Программа элективного учебного предмета «Химия и медицина» (с материалами к занятиям на основе межпредметных связей) (стр. 3 )

При попадании в кровь кураре пара­лизует мышечную систему, останавли­вает дыхание и работу сердца. Однако это не только яд, но порой и лекарство. Знахари древних индейцев при перело­мах костей вливали в открытую рану разбавленный водой яд: мышцы стано­вились вялыми и податливыми, теряли чувствительность, и сломанные кости можно было вправить и уложить по­страдавшую руку или ногу в лубок. Давно известны людям ядовитые свойства ярко - красных ягод невысокого кустарника дафны — «волчьего лыка». Горсть таких ягод для человека — смер­тельная доза яда, смеси сложных орга­нических соединений дафнина и мезереина.

Южноамериканские. племена индей­цев еще в начале нашей эры использо­вали в качестве яда выделения поверхности кожи лягушки кокой (или как называют её учёные, «ужасного ли-столаза»), которые годами не теряю! токсичности. Всего 0,001 мг такого яда, попадав в рану с наконечником стрелы, приво­дит к смертельному исходу из-за нерв­но - мышечного паралича. Кожные выделения этой лягушки в 50 раз более ядовиты, чем яд гремучей змеи и коб­ры". Много позже было установлено, что токсичность кожных выделений определяется наличием в них сложного органического вещества сакситоксина с формулой C10Hl7N2O4.

Однако признанным королём всех ядов оказался мышьяк As, известный ещё в глубокой древности. Арабские алхимики получали мышь­як нагреванием оксида As2O3 с углем: В качестве яда использовали не сам мы шьяк — серебристо-белое кристалличе­ское вещество, а его оксид As2O3 — бес­цветный порошок или стекловидное твёрдое вещество, не имеющее вкуса и запаха, малорастворимое в воде, легко улетучивающееся при нагревании.

В конце XVIII в. оксид мышьяка очень быстро вытеснил все природные яды растительного происхождения, на­долго захватив лидерство среди ядовитых зелий. Его можно было подмешивать в пищу и питье, не боясь вызвать подозрения, т. к. ни еда, ни вино не приобретали нового вкуса. А симптомы отрав­ления мышьяком очень похожи на признаки самой распростра­нённой в те времена в Европе бо­лезни — холеры.

В 1840 г. вся Франция с на­пряжённым вниманием следила за судебным процессом по делу Мари Лафарж, которая отравила своего мужа, узнав после свадь­бы, что у него нет обещанного большого состояния. Оксид мы­шьяка она периодически добавляла супругу в пищу. После его смерти родственники обвинили вдову в убийстве. Экспертизу тела проводил парижский врач, известный токсико­лог Матье Орфилла. Он использовал метод анали­за, открытый в 1836 г. английским химиком Джеймсом Мар­шем, который позволял об­наружить мышьяк в ор ганизме. Суд признал выводы экспертизы Орфилла вполне убедительными, и пре­ступнице пришлось отвечать за соде­янное. Ядовитый «белый мышьяк» As2O3 столь часто использовался для устра­нения неугодных персон, что даже получил название «порошок для наследников ».

Другой широко известный яд, ко­торый из-за быстроты действия стал соперником — синильная (циановодородная) кислота HCN и её соли цианиды, среди которых чаще всего вспоминают цианид калия, формула которого KCN.

В 1782г. шведский химик - Карл Шееле попытался получить циановодородную кислоту нагреванием смеси аммиака NH3 I и диоксида углерода СО2 с углем.

Ещё четыре года, до последнего дня своей жизни, Шееле занимался проверкой и уточнением условий протекания этой реакции. Учёного обнаружили мёртвым у лабора­торного стола над раскрытой тет­радью, в которой он успел описать весь ход синтеза циановодородной кислоты и да­же ее запах, напоминающий аромат горького миндаля. Трагедия произошла, когда Шееле определял вкус HCN: химики того времени, получив новое вещество, всегда бесстрашно пробовали его на язык.

Химики, постоянно имеющие дело с ци­анидами, знают, что при работе с этими опасными веществами полезно на вся­кий случай держать за щекой кусочек сахара:он превращает цианиды в без­вредные циангидрины. Вероятно, именно из-за неустойчи­вости цианида калия в присутствии са­хара не удалась попытка князя Ф. Юсупова и депутата Пуришкевича отравить фаворита царя Николая I Григория Распутина. «Великий ста­рец», проглотив чудовищную дозу циа­нида калия с пирожными и вином, лишь несколько раз икнул и предложил... ехать к цыганам.

