Высшее государственное учебное заведение Украины «Украинская медицинская стоматологическая академия»

Кафедра медицинской, биологической и биоорганической химии

Учебное пособие по медицинской химии для студентов 1 курса

медицинского факультета

Полтава - 2009 г.

УДК 546 : 61 (07)

Авторы: Стороженко В.А., Ищейкина Л.К., Харченко С.В., Цубер В.Ю., Сизоненко Н.В.

Учебное пособие содержит методические указания к практическим занятиям по медицинской химии (модуль 1“Кислотно-основные равновесия и комплексообразование в биологических жидкостях” и модуль 2 “Равновесия в биологических системах на границе раздела фаз“) для студентов 1 курса медицинского факультета, в соответствии с Программой по учебной дисциплине “Медицинская химия” (Киев, 2005 г.).

Каждое занятие включает: обоснование темы и цель занятия, перечень знаний, умений и навыков, которыми должен овладеть студент. Для лучшей подготовки студентов к занятию составлена ориентировочная карточка с основными вопросами темы, предложены вопросы и задания для самостоятельной работы с ответами, приведен список необходимой литературы, учтена интеграция преподавания химии с другими учебными дисциплинами.

В сборнике содержатся также методические рекомендации для самостоятельной внеаудиторной работы студентов по темам программы, которые вынесены на самостоятельное изучение. Они помогут студентам лучше усвоить материал.

Теоретические знания и практические навыки по этим разделам курса будут необходимы студентам при последующем изучении биохимии, гигиены, фармакологии, физиологии, специальных медицинