1. Биогенные элементы. Классификация и распространенность химических элементов в организме человека и окружающей среде.

Биогенные элементы – элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности клеток и организмов в целом.

Классификация:

• По количественному содержанию в организме:

• Макроэлементы Н, С, N, O, P, S 10^-2% и больше

• Микроэлементы Fe, F, Si, Mn 10^-5%

• Ультрамикроэлементы Ag, As, Sb 10^-6% и меньше

• По функции:

• Органогены – элементы, образующие белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды C, N, O, P, S

• Элементы, создающие электролитную среду – простые и сложные ионы

• Микроэлементы в составе ферментов Fe, Mn, Co,Cu

2. Человек и биосфера. Понятие об эндемических заболеваниях, микроэлементозах.

Человек представляет собой живую материю, т.е. открытую систему, существование которой возможно лишь при условии постоянного химического взаимодействия с внешней средой – живой и неживой природой – биосферой. Поэтому важнейшие биогенные соединения способны легко проникать в клетку, структурно многообразны и обладают большим запасом свободной энергии. Изучением влияния химических элементов на динамику живого занимается биогеохимия, основоположником которой является В.И.Вернадский.

Эндемические заболевания - заболевания, связанные с недостатком или избытком каких либо химических элементов в данном географическом районе. Например, при недостатке йода развивается эндемический зоб, при недостатке кобальта – авитаминоз В12, избыток фтора приводит к флуорозу, а избыток меди у овец к эндемическому циррозу печени.

Микроэлементозы – патологические процессы, вызванные дефицитом, избытком или дисбалансом микроэлементов.

Классификация:

• По количеству микроэлементов:

• Мономикроэлементозы

• Полимикроэлементозы

• По факторам, способствующим микроэлементозам:

• Природные эндогенные обусловлены патологией хромосом или микроэлементозом матери

• Природные экзогенные обусловлены аномальным содержанием элементов в почве, воде, растениях

• Техногенные обусловлены производственной деятельностью человека

• Ятрогенные обусловлены интенсивным медикаментозным лечением

3. Водород. Электронная формула, положение в ПСЭ Менделеева. Возможные степени окисления, строение катиона гидроксония. В каком виде находится водород в организме: молекулярном, в виде гидрид иона или в виде катиона водорода? Биологическая роль водорода.

Водород – 1s¹. Изотопный состав: протий, дейтерий, тритий. В ПСЭ Менделеева располагается в 1 группе главной подгруппе и в 7 группе, т.к. имеет сходство и со щелочными металлами, и с галогенами. Возможные степени окисления: в галогеноводородах +1, в гидридах -1, и в свободном состоянии 0. Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных ковалентной связью. Гидроксо́ний (оксоний, гидроний) НзО+ — комплексный ион, соединение протона с молекулой воды, образующийся при диссоциации пероксида водорода. В организме водород находится в виде свободного катиона Н⁺ (в виде Н₃О⁺) или связан полярной ковалентной связью с другими биогенными элементами. Содержание водорода в организме 9.7%. Он входит в состав белков, углеводов, нуклеиновых кислот, образуя связи с углеродом, кислородом и серой, но основное количество атомов водорода заключено в воде, на долю которой приходится около 90% массы клетки.

4. Вода и пероксид водорода как важнейшие соединения водорода. Склонность воды к образованию ассоциатов, ее биологическая роль. Условия образования межмолекулярных водородных связей. Влияние этих связей на физико-химические свойства веществ. Примеры. Применение пероксида водорода в медицине.

