук

У медичній практиці відоме застосування сполук S -елементів, наприклад, солі літію - при лікуванні подагри, сполук стронцію - безпосередньо ставиться до карієсу зубів.

Знання теми необхідно для значення наступних дисциплін - біохімії, фармакологія й інших.

2.ЦІЛЬ ЗАНЯТТЯ.

Вивчити положення S - елементів у періодичній системі елементів Д.І. Менделєєва, особливості будови S - елементів, ступеня їхнього окислювання, зміна ступеня окислювання, зміна властивостей S - елементів у підгрупах, їхня біологічна роль і реакції відкриття. Зрівняти властивості S - елементів ІА і ІІА груп періодичної системи Д.І. Менделєєва.

3.НАВЧАЛЬНІ ЦІЛІ.

Навчитися виконувати якісні реакції на S - елементи, записувати рівняння реакцій, робити висновки по виконаних реакціях.

СТУДЕНТ ПОВИНЕН ЗНАТИ:

1. Електронна будова S - елементів, ступінь їхнього окислювання.

2 .Властивості S - елементів і зміна їх у підгрупах.

3. Положення S - елементів у ряді напруг, відношення їх до води, кислотам.

4. Солі S - елементів ІA і ПА груп, їхня розчинність.

5. Які з S - елементів є біогенними.

6.Біологічна роль S- елементів і застосування їхніх сполук у медицині.

УМІТИ:

1. Характеризувати фізичні й хімічні властивості S - елементів і записувати електронні конфігурації їхніх атомів;

2. Записувати рівняння реакцій, які характеризують властивості S - елементів;

3. З рівняння реакцій, виконаних на практиці й робити висновки.

САМОСТІЙНА РАБОТА: Робота з методичними посібниками й навчальною літературою. Складання конспекту. По лабораторній роботі студентам необхідно виконати досвіди, передбачені методикою виконання роботи.

4. КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ ДЛЯ САМОПІДГОТОВКИ:

1. Електронна будова атомів S - елементів.

2. Форми сполук S - елементів.

3. Хімічні властивості S - елементів.

4. Розчинність. Добуток розчинності.

5. Аналітичні реакції відкриття S - елементів (К+,

Mg2+, Ва2+, Са2+).

6. Топографія S - елементів в організмі людини.

7. Застосування сполук S - елементів у медицині.

8. Біологічна роль S - елементів.

5. Логико - дидактична схема навчального матеріал

S-елементи

Положення в ПСУ Будова атома Поширення в природі Фізичні властивості

Хімічні властивості Особливості будови Біологічна роль

Зіставлення властивостей S-елементів І й Форми сполук

ІІ груп сполук

Гидролизуемостъ Термостійкість

Застосування в медицині

Положення S-елементів у ряді напруг Хелатные комплекси S-елементи

ІІ групи

6. ПЛАН І ОРГАНІЗАЦІЙНА СТРУКТУРА ЗАНЯТТЯ

№	Основні етапи заняття, його функції й зміст	Засоби навчання й контролю	Матеріали методичного забезпечення заняття й контролю знань
І	Підготовчий етап
	Організація заняття Постановка навчальних цілей і мотивація Контроль вихідного рівня знань, умінь і навичок по темі: "Типові хімічні властивості, біологічна роль і застосування біогенних S-елементів у медицині" . Зміст заняття: а) будова атомів S - елементів на підставі положення в ПСЕ; б) типи зв'язків у молекулах. Валентність. Ступінь окислювання; в) фізичні й хімічні властивості простих речовин з'єднань S - елементів; г) найважливіші сполуки й поширеність у природі S -елементів.			Журнал обліку відвідування
				Логіко- дидактичні схеми
		Індивідуальне опитування		Таблиці, питання
ІІ	Основний етап
	Формування професійних умінь і навичок: а)записувати форми сполук S -елементів; б) оцінювати розчинність і добуток розчинності; в) проводити аналітичні реакцій відкриття S – елементів; г) знати топографію S - елементів в організмі людини, застосування S -	Рішення типових завдань, лабораторна робота		Таблиці, завдання
		Лабораторна робота		Ориентировоч- ная карта лабораторної роботи

	елементів у медицині і іхня біологічна роль; д) робити висновки до явищ всіх аналітичних реакцій; е) опанувати технікою лабораторної роботи " Аналітичними реакціями відкриття S-елементів"; ж) оформити протоколи.
ІІІ	Заключний етап
	Контроль, закріплення, корекція професійних навичок і вмінь	Рішення ситуаційних завдань	Таблиці, завдання
	Підведення підсумків
	Теоретичного рівня
	Практичних навичок
	Домашні завдання
	Основна й додаткова література		Ориентировочна я карта до роботи з літературою
	Контрольні питання для самостійної роботи		Методична вказівка до наступної теми

7. МАТЕРІАЛИ МЕТОДИЧНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЗАНЯТТЯ.

