Раздел I. Элементы химической термодинамики и химической кинетики.

Занятие №6

Тема: «Актуальные вопросы химии»

2. Форма организации учебного процесса: интерактивная

Разновидность занятия: конференция. Методы обучения: объяснительно-иллюстративный, частично-поисковый (эвристический).

3. Значение темы: Наряду с ранее изученными разделами химии есть и такие, которые не менее важны для понимания сущности процессов, протекающих в организме. Это гетерогенные и металло-лигандные, адсорбционные и коллоидные равновесия, химическая кинетика и химическая термодинамика, химия биогенных элементов, растворов высокомолекулярных соединений и многие другие. Их изучение требует очень большой переработки информации и большого объема времени. Поэтому в рамках данного курса химии нам дается возможность получить лишь представление о некоторых из них. Для этого и проводится данная конференция, материалы которой могут излагаться в форме доклада или презентации.

Химическая термодинамика, наряду с химической кинетикой является теоретической основой химии. Она представляет собой математическую модель реальных систем, позволяющую решить вопрос о принципиальной возможности протекания различных процессов. Знание основ термодинамики позволяет уяснить закономерности процесса обмена организма с окружающей средой энергией и веществом, т. биоэнергетики и гомеостаза.

Изучение механизмов реакций и определение их скоростей составляет предмет химической кинетики. Законы кинетики универсальны, будь это явление оседания эритроцитов, процесс усвоения лекарства, рост микробной популяции и т. д. Методы химической кинетики широко используются в биологии и медицине. Скорости биохимических реакций сбалансированы, за счет чего обеспечивается стационарное состояние организма. Изменение скорости какой-либо реакции, обусловленное воздействием факторов окружающей среды или особенностями развития организма, может быть причиной развития патологии. Однако при воздействии неблагоприятных факторов изменение скоростей реакции лежит в основе защитной и компенсаторной функций организма. Корректировка биохимических процессов также связана в большинстве случаев с регуляцией скоростей биохимических реакций. Физиотерапевтические методы лечения основаны на изменении условий протекания реакций (например, локальное повышение или понижение температуры), а фармакотерапевтические методы – на введении веществ, влияющих на скорость реакции.

Изложение основных положений теории кислотно-основных равновесий позволяет понять сущность протолитических процессов, протекающих в организме, уяснить природу протолитического гомеостаза и причины его нарушения, а также показать теоретические подходы к диагностике и коррекции ацидемии и алкалиемии.

Изложение основных положений теории электрохимических равновесий позволяет понять сущность протекающих в организме редокс-процессов, на которых основано превращение химической формы движения материи в биологическую, механизм действия редокс-буферных систем, а также причины возникновения некоторых патологических состояний. Данный материал помогает обосновать применение в фармакотерапии окислителей, восстановителей и антиоксидантов, использование окислительно-восстановительных реакций в клинической биохимии для диагностики некоторых заболеваний.

Изложение основных положений теории лигандно-обменных равновесий позволяет понять сущность реакций комплексообразования, протекающих в организме, уяснить природу металлолигандного гомеостаза и причины его нарушения. Как следствие, это дает возможность теоретически обосновать применение хелатотерапии для выведения из организма некоторых ксенобиотиков, поступающих в него, как правило, в экологически неблагоприятных ситуациях.

Изложение основных положений теории гетерогенных равновесий в растворах электролитов позволяет понять сущность процессов образования и растворения осадков в условиях живых систем: формирование неорганического вещества костной ткани, действие кальциевого буфера, физико-химические механизмы, лежащие в основе возникновения некоторых болезней (рахит, подагра, мочекаменная болезнь и др.), а также обосновать некоторые терапевтические и диагностические подходы.

Изложение основных положений теории адсорбционных явлений позволяет понять физико-химические особенности строения мембран и сущность поверхностных явлений, протекающих на внутриклеточных и межклеточных мембранах в норме и при патологии. А это дает возможность показать теоретические подходы к использованию адсорбционных методов в терапии, а также применение хроматографии для диагностики различных заболеваний.

Для биологии и медицины большое значение имеют дисперсные системы, которыми, по сути своей, являются все биологические жидкости (кровь, плазма, лимфа, спинномозговая жидкость). Здесь в коллоидном состоянии находятся белки, холестерин, гликоген и многие другие труднорастворимые вещества. В виде дисперсных систем (суспензии, эмульсии, мази, кремы, пасты, аэрозоли) в медицине широко применяют лекарственные вещества. Терапевтическое применение коллоидных препаратов металлов и других сильнодействующих лекарств обусловлено, по-видимому, тем, что они обеспечивают очень слабое, но продолжительное действие малых доз вещества. При лечении инфекционных заболеваний легких, а также при заболеваниях дыхательных путей используются ингаляции аэрозолями различных антибиотиков. Широко применяются в медицинской практике эмульсии. Так, жировые эмульсии применяются для энергетического обеспечения голодающего или ослабленного организма путем внутривенного вливания. В санитарном деле очистка питьевой воды основана на процессах адсорбции и взаимной коагуляции. Многие процессы структурообразования и нарушения устойчивости, протекающие в живых системах, объясняюся положениями коллоидной химии. Понимание основ теории дисперсных систем помогает уяснить природу таких явлений, как седиментационное равновесие, эмульгирование жиров и др., а также применение в медицине диализа и работы «искусственной почки» в целом.