В XX в. производство ядов стало го­сударственной монополией. Во время первой мировой войны в Европе около миллиона человек были поражены бое­выми отравляющими веществами — хлором, фосгеном, ипритом, люизитом. После окончания войны были синтези­рованы ещё более опасные отравляю­щие вещества нервно-паралитического и психотропного действия — табун, за­рин, зоман и другие...

Принятая в 1972 г. Международная Конвенция положила конец примене­нию в военных действиях всех ядов и отравляющих веществ. Они подверга­ются уничтожению, а новая их разра­ботка и синтез запрещены.

Тема 4. Биологически активные вещества

Ферменты

Ферменты, или энзимы, — это органические ка­тализаторы белковой природы, которые ускоря­ют реакции, необходимые для функционирова­ния живых организмов.

Так как реакции обмена веществ, протекающие в ор­ганизмах, можно разделить на два типа процессов: син­теза (анаболические) и распада (катаболические), то соответственно можно выделить и два типа фермен­тов. Сейчас химикам известно более 2000 ферментов. Все они обладают рядом специфических свойств, отличаю­щих их от неорганических катализаторов.

Размер молекул. Понятно, что, будучи по своей при­роде белками, ферменты должны иметь большие значе­ния молекулярной массы. Действительно, она может ко­лебаться в пределах от 105 до 107, а это значит, что по своему размеру молекулы ферментов попадают в разряд коллоидных частиц. Это не позволяет отнести их ни к го­могенным, ни к гетерогенным катализаторам. Остается отнести их к особому классу катализаторов.

Селективность. Каждый фермент ускоряет только од­ну какую-либо реакцию или группу однотипных реакций. Эту их особенность называют селективностью (избирательностью) действия. Она позволяет организ­му быстро и точно выполнить четкую программу синтеза нужных ему соединений на основе молекул пищевых ве­ществ или продуктов их превращения. Располагая бога­тым набором ферментов, клетка разлагает молекулы белков, жиров и углеводов до небольших фрагментов-мономеров (аминокислот, глицерина и жирных кислот, моносахаридов соответственно) и из них заново строит белковые и иные молекулы, которые будут точно со­ответствовать потребностям данного организма. Неда­ром великий русский физиолог, нобелевский лауреат назвал ферменты носителями жизни.

Эффективность. Большинство ферментов обладает очень высокой эффективностью. Скорость некоторых ферментативных реакций может быть в 1015 раз больше скорости реакций, протекающих в их отсутствие. Такая высокая эффективность ферментов объясняется тем, что их молекулы в процессе «работы» очень быстро восста­навливаются (регенерируют). Типичная молекула фер­мента может регенерировать миллионы раз за минуту, например, широко используемый в сыроделии фермент реннин способен вызывать коагуляцию (свертывание) белков молока в количествах, в миллионы раз превы­шающих его собственную массу. Этот фермент выраба­тывается слизистой оболочкой особого отдела желудка жвачных животных — сычуга.

Зависимость от температуры. Многие ферменты обла­дают наибольшей эффективностью при температуре че­ловеческого тела, т. е. приблизительно при 37 °С. Чело­век погибает при более низких и более высоких темпера­турах не столько из-за того, что его убила болезнь, а в первую очередь из-за того, что перестают действовать ферменты, а следовательно, прекращаются обменные процессы, которые и определяют сам процесс жизни. Не­органические катализаторы сохраняют активность в бо­лее широком интервале температур. Вспомните, напри­мер, синтез аммиака, который проводят при температу­ре 450—500 °С (катализатор — железо).

Зависимость от среды раствора. Ферменты наиболее эффективно действуют на субстрат при строго опреде­ленной среде раствора, при определенных значениях так называемого рН. Величина рН, как показано на схеме, характеризует кислотность и основность растворов и мо­жет принимать значения от 1,0 до 14,0.

Фермент желудочного сока пепсин наиболее активен при рН 1,5—2,0 (сильнокислотная среда), каталаза кро­ви — при рН 7,0 (нейтральная среда) и т. д.

ЗНАЧЕНИЯ рН ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

Таблица

Среда	Значение	Возможные
	РН	отклонения
Желудочный сок	1,7	0,9—2,0
Желчь печеночная	7,4	6,2—8,5
Желчь пузырная	6,8	5,6—8,0
Кровь (плазма)	7,4	7,25—7,44
Моча	5,8	5,0—6,5
Пот	7,4	4,2-7,8
Слезная жидкость	7 7	7,6—7,8
Слюна	6,8	5,6-7,9
Спинномозговая жидкость	7,6	7,4-7,8
Сок верхнего отдела толстого кишечника	6,1	—
Сок поджелудочной железы	8,8	8,6—9
Сок тонкого кишечника	6,5	5,1-7,1

Кислотность или основность среды физиологических жидкостей определяет биологическую активность кле­ток организма, которая, в свою очередь, определяется «работой» действующих в них ферментов (табл. 12). Каждая из физиологических жидкостей имеет опреде­ленное значение рН, и отклонение от нормы может быть причиной тяжелых заболеваний. Вспомните многочисленные телевизионные ролики, в которых вовсю эксплуатируется понятие рН (в них его называют рН-фактор) в рекламных целях.

В контакт с субстратом вступает лишь очень неболь­шая часть молекулы фермента, так называемый актив­ный центр. Он включает обычно от 3 до 15 аминокис­лотных остатков полипептидной молекулы фермента. Высокая специфичность фермента обусловлена особой формой его активного центра, которая точно соответст­вует форме молекулы вещества катализируемой реак­ции. Их можно сравнить с «ключом и замком»: катали­зируемое вещество выступает в роли «ключа», который точно подходит к «замку», т. е. к ферменту.

Многие ферменты для проявления активности нужда­ются в веществах небелковой природы — так называемых кофакторах. В роли последних могут выступать ионы металлов (цинка, марганца, кальция и др.) или мо­лекулы органических соединений; в последнем случае их называют коферментами. Иногда для действия фер­мента бывает необходимо присутствие как ионов метал­ла, так и коферментов.

В некоторых случаях кофермент очень прочно соединен с белком, например у каталазы, где кофермент представ­ляет собой комплексное соединение железа с белком — гемоглобин.

В других ферментах коферменты представляют собой вещества, близкие к витаминам, которые являются предшественниками коферментов. Например, из вита­мина В1 (тиамина) в клетках образуется тиаминпирофосфат — кофермент важного фермента, входящего в группу декарбоксилаз; из витамина В12 образуются ко­ферменты, необходимые для усвоения жирных кислот с нечетным числом атомов углерода. Как же классифицируют ферменты? В 1961 г. специальной комиссией Международного био­химического союза была предложена систематическая номенклатура ферментов. Согласно этой номенклатуре ферменты были поделены на шесть групп в соответствии с общим типом реакции, которую они катализируют. Каж­дый фермент при этом получил систематическое название, точно описывающее катализируемую им реакцию. Одна­ко, поскольку многие из этих систематических названий оказались очень длинными и сложными, каждому фер­менту было также присвоено и тривиальное, рабочее на­звание, предназначенное для повседневного употребления. В большинстве случаев оно состоит из названия вещества, на которое действует фермент, указания на тип катализи­руемой реакции и окончания -аза (табл. 13).

Значение ферментов невозможно переоценить. Только в человеческом организме ежесекундно происходят тыся­чи и тысячи ферментативных химических реакций. Вспомним хотя бы те, с которыми вы знакомились на уроках биологии в теме «Пищеварение». Например, фер­мент амилаза, который содержится в слюне (его еще на­зывают птиалином) и в соке тонкого кишечника, помога­ет превращению крахмала в мальтозу. Затем мальтоза превращается в глюкозу в тонком кишечнике с помощью

другого фермента — мальтазы. В желудке и тонком ки­шечнике такие ферменты, как пепсин и трипсин, пре­вращают белки в более простые соединения — пептиды. Затем эти пептиды превращаются в тонком кишечнике в аминокислоты под действием ферментов, которые, по­нятно, называются пептидазами. А вот на жиры (липиды) в тонком кишечнике действует фермент липаза, рас­щепляющий их до глицерина и жирных кислот.

Ферменты играют немаловажную роль и в проведении многих технологических процессов.

Витамины

Витамины — низкомолекулярные органиче­ские соединения различной химической при­роды, необходимые для осуществления важ­нейших процессов, протекающих в живом ор­ганизме.

Для нормальной жизнедеятельности человека вита­мины необходимы в небольших количествах, но так как в организме они не синтезируются в достаточном коли­честве, то должны поступать с пищей в качестве необ­ходимого ее компонента. Их отсутствие или недостаток в организме вызывает гиповитаминозы (болезни в ре­зультате длительного недостатка) и авитаминозы (болез­ни в результате отсутствия витаминов). При приеме витаминов в количествах, значительно превышающих физиологические нормы, могут развиваться гипервитаминозы.

Людям еще в глубокой древности было известно, что отсутствие некоторых продуктов в пищевом рационе мо­жет быть причиной тяжелых заболеваний (бери-бери, «куриной слепоты», цинги, рахита), но только в 1880 г. русским ученым была экспериментально доказана необходимость неизвестных в то время компо­нентов пищи для нормального функционирования орга­низма. Свое название (витамины) они получили по пред­ложению польского биохимика К. Функа (от лат. vita — жизнь). В настоящее время известно свыше тридцати соединений, относящихся к витаминам.