Вода – вещество без вкуса, цвета и запаха. За счет двух неподеленных электронных пар на атоме кислорода и за счет двух атомов водорода молекула воды может образовывать водородные связи с четырьмя окружающими ее молекулами воды. Водородные связи влияют на физические (t кипения и плавления, летучесть, вязкость) и химические свойства. Например, наличие фтороводородная кислота, в отличие от других галогеноводородных кислот является слабой так как атомы водорода связаны сразу с двумя атомами фтора, что препятствует их отщеплению. Благодаря особо прочным водородным связям фтороводородная кислота - единственная одноосновная кислота, способная образовывать кислые соли, например NaHF2. Межмолекулярные водородные связи обусловливают ассоциацию молекул, что приводит к повышению температур плавления и кипения. Например, этиловый спирт кипит при t+78, а диметиловый эфир, не образующий водородных связей при t -24.

Химические свойства:

• Вода – амфолит: H2O = H⁺+OH^-; H2O + H2O = H₃O⁺+OH^-

• Реакции гидролиза и гидратации: CuSO4+5H2O = CuSO4*5H2O; C2H4 + H2O = CH3CH2OH

• ОВР при взаимодействии с очень активными восстановителями или окислителями:

1. Вода – окислитель: Ca+2H2O = Ca(OH)2+ H2

2. Вода – восстановитель: 2H2O = 2H2 + O2 (электролиз)

• Комплексообразование: активный монодентатный лиганд образует комплексы :

1. С ионом водорода – H₃O⁺

2. С катионами металлов в водных растворах – (Ca(H2O)6)²⁺

Биологическая роль воды:

• Универсальный растворитель

• Содержание в организме у новорожденного 77%, у взрослого 61% (гибель при потере 20% воды)

• Среда для реакций, транспорта и обмена веществ

• Активный участник процессов жизнедеятельности

• Определяет физико-химическое состояние коллоидных систем

• Участвует в процессах терморегуляции

Пероксид водорода Н2О2 нестойкая, бесцветная, вязкая, сиропообразная жидкость, молекулы которой сильно ассоциированы. Пероксида водорода (3%)оказывает противомикробное, дезодорирующее и депигментирующее действие. Пергидроль (30%) используют для лечения лишая и бородавок.

5. Углерод. Электронная и электронографическая формулы, положение в ПСЭ Менделеева, возможные степени окисления и валентности, причина образования прочных гомоцепей. Оксиды углерода: угарный газ (СО), углекислый газ. Их строение, кислотно-основные, комплексообразующие свойства. Биологическая роль. Химические основы ядовитости угарного газа.

Углерод – основа всех органических соединений, массовая доля в организме человека 21%. Электронное строение – 1s²2s²2p². В ПСЭ Менделеева 2 период 4 группа главная подгруппа. Возможные степени окисления: -4 (СН4), 0 (СН2О), +1 (СН3СОН), +2 (НСООН), +3 (СН3СООН), +4 (СО2). Характерная валентность 2 в основном состоянии, 4 в возбужденном состоянии. При возбуждении на четырех внешних атомных орбиталях находятся 4 неспаренных электрона. Равенство в атоме С числа валентных электронов числу валентных орбиталей и уникальное соотношение заряда ядра и радиуса атома объясняют способность атома С легко присоединять и отдавать электроны, т.е. образовывать связи между собой и не только.

Биологическая роль углерода:

• Применение в медицинской практике:

1. Активированный уголь при пищевых интоксикациях

2. Муравьиная кислота – антисептик

3. 37%раствор формальдегида – дезинфицирующее средство

4. Питьевая сода для полоскания горла, при диабете

• В составе витаминов, жиров, белков, гормонов, углеводов

• Образует алмаз, графит, карбин, фуллерен

Угарный газ СО – газ без цвета и запаха, мало растворим в воде, несолеобразующий оксид. Атомы соединены тройной связью: 2 образованы по обменному механизму, а одна по донорно-акцепторному(кислород – донор, углерод - акцептор), поэтому молекула СО очень прочная и малоактивная. Химические свойства: Присоединяется к Fe⁺² гема с образованием карбоксигемоглобина: HHbО2+CO = HHbCO+О2

Угарный газ, благодаря своей способности связываться с железом гемоглобина,образует карбоксигемоглобин, который накапливаясь в крови, снижает ее способность переносить кислород.

