klevoz.ru страница 1
скачать файл
Використання хімічних знань при вивченні біології.
Вчитель біології та хімії

Галета Інна Володимирівна

Навчально-виховний комплекс

«Загальноосвітня школа І-ІІІ ступенів №3-колегіум»

Смілянської міської ради Черкаської області




Анотація: Стаття присвячена хімічним речовинам довкілля і їх впливу на організм людини. Її можна використати як додатковий матеріал на уроках біології в 10 класі при вивченні теми «Особливості використання окремих хімічних речовин, активних добавок, лікарських препаратів та оцініванні їх небезпеки».

Хімічні речовини довкілля впливають на організм людини. На сьогодні відомо близько 30 млн хімічних сполук, тому забруднення ними довкілля - одна з гострих глобальних проблем сучасності.

Не секрет, що основною ознакою живих організмів біологія вважає метаболізм - обмін речовин і енергії з довкіллям, тому речовини й організми тісно пов’язані між собою. Існує теорія, що біологічній еволюції передувала хімічна, така, що складалася з чотирьох етапів.

Перший етап - з найбільш поширених в космічному просторі атомів гідрогену й гелію під впливом іонізуючих космічних випромінювань виникли атоми двадцяти перших хімічних елементів періодичної системи.

Другий етап - з цих 20 атомів утворилися бінарні молекули: Н2О, СО2, О2, N2, NO, NH3, CH4.

Третій етап – утворення з простих молекул складніших - вуглеводів, амінокислот, нуклеотидів.

Четвертий етап - з низькомолярних сполук виникли біологічно активні полімери: полісахариди, білки, нуклеїнові кислоти.

З точки зору людини, далекої від науки, речовини, що потрапляють в організм людини ззовні, можуть бути або їжею, або отрутою, або ліками.

Ця класифікація умовна: індеферентний для організму людини за звичайних умов азот у підводників і водолазів може викликати кесонну хворобу. Кухонна сіль, без якої неможливо уявити наш стіл, стає смертельною отрутою при перевищенні норми вживання в 20 разів...

Бойова отруйна речовина іприт, розведена в 20 000 разів вазеліном, використовується для лікування шкірних захворювань.

Основоположник фармацевтичної хімії Парацельс говорив: «Все є отрута, і ніщо не позбавлене отруйності, одна лише доза робить речовину отрутою або ліками».

Американці виділили три механізми дії отруйних речовин на живі організми: Перший принцип дії образно назвали «Слон в посудній лавці»- отруйна речовина діє на багато біохімічних структур.

Так діють речовини, що викликають будь-які зміни білків – денатурацію чи деструкцію(розривають водневі чи пептидні зв'язки ) - сильні окисники і відновники : фенол, формальдегід, оцтова кислота, калію перманганат (їх іноді приймають помилково, коли намагаються лікувати кишкові розлади замість спеціально призначених для цього ліків). До речі, отруєння метанолом пов'язані з тим, що в організмі людини перші стадії окиснення перетворюють його на формальдегід і мурашину кислоту.

Другий принцип дії отруйних речовин називається «Стріла, що летить точно в ціль». Молекули отруйних речовин впливають на строго певні біохімічні структури, що відповідають їм по будові, аналогічно тому, як ключ підходить до замку. Такі молекулярні структури живого організму, що мають структурну або фізико-хімічну спорідненість до молекул речовини, що вторгається в організм, і тому дуже швидко з ним взаємодіють – так звані біохімічні рецептори. Рецепторний механізм взаємодії швидкий і вимагає меншої дози речовини.

Центральне місце в живому організмі займає обмін речовин, який здійснюється за участю ферментів.

Ферменти - біологічні каталізатори, високоефективні і високоспецифічні : прискорюють тільки одну конкретну реакцію у 108 разів, що значно більше, ніж звичайні каталізатори. Фермент - білкова молекула, що має активний центр і структурно відповідає молекулі субстрату, - речовини, що вступає у біохімічну реакцію.

Яскравим прикладом отруйної речовини, що діє за другим принципом, є фосфаторганічні сполуки(ФОС) - похідні ортофосфатної кислоти.

Про речовини краще говорити на мові формул. У фосфаторганічних сполуках дві гідроксильні групи ортофосфатної кислоти заміщені на два органічні радикали, а третя - на галоген або ціаногрупу(ціанід-аніон), тобто електронно-насичену групу. ФОС - розчинні в жирах і можуть проникати в організм через шкіру, слизові оболонки і дихальні шляхи. У організмі ФОС блокують активний центр ферменту ацетилхолінестерази, що забезпечує гідроліз ацетілхоліну, що призводить до зміни нервового збудження на гальмування( нервова система функціонує нормально).

Передача нервового імпульсу здійснюється таким чином. Аксон одного нерва передає нервовий імпульс дендриту наступного нерва. Між ними – синаптична щілина. Аксон закінчується синаптичним пухирцем з ацетілхоліном, який під дією імпульсу рветься, ацетілхолін заповнює синаптичну щілину, досягає постсинаптичної мембрани і збуджує спеціальні рецептори, які називаються холінергічними. Виникає стан збудження. Ацетилхолінестераза гідролізує ацетілхолін - збудження змінюється гальмуванням. Ацетілхолін гідролізується до ацетат-аніона і вітаміноподібної речовини - холіну, які повертаються в синаптичні пухирці, де взаємодіють між собою , і молекули ацетілхоліну відновлюються. Збудження нервової системи змінюється гальмуванням.

ФОС безповоротно блокують активний центр ацетилхолінестерази, гідроліз ацетілхоліну не здійснюється, нервова система знаходиться в постійному збудженні, в результаті - судоми, смерть від задухи...

Для фосфаторганічних отрут не існує ефективних протиотрут. У токсикології протиотрути називаються «антидот». Врятувати людину можна тільки своєчасним введенням великих доз ацетилхолінестерази. Її вироблять на м'ясокомбінатах з бичої крові.Знешкоджують ФОС лужним гідролізом.

Для людини, далекої від біології і хімії, перша асоціація при слові «отрута» - ціаністий калій... Ціанід-аніон дуже небезпечний для організму внаслідок високої спорідненості до активного центру ферменту окисненої цитохромоксидази, що бере участь в останній стадії клітинного окиснення.

Утворення однієї молекули води в цій реакції супроводжується акумуляцією енергії в чотирьох молекулах АТФ.

Ціанід-аніон вступає в донорно-акцепторну взаємодію з йоном тривалентного заліза в окисн- еній цитохромоксидазі, фермент блокується, й організм втрачає здатність засвоювати кисень.

Німецький лікар Отто Варбург в 1920-і р. описав парадокс: у тварин, отруєних ціанідом, венозна кров така ж яскраво-червона, як і артеріальна; організм гине від кисневого голодування в умовах надлишку кисню!

В Росії в 1914 р. Г.Распутіна намагалися отруїти, підсипавши майже кінську дозу ціаніду в крем тістечок, які він з'їв, і залишився живий. Цей випадок сучасники визнали доказом «святості» «сибірського старця», а пояснюється це дуже просто: глюкоза - противоціанідний антидот.

Здатність ціанідів оборотно блокувати дихальні ферменти використовується для їх захисту від радіації, наприклад, при опроміненні пухлин хворому вводять амігдалін.

Це можливо, бо реакція утворення комплексу ціанід-фермент оборотна. Якщо отрути в організм потрапляє багато, рівновага відповідно до принципу Ле Шательє зміщена у бік утворення комплексу. Якщо отрути мало, концентрація ціанід-аніона в крові зменшується, комплекс дисоціює, і фермент відновлюється в незмінному вигляді.

До екологічних отрут сьогодення відносять чадний газ, що викидається при роботі двигунів внутрішнього згоряння в атмосферу(ГДК – 0,05г/л).

Карбон(II) оксид специфічно зв'язується з гемоглобіном крові в міцний комплекс - карбоксигемоглобін, внаслідок чого гемоглобін втрачає свою цінну здатність зв'язувати і переносити кисень. Спорідненість двовалентного заліза, що входить до складу гемоглобіну, до чадного газу в декілька сотень разів більше його спорідненості до кисню. З хімічної точки зору гемоглобін - протеїд, що складається з білкової частини - глобіну і небілкової - гема.

У гемі залізо пов'язане двома ковалентними і двома координаційними зв'язками з атомами азоту пірольних кілець. З двох невикористаних координаційних зв'язків один іде на сполуку з білком, інший - з молекулою О2 або СО.

Навіть невеликий зміст СО у вдихуваному повітрі - до 0,1% блокує 60% гемоглобіну організму, що веде до головного болю, розладу пам'яті і уваги, сердечної недостатності. Можлива втрата свідомості, і, якщо потерпілого не винести з «екологічної пастки», можуть розвинутися безповоротні порушення мозкового кровообігу.

Отрути наступної групи діють по такому ж механізму, але в протилежному напрямі: сірководень, сірковуглець блокують металопротеїдні центри адренорецепторів, відповідальних за гормональний баланс організму.