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ

БІОГЕННІ ЕЛЕМЕНТИ S-БЛОКУ

S - ЕЛЕМЕНТИ Й ГРУПИ

У періодичній системі хімічних елементів Д.І. Менделєєва біогенні S -елементи входять у головні підгрупи І і ІІ груп. Вони розташовані на початку періодів і є типовими металами.

S - елементи характеризуються малими значеннями потенціалів іонізації при досить більших значеннях радіусів атомів і іонів. S - елементи І групи, як правило, утворять сполуки з іонним типом зв'язку, S - елементи ІІ групи щодо цього трохи уступають ім. Зазначені властивості роблять їх фізіологічно активними, а такі елементи як К, Na, Ca, Mg - життєво необхідного й проявляють в організмі унікальні властивості. Більшість біогенних S - елементів є макроелементами. Їхня висока концентрація в організмі пов'язана з утворенням сполук, які легко розчиняються в біологічних рідинах (S - елементи ІA групи), і важко розчинних солей, що беруть участь у процесах формування кісткової тканини (S - елементи ІІ групи). Біогенні елементи ІІ групи необхідні для нормальної життєдіяльності живого організму. У першу чергу, це макроелементи - водень, калій і натрій (табл. 1.).

ТАБЛИЦЯ 1. ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ

S - ЕЛЕМЕНТІВ І ГРУПИ.

Елемент	Ступінь окислювання в живому організмі	Радіус нона, 1 *10-10(м)	Енергія іонізації кдж/ кДж/моль
Н	+ 1	10-5	1312,1
Lі	+1	0,68	520,2
Na	+1	0,98	495,8
К	+ 1	1,33	418,8

Атом водню має найпростішу конфігурацію 1s1¹ . Енергія іонізації його атома велика, тому сполуки його навіть із найбільше електронегативними атомами є переважно ковалентними.

Функції іона водню в живому організмі більш близькі до іонів лужних металів, чим до галогенів. Тому властивості водню розглядаються із властивостями елементів ІA групи. Завдяки близькості значень электронегативностей водню й вуглецю в численних сполуках з останнім водень утворить ковалентні зв'язки. В організмі людини в ковалентнозв’язаном стані він утримується також у сполуках з азотом, сіркою, киснем і т.д. Незначна частина водню перебуває у вигляді іона гидроксонія (Н₃ О⁺), що відіграє важливу роль у підтримці кислотно-лужної рівноваги, необхідного для протікання біохімічних реакцій.

Іони гидроксонія в значній кількості знаходяться в шлунковому соку й виконують найважливіші функції: убивають мікробів, що попадають у шлунок з їжею, і беруть участь у гидролитических реакціях як каталізатори. Сполуки водню, у молекулах яких атоми водню ковалентно пов'язані з атомами елементів другого періоду - N, О, F - можуть утворювати водневі зв'язки. Вони встановлюються як між різними молекулами, так і усередині молекул, якщо в цій молекулі є групи з донорною і акцепторною здатностями. Виникнення водневого зв'язку між молекулами може привести до об'єднання молекул в асоціати. Водневий зв'язок установлюється, наприклад, між молекулами води, спирту та ін.

Внутрімолекулярні зв'язки відіграють основну роль у стабілізації α-спіралі й β-складчастої структури поліпептидного ланцюга, забезпечують комплементарность взаємодії пуринових і пиримидиновых підстав у ДНК.

Літій по своїх властивостях трохи відрізняється від інших лужних металів. Малий розмір іона й найбільша поляризуюча здатність серед інших лужних металів приводять до високої сольватації іона й тому сполуки літію характеризуються більшого іонного складового зв'язку. У живому організмі літій здатний заміщати натрій і навпаки. На цьому засноване лікування солями натрію при отруєнні літієм. Літій постійно втримується в крові, органах і тканинах людини. Має яскраво виражену біологічну активність (А.И. Войнар). Подібність у хімічних властивостях літію й натрію визначає їхній однаковий вплив на протікання ферментативних процесів. Здатність літію заміщати іони натрію в солях сечової кислоти, образуя при цьому розчинні солі, використається при лікуванні подагри. Літій характеризується десенсибилизирующим дією, у малих концентраціях володіє ингибирующим впливом на фактори згортання крові. Тому його сполуки можуть знайти застосування в комплексній профілактиці й терапії тромбозів.