СО2 – бесцветный негорючий газ, мало растворим в воде, в составе гидрокарбонатной буферной системы, поддерживающей постоянство pH в организме. Молекула линейная, атом С в sp-гибридизации. Химические свойства: CO2+H2O=H2CO3; СО2 как кислотный оксид взаимодействует с основанием – анионом белка глобина с образованием карбаминогемоглобина HbCO2(процесс поглощения венозной кровью СО2 из тканей и его транспортировка в легкие).

6. Соединения углерода: угольная кислота, карбонаты, гидрокарбонаты. Их нахождение в природе. Биологическая роль. Гидролиз растворимых карбонатов. Углеродсодержащие лекарственный препараты. Питьевая сода, мел, белая магнезия используются в качестве антацидных средств.

Угольная кислота – слабая двухосновная, существует только в водных растворах, диссоциирует ступенчато, неустойчивая, образует кислые соли (гидрокарбонаты) и средние (карбонаты). В воде гидрокарбонаты растворяются лучше, чем карбонаты. Но карбонаты легче гидролизуются по аниону, создавая щелочную среду: Na2CO3+H2O = NaHCO3+NaOH

Соли угольной кислоты обуславливают жесткость воды, устраняющейся при кипячении (происходит гидролиз гидрокарбонат-аниона, термическое разложение угольной кислоты и осаждение ионов Са и Мg): Ca(HCO3)2 = CaCO3+H2O+CO2; Mg(HCO3)2 = Mg(OH)2+2CO2. Биологическая роль: совокупность угольной кислоты и гидрокарбонат-иона образует гидрокарбонатную буферную систему – главную буферную систему плазмы крови, которая обеспечивает постоянство рН крови.

Питьевая сода NaHCO3, мел CaCO3, белая магнезия 4MgCO3*Mg(OH)2*H2O применяются в качестве антацидных средств, т.к. гидролизуются по аниону с образованием щелочной среды. Применяются для снижения повышенной кислотности желудочного сока: NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2

Углеродсодержащие лекарственные препараты: муравьиная кислота (антисептик), формалин (дезинфицирующее средство), питьевая сода (для полоскания рта, при диабете), активированный уголь (при интоксикации, метеоризме).

7. Азот. Электронная и электронографическая формулы, положение в ПСЭ Менделеева. Возможные степени окисления и валентности атома азота. Аммиак. Строение и свойства. Использование в медицине. С чем связана токсичность аммиака?

Азот расположен во 2 периоде, в 5 группе, главной подгруппе. Электронная формула 1s²2s²2p³. Возможные степени окисления: -3(NH3), -2(N2H4), -1(NH2OH), +1(N2O), +2(NO), +3(N2O3), +4(NO2), +5 (N2O5).

Аммиак:

• бесцветный газ с резким запахом,

• хорошо растворим в воде и образует гидрат NH3*H2O,

• обладает значительной теплотой испарения(холодильная техника),

• хороший неводный растворитель для многих металлов и неметаллов, кислот и солей,

• sp3 гибридизация атома N, строение пирамидальное, есть неподеленная электронная пара для образования связей по донорно-акцепторному механизму при взаимодействии с кислотами с образованием аммонийных солей,

• активный лиганд.

В медицинской практике аммиак применяют для выведения человека из обморочного состояния(молекулы аммиака могут проникать через мембраны и воздействовать на мозг); при алкалозе в качестве мочегонного средства применяют хлорид аммония (в результате гидролиза соли повышается кислотность крови, увеличивается выведение ионов Na и воды из почек).

Токсического действия аммиака связано с тем, что аммиак легко проникает через мембраны в клетки и в митохондриях сдвигает реакцию, катализируемую глутаматдегидрогеназой, в сторону образования глугамата, в результате чего происходит уменьшение концентрации α-кетоглутарата, что вызывает угнетение обмена аминокислот и синтеза из них нейромедиаторов (ацетилхолина, дофамина и др.).