В качестве единицы измерения витаминов пользуются миллиграммами (1 мг =? 10~3 г), микрограммами (1 мкг = = 0,001 мг = 10~6 г) на 1 г продукта или мг% (милли­граммы витаминов на 100 г продукта). Потребность че­ловека в витаминах зависит от его возраста, состояния здоровья, условий жизни, характера его деятельности, времени года, содержания в пище основных компонен­тов питания. Сведения о потребности взрослого человека в витаминах приведены в таблице 10.

По растворимости в воде или жирах все витамины делят на две группы:

• водорастворимые (Вх, В2, В6, РР, С и др.);

• жирорастворимые (А, Е, D, К).

СУТОЧНАЯ ПОТРЕБНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА

В ВИТАМИНАХ И ИХ ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ

Таблица

Витамин Аскорбино­вая кислота (витамин С)	Суточная потребность 50—100 мг (в среднем 70)	Функции Участвует в окислительно-восстановительных реакциях, повышает сопротивляемость организма экстремальным воздействиям Необходим для нормальной деятельности центральной и периферической нервной системы. Регулятор жирового и углеводного обмена Участвует в окислительно-восстановительных реакциях Участвует в синтезе и метаболизме аминокислот, метаболизме жирных кислот и ненасыщенных липидов
Тиамин (аневрин, витамин Вх)	1,4—2,4 мг (в среднем 1,7)
Рибофлавин (витамин В2)	1,5—3,0 мг (в среднем 2,0)
Пиридоксин (витамин В6)	2,0—2,2 мг (в среднем 2,0)
Ниацин (витамин РР)	15,0—25,0 мг (в среднем 19,0)	Участвует в окислительно-восстановительных реакциях в клетках. Недостаток вызывает пеллагру
Витамин	Суточная потребность	Функции
Фолиевая кислота (фолацин) (витамин В9)	200 мкг	Кроветворный фактор, перенос­чик одноуглеродных радикалов, участвует в синтезе аминокис­лот, нуклеиновых кислот, холина
Цианокобал-амин (вита­мин В12)	2—5 мкг (в среднем 3)	Участвует в биосинтезе нукле­иновых кислот, холина, леци­тина. Фактор кроветворения и жирового обмена
Биотин (витамин Н)	50—300 мкг (в среднем 150)	Участвует в реакциях карбок-силирования, обмена амино­кислот, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот
Пантотеновая кислота (витамин В3)	5—10 мг	Участвует в реакциях биохи­мического ацилирования, обмена белков, липидов, углеводов
Холин (холин-хлорид)	250—600 мкг	Участвует в синтезе биологически важных соединений
Ретинол (витамин А)	0,5—2,5 мг (в среднем 1,0)	Участвует в деятельности мем­бран клеток. Необходим для роста и развития организма, для функционирования сли­зистых оболочек. Участвует в процессе фоторецепции (в восприятии света)
Кальциферол (витамин D)	2,5—10 мкг	Регуляция содержания кальция и фосфора в крови, минерализация костей, зубов
Токоферол (витамин Е)	8—15 мг (в среднем 10)	Предотвращает окисление липидов, влияет на синтез ферментов. Активный антиокислитель

Водорастворимые витамины

Все витамины жизненно важны.

Не умаляя значения других витаминов, остановимся особо на профилактике двух авитаминозов, причиняю­щих наибольший ущерб здоровью миллионов людей. Это авитаминозы С и Вх.

Витамин С, аскорбиновая кислота, — это витамин над витаминами. Он единственный связан напрямую с бел­ковым обменом. Мало аскорбиновой кислоты — нужно много белка. Напротив, при хорошей обеспеченности аскорбиновой кислотой можно обойтись минимальным количеством белка.

Для предупреждения С-авитаминоза не требуется больших доз аскорбиновой кислоты, достаточно 20 мг в сутки. Это количество аскорбиновой кислоты вводилось для профилактики в солдатский рацион уже в начале Ве­ликой Отечественной войны, в 1941 г. Во всех прошлых войнах пострадавших от цинги было больше, чем ране­ных.

Уже после Великой Отечественной войны комиссия экспертов рекомендовала для предохранения от цинги 10—30 мг аскорбиновой кислоты. Однако нормы, приня­тые сейчас во многих странах, превышают эту дозу в 3— 5 раз, поскольку витамин С служит и для других целей. Чтобы создать в организме оптимальную внутреннюю среду, способную противостоять многочисленным небла­гоприятным воздействиям, его необходимо постепенно обеспечивать витамином С; это, кстати, способствует и высокой работоспособности.