Макроелементи калій і натрій розподілені по всьому організмі. За даними А. Уэбба, у всіх органах, крім нирок, зміст калію більше, ніж натрію. По хімічних властивостях калій помітно відрізняється від натрію й особливо від літію. Це в значній мірі обумовлено наявністю калію і його аналогів вільних d -орбиталей, що мають енергію близьку з енергією ns -підроівневий. Розходження у властивостях можливо визначає й різне поводження їх у живих організмах. Головна відмінність полягає в тім, що іони літію й натрію входять до складу міжклітинних рідин, а іони калію -внутрішньоклітинних; катіони натрію пригнічують активність функції м'язів і тому необхідні для їхнього скорочення, катіони калію сприяють розслабленню серцевих м'язів між скороченнями (табл.2).

ТАБЛИЦЯ 2. ЗМІСТ ІОНІВ НАТРІЮ Й КАЛІЮ В ДЕЯКИХ ОРГАНАХ І БІОЛОГІЧНИХ РІДИНАХ.

Іони Na+	Зміст, мг%	Іони К+	Зміст, мг%
Головний мозок	300	Кісткова тканина	15
Спинний мозок	325	Зубна тканина	17
Лімфа	290	М'яза	100
Сироватка крові	335	Легені	38
Легені	245	Печінка	55
		Еритроцити	115

Різна концентрація катіонів калію й натрію усередині й поза нервовою кліткою і її аксоном і більшою легкістю проходження через мембрану іонів К⁺ і Сl^- чим Na+ приводить до виникнення в тілі клітки різниці потенціалів порядку 60-90 мВ, при цьому внутрішня поверхня клітинної мембрани заряджається негативно стосовно зовнішнього. Утвориться своєрідний - Na+ - К+ - насос. При порушенні протікають біохімічні процеси, які приводять до зміни проникності клітинної мембрани. Унаслідок іони натрію проникають усередину клітки, викликаючи локальне гасіння негативного заряду й зміна його на позитивний. Виникає так званий потенціал дії. Відновлення первісного потенціалу відбувається не внаслідок зворотного пересування іонів натрію, а внаслідок виходу із клітки еквівалентної кількості іонів калію. Причина зміни проникності мембрани й транспорту іонів проти градієнта концентрацій до кінця не з'ясована, але прямо залежить від клітинного метаболізму. Висловлюється точка зору, що активну роль у переносі іонів через мембрану грає тетрамерна структура калій-натрієвої атефази (К-, Na-атф-ази): почергова зміна конформації субъединиц зі зміною спорідненості до даного іона організує як би естафетну передачу іона з однієї сторони мембрани на іншу.

Катіони натрію й калію в основному утворять сполуки, добре диссоциирующие на іони. Але, за даними Л. Уэбба, установлена можливість утворення в живих організмах комплексних сполук з м'язовим білком міозином.

Моновалентні катіони можуть брати участь в утворенні містка між ферментом і субстратом. Їхня роль зводиться до утворення комплексних сполук типу фермент - катіон -субстрат, у якому катіони одновалентного металу певним чином орієнтують функціональні групи субстрату щодо активних центрів ферменту. Крім того, вони можуть, зв'язуючись із ферментом, створювати й стабілізувати певну конфігурацію, необхідну для прояв лише каталітичної активності.

Підтвердженням цього служить взаємодія К+ і Na+ з моделлю антибіотика - валиномицином, що являє собою макроциклічний поліпептид, називаний іонофором (переносить іони). Унікальні властивості валиномицина пов'язані з винятково високої калій - натрієвою вибірковістю, причому константа стійкості комплексу з катіоном калію на 3-4 порядку перевищує константу стійкості комплексу з іоном натрію. Валиномицин відрізняється універсальністю дії на мембрану. Був установлено (Ю.А. Овчинников, Т.А. Іванов, 1976), що іони калію зв'язуються за рахунок атомів кисню карбонільної групи валиномицина на зовнішній поверхні мембрани, а потім переходять до другої молекули іонофора, розташованої усередині мембрани. Є дані, що в певних умовах валиномицин може давати "сандвичевий" комплекс, що, мабуть, і бере участь у переносі іонів калію через мембрани.