Изучение свойств водных растворов биополимеров очень важно для понимания таких явлений, как мембранное равновесие, структурообразование, аномальная вязкость. Практически все ткани организма представляют собой структурированные растворы биополимеров.

4. Цели обучения:

знать:

· термодинамические и кинетические закономерности, определяющие протекание химических и биохимических процессов;

· физико-химические аспекты важнейших биохимических процессов и различных видов гомеостаза в организме: теоретические основы биоэнергетики, факторы, влияющие на смещение равновесия биохимических процессов;

· основные типы равновесий и процессов жизнедеятельности: протолитические, гетерогенные, металло-лиганднообменные, редокс, адсорбционные, коллоидные;

· закономерности протекания физико-химических процессов в живых системах с точки зрения их конкуренции, возникающей в результате совмещения равновесия разных типов;

· роль коллоидных, поверхностно-активных веществ в усвоении и переносе малополярных веществ в живом организме;

· физико-химические основы поверхностных явлений и факторы, влияющие на свободную поверхностную энергию; особенности адсорбции на различных границах раздела фаз;

· особенности физико-химии дисперсных систем и растворов биополимеров;

· физико-химические методы анализа в медицине (электрохимический, хроматографический, вискозиметрический)

уметь:

· научно обосновывать наблюдаемые явления;

· приводить параметры физико-химических измерений, характеризующих те или иные свойства растворов, смесей и других объектов, моделирующих внутренние среды организма;

· представлять данные экспериментальных исследований в виде графиков и таблиц;

· умеренно ориентироваться в информационном потоке (использовать справочные данные и библиографию по той или иной теме);

− владеть:

− техникой самостоятельной работы с учебной, научной и справочной литературой; вести поиск и делать обобщающие выводы

5. Аннотация (краткое содержание темы).

Раздел I. Элементы химической термодинамики и химической кинетики.

1) Предмет и методы химической термодинамики. Взаимосвязь между процессами обмена веществ и энер­гии в организме. Химическая термодинамика как теоре­тическая основа биоэнергетики.

В этом разделе должны быть представлены основные понятия термодинамики (система, равновесное и стационарное состояние, параметры и функции состояния, экстенсивные и интенсивные величины, процесс, энергия, внутренняя энергия, работа и теплота - две формы передачи энергии, экзотермическая реакция, эндотермическая реакция, стандартное состояние, энтальпия, энтропия, информация, самопроизвольный процесс, энергия Гиббса), типы термодинамических систем (гомогенная и гетерогенная, изолирован­ные, закрытые и открытые), типы термодинамических процессов (изотермические, изобарные, изохорные). А также:

Первое начало термодинамики. Энтальпия. Стандартная энтальпия образования вещества, стандартная энтальпия сгорания вещества. Стандартная энтальпия реакции. Закон Гесса и его применение для расчета калорийности питания.

Второе начало термодинамики. Обратимые и необратимые в термодинамическом смысле процессы. Энтропия. Энергия Гиббса. Прогнозирование направления самопро­извольно протекающих процессов в изолированной и за­крытой системах; роль энтальпийного и энтропийного факторов. Термодинамические условия равновесия. Стан­дартная энергия Гиббса образования вещества, стандарт­ная энергия Гиббса биологического окисления вещества. Стандартная энергия Гиббса реакции. Примеры экзергонических и эндергонических процессов, протекающих в организме. Принцип энергетического сопряжения.Принцип Пригожина, особенности стационарного состояния живых систем, гомеостаз.

2) Предмет и основные понятия химической кинетики. Химическая кинетика как основа для изучения скоростей и механизмов биохимических процессов. Скорость реакции, средняя скорость реакции в интервале, истин­ная скорость. Классификации реакций, применяющиеся в кинетике: реакции, гомогенные, гетерогенные и микрогетерогенные; реакции простые и сложные (парал­лельные, последовательные, сопряженные, цепные). Молекулярность элементарного акта реакции.

Кинетические уравнения. Порядок реакции. Период полу-превращения. Зависимость скорости реакции от концентрации. Ки­нетические уравнения реакций первого, второго и куле­вого порядков. Экспериментальные методы определения скорости и константы скорости реакций. Зависимость скорости реакции от температуры. Тем­пературный коэффициент скорости реакции и его осо­бенности для биохимических процессов. Понятие о тео­рии активных соударений. Энергетический профиль ре­акции; энергия активации; уравнение Аррениуса. Роль стерического фактора. Понятие о теории переходного состояния.

Катализ. Гомогенный и гетерогенный катализ. Энергетический профиль каталитической реакции. Особен­ности каталитической активности ферментов. Уравнение Михаэлиса-Ментен и его анализ.