Як це не парадоксально, знання механізмів дії отрут широко використовують при створенні ліків. За принципом блокування активного центру біохімічної структури діє атропін - протиотрута при отруєнні мускарином - отрутою мухоморів. Серцеві глікозиди, що містяться в екстрактах конвалії, горицвіту, наперстянки, знижують активність ферменту аденозинтрифосфотази через зв'язування - SH- груп, що стимулює роботу серця. Антидепреcанти також блокують сульфгідрильні групи ферменту моноаміноксидази, що призводить до підвищення вмісту в нервових закінченнях серотоніна, який, власне, і робить антидепресивний ефект.

До речі, на серотонін - по будові схожі компоненти шоколаду, саме тому він покращує настрій.

Це приклад третього механізму дії речовин на організм людини під назвою «Підсадна качка». Схожі по будові хімічні структури заміщують, витісняють, замінюють «споріднені» біогенні структури організму. І цей механізм не завжди такий нешкідливий, як в прикладі з шоколадом. Наприклад, якщо в питній воді вміст йона Мn2+ перевищує гранично допустиму концентрацію(ГДК), то йони Мn2+ витісняють з кісткової тканини йони Са2+, тому активність цих йонів в розчині приблизно однакова. Кістки стають крихкими, і, як наслідок, безліч переломів, високий травматизм серед новонароджених - важкі вивихи стегна, травми черепа.

Цей механізм заміщення присутній і в дії на організм людини наркотиків : по своїй хімічній будові наркотики - похідні піримідину, тобто схожі на азотисті основи, а саме: тимін, цитозин, урацил, необхідні для біосинтезу нуклеїнових кислот.

Наркотики легко вступають і в обмінні процеси та перебудовують їх «під себе». В результаті енергія організму витрачається на переробку наркотичної речовини, а життєво необхідні процеси страждають. Причому рецептори, що сприймають наркотичні речовини, так звані рецептори опіатів, знаходяться в нервових сплетеннях, пов'язаних з проведенням больових імпульсів, тому і виникає сумнозвісна наркотична ломка.

Складається враження, що усі хвороби у людини від хімії.

Не тільки. Ще і від мікробів. Але боротися з ними якраз допомагає хімія. Мікроби - живі, отже, побудовані з білку.

«Життя – це спосіб існування білкових тіл», - сказав Фрідріх Енгельс.

Білки дають кольорові реакції, наприклад червоно-фіолетове забарвлення з Сu(ОН)2; вони гідролізують (так вивчають склад їх макромолекул), піддаються денатурації, тобто руйнуються вищі структури від високих температур, радіації, механічних дій, хімічних реагентів...

З цієї причини перша група антимікробних препаратів денатуруючої дії. Це, наприклад, фенол, формальдегід, що потрапляють в організм в зв'язаному стані, у вигляді комплексів, та розщеплюються саме там, де вони повинні проявити свою антимікробну дію. Фенол, наприклад, утворюється при лужному гідролізі салолу в кишечнику(Салол - феніловый естер саліцилової кислоти).

А уротропін гідролізує з утворенням формальдегіду. Хімічна назва уротропіну - гексаметилентетрамін. Звичайно, речовини, що викликають денатурацію білків, покривають оболонкою, щоб вони проявили свою дію не відразу, а повільно – де потрібно.



Друга група антимікробних препаратів - хіміотерапевтичні, - ті що втручаються в обмін речовин бактеріальної клітини. Наприклад, сульфаніламідні препарати - сульфазол, сульфадин, сульфазин - похідні білого стрептоциду. В його похідних один з атомів гідрогену аміногрупи заміщений на різні радикали. Сам білий стрептоцид має шкідливу побічну властивість: викликає гемоліз, тобто гемоглобін виходить з еритроцитів в плазму крові і втрачає здатність переносити кисень. Похідні білого стрептоциду менш токсичні, а їх антимікробна активність вища.

Сульфаніламідні препарати порушують утворення мікробами необхідних для їх розвитку чинників : фолієвою і дегідрофолієвою кислотами, до складу яких входить параамінобензойна кислота. Сульфаніламіди близькі до неї по будові. Вони захоплюються замість неї мікробною клітиною і відбувається порушення обмінних процесів.



Третя група антимікробних препаратів - це знамениті антибіотики, продукти життєдіяльності мікроорганізмів і грибів, високоефективні проти певних мікроорганізмів, наприклад пеніцилін - активний проти коків - бактерій у вигляді кульок.

Антибіотики інгібірують - значно уповільнюють біосинтез стінки бактеріальної клітки, мікроби не розмножуються, і організм з ними справляється.