S – ЕЛЕМЕНТИ ІІА ГРУПИ.

До біогенних S - елементам ІІА групи відносять макроелементи магній і кальцій, які по класифікації А.І. Венчикова входять у групу біотиків, що грають роль пластичного матеріалу, а фізико-хімічні умови, що також створюють, для протікання фізіологічних процесів, і мікроелементи бериллій і стронцій; роль інших мікро- і ультрамікроелементів (барію й радію) в організмі з'ясовані недостатньо.

Магній і кальцій є життєво - важливими елементами. Кальцій - основний структурний елемент живих організмів, магній входить до складу великої кількості ферментів і є активатором багатьох біохімічних процесів. Кальцій має більший радіус іона й відповідно меншу енергію іонізації в порівнянні з магнієм, що визначає характер зв'язків у його сполуках (табл. 3.).

ТАБЛИЦЯ. 3. ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ БІОГЕННИХ S - ЕЛЕМЕНТІВ ІІ ГРУПИ.

Елемент	Ступінь окислювання в живому організмі	Радіус іона, 1*10 -10м	Енергія іонізації, кДж / моль
Be	+2	0,31	899,5
Mg	+2	0.65	737,7
Са	+2	0,99	589,8
Sr	+2	1.13	549,4
Ва	+2	1.35	502,8

Атом кальцію більше по розмірі, чим атом магнію, тому його здатність до утворення гідратів, а також розчинність його карбонатів і фосфатів у воді в порівнянні із сполуками магнію значно менше. Карбонати й фосфати кальцію є основним матеріалом, що формує кісткову й зубну тканини.

Кількісною характеристикою розчинності сполук є добуток розчинності (ДР). Його зміст стає ясним, якщо розглянути рівноважні процеси, що мають місце в гетерогенних системах. У таких системах - насичених розчинах важко розчинної речовини - тверда фаза перебуває в рівновазі з гидратированными іонами, що перебувають у розчині. У загальному виді

K mAn m^Kn+ + nA^m-

Осад розчин

Такий стан характеризується константою рівноваги, що одержують \ використовуючи закон діючих мас, і називають добутком розчинності:

ДР = [Kp ⁿ⁺]^m * [Ap ^m-]ⁿ (1.1)

Таким чином, у насиченому розчині важко розчинного сполучення добуток концентрацій його іонів у ступенях стехиометрических коефіцієнтів при даній температурі є величина постійна, (табл. 4).

ТАБЛИЦЯ 4. ДОБУТОК РОЗЧИННОСТІ ДЕЯКИХ МАЛОРОЗЧИННИХ ЕЛЕКТРОЛІТІВ У ВОДІ, Т = 25°С.

Сполуки	ДР	рПр = -lgДР
СаСОз	4,8 х 10 -9	8,32
Са3 (Р04)2	2,0x10 -29	28,70
CaF2	4,0x10 -11	10,40
Mg(OH)2	5,5 х 10 -12	11,26
BaSO4	1,8x10 -'°	9,75

Імовірно, елементи, що беруть участь у формуванні кісткової тканини, повинні задовольняти основним вимогам: бути макроелементами, мати високу енергію утворення хімічних зв'язків, утворювати малорозчинні сполуки; легко засвоюватися живим організмом. Цим вимогам відповідають фосфат і карбонат кальцію. Кальцій, фосфор, вуглець і кисень є макроелементами; енергія зв'язку кисню з фосфором і вуглецем, через який кальцій зв'язується з ними, досить висока; фосфат і карбонат кальцію малорозчинні сполуки; всі ці елементи легко засвоюються організмом, тому що в природі вони існують у легко доступні для засвоєння формах. Магній, що також є макроелементом, утворить малорозчинні фосфати й основні карбонати, але вони більше розчинні, чим кальцієві. Щелочноземельные метали нерідко конкурують між собою. Наприклад, іони Са2+ придушують активність ферментів, активируемих іонами Mg2+ (магній є активатором більш ніж 15 ферментів). Mg2+ у свою чергу гальмує дія аденозинтрифосфатази міозину, що активують іони Са2+. Іони Mg2+ необхідні для передачі нервових імпульсів, скорочення м'язів і метаболізму вуглеводів. Разом з іонами кальцію іони магнію входять до складу багатьох клітинних структур. Магній є більшою мірою внутрішньоклітинним іоном, кальцію ж у середині клітки значно менше, ніж поза нею. На підстав цього можна чекати наявність магній - кальцієвого насоса між у середині- і міжклітинною рідиною. Причому у всіх клітках поділ Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺. К⁺ строго контролюється.

Такі захворювання, як дистрофія й катаракта, є наслідком перерозподілу цих іонів. Іони Mg²⁺ визивають антисептичну й судинорозширювальну дію, знижують артеріальний тиск і підсилюють процеси гальмування в корі головного мозку.

Оскільки основна маса кальцію перебуває в організмі в кістках у вигляді нерозчинних сполук, у тканинах концентрація його дуже мала. Припускають, що в рідкому середовищі організму (кров, лімфа) кальцій перебуває в трьох станах: іонізованому; розчинному, але не іонізованому; у сполуках з білками, вуглеводами й ін. Всі ці форми перебувають у стані оборотної рівноваги. Кальцій є необхідним елементом для нормальної життєдіяльності, але в більших кількостях може стати токсичним. При деяких патологічних процесах при порушеннях обміну кальцію й у процесі старіння організму може відбуватися відкладення його солей на стінках кровеносних судин та ін. У цих випадках виникає глаукома, атеросклероз, мочекам’яна хвороба, подагра й т.д.

9. ПИТАННЯ Й ЗАВДАННЯ КОНТРОЛЮ ВИХІДНОГО РІВНЯ

ЗНАНЬ

Завдання 1.

1)Які елементи ПСЕ відносяться до S-блоку? Дати їхню

характеристику.

Алгоритм відповіді:

До S-блоку відносяться елементи І А та ІІ А груп ПСЕ. У них іде заповнення електронами S - підрівня останнього енергетичного рівня, тому вони називаються S-елементами. Вони розміщені на початку періоду, є типовими металами й мають ступеня окислювання +1 і +2 (по номері групи).

S-елементи характеризуються малими значеннями потенціалів іонізації досить більшими значеннями радіусів атомів і іонів. S - елементи ІA групи, як правило, утворять сполуки з іонним типом зв'язку, S - елементи ПА групи щодо цього трохи уступають ім. Зазначені властивості роблять їх фізіологічно активними.

Завдання 2.

2)Які з S - елементів є біогенними? Їхня роль в

організмі.

Алгоритм відповіді:

Серед S - елементів біогенними (біотиками) є Н, К, Na. Са, Mg, Вони є життєво необхідними й проявляють в організмі унікальні властивості, це макроелементи. Їхня висока концентрація в організмі пов'язана з утворенням у біологічних рідина легкорозчинних сполук (S - елементи ІA групи) і з утворенням труднорозчинних солей, які беруть участь у процесах формування кісткової тканини (S - елементи І А групи). За класифікацією А.І. Венчикова Mg, Са відіграють роль пластичного матеріалу, a Na, К створюють физико - хімічні умови для протікання физиологичных процесів.

Завдання 3.

3) Дати характеристику атома водню по ПСЕ. Функції в живому організмі.

Алгоритм відповідей

Атом водню має найпростішу електронну структуру 1S¹. Енергія іонізації його атома більша, тому зв'язки його сполук навіть із найбільш електронегативними атомами є в більшості випадків ковалентними. Функції іону водню в живому організмі більш близькі функціям іонів лужних металів, ніж галогенів. Завдяки близькості величин электронегативності з атомом вуглецю в багатьох сполуках з ним водень утворить ковалентні зв'язки. В організмі людини в ковалентно зв'язаному стані він входить до складу сполук із вуглецем, азотом, сіркою й ін. Незначна частина водню перебуває у вигляді іона гидроксония НзО⁺, що відіграє важливу роль у підтримці необхідної кислотно-лужної рівноваги для ходу біохімічних реакцій. Іони гидроксония в значній кількості виконують найважливіші функції: убивають мікробів, які попадають у шлунок з їжею, і беруть участь у гидролитичних реакціях як каталізатори.

Сполуки водню з полярним зв'язком беруть участь в утворенні водневих зв'язків. Останні встановлюються в молекулах води, між амідними групами в авльфа-спіралях і інших постійних структурах білків, беруть участь у підтримці надмолекулярних структур білків і нуклеіновых кислот, забезпечують комплементарність взаємодії пуринових і пиримідинових основ у молекулі ДНК і ін.