Використання антибіотиків почалося ще в Стародавньому Єгипті. Письмові джерела тих років свідчать, що лікарі використовували зернову плісняву. Археологи виявили в останках людини, що померла більше 1400 років тому, природний антибіотик.

Про здатність плісневих грибків пригнічувати ріст бактерій писали задовго до відкриття А.Флемінга професори Петербурзької військово-медичної академії Полотебньов і Монасеїн. А сам Флемінг відкрив пеніцилін випадково: на одній з чашок Петрі з культурою стафілококів з'явилася зелена пліснява. Уважний Флемінг, збираючись викинути культуру, помітив, що там, куди потрапила пліснява, мікроби не розмножувалися. Флемінг зайнявся дослідженням цього явища і в 1940 р. виділив кристалічний пеніцилін. У 1942 р. під керівництвом професора З.В.Єрмольєвої був отриманий вітчизняний пеніцилін, що врятував тисячі життів на фронтах Великої Вітчизняної війни.

Існують і напівсинтетичні антибіотики, ефективні проти різних мікроорганізмів - ампіцилін, оксацилін та ін.

Недоліком антибіотиків є пригнічення ними мікрофлори кишечника. У зв'язку з цим приймати їх потрібно, строго наслідуючи вказівки лікаря і в строго певній дозі, інакше мікроби «звикають» до антибіотика, і лікування стає неефективним.

Говорячи про екологічні проблеми, не можна обійти увагою радіоактивне забруднення.

Радіоактивні ізотопи, найбільш поширені з яких цезий- 137 і стронций- 90, потрапляючи в організм, викликають руйнування вищих структур білків і ДНК. Радіація викликає утворення в організмі великих кількостей йонів - радикалів, які, блукаючи по кровоносній системі, народжують нові йони-радикали, причому кожен з них здатний викликати денатурацію і окиснення білків, ракове ураження клітин, мутації і т. д.



Таким чином, за даними Всесоюзної організації охорони здоров'я, близько 20% населення світу - хворі, 15% - практично здорові, 65% знаходяться в так званому третьому стані – ніби функціональних порушень в організмі немає, а здоровими вони себе не почувають. І причина цього погіршення здоров'я - надмірний контакт з деякими хімічними речовинами.

Список використаних джерел

  1. Сергєєва Л. І. Тиждень Хімія й здоров’я, науково-методичний журнал Хімія, №19, жовтень 2009 р.

  2. Гретин О. П., Смирнова О. Ю. Людина в хімічному просторі, науково-методичний журнал Хімія, №20, жовтень 2010 р.

  3. Борміна Т. М., Головач Н. К. Шляхи розв’язання екологічних проблем, науково-методичний журнал Хімія, №23, грудень 2008р.

  4. Іловайська Н. Л. Хімія й екологія, науково-методичний журнал Хімія, №7, квітень, 2010 р.

  5. Василева М. Д. Цікава хімія. К.: Радянська школа, 1989р.

  6. Кучеренко Н.Е. Биохимия:учебник. К.: Высшая школа, 1988 г.
скачать файл



Смотрите также:
Використання хімічних знань при вивченні біології
108.76kb.
Вступ. Предмет фізичної хімії. М. В. Ломоносов – засновник фізичної хімії. Використання основних досягнень фізичної хімії в інших галузях хімії, в медицині, біології, геології, металургії та інших науках
1582kb.
Методична розробка «Побудова перерізів»
252.54kb.
Закарпатський інститут післядипломної педагогічної освіти випускна робота Використання інформаційних технологій на уроках природознавства
181.01kb.
Перед початком використання цього компресора, будь ласка, уважно прочитайте цю інструкцію та збережіть її для використання у майбутньому
86.68kb.
Реферат «Використання web-технологій у Автоматизованих Банківських Системах»
54.57kb.
Інтерактивні форми роботи при вивченні казки г. Андерсена «снігова королева»
56.01kb.
«Вогонь – не іграшка!»
19.03kb.
Проблема взаємозв`язку патологічних процесів, що розвиваються в різних системах організму, є однією з найбільш складних у медицині
126.43kb.
Ігор Гирич Взаємодія між середньою школою та музеями під час вивчення предмету історія України у полікультурному суспільстві
151.55kb.
Мета уроку: використовуючи основні положення молекулярно-кінетичної теорії, узагальнити знання учнів і пояснити явища дифузії; розвивати пізнавальний інтерес на основі уривків з літературних творів
78.97kb.
Практична спрямованість навчання математики. Відсотки Електронний посібник з алгебри для 9 класу одинадцятирічної школи
116.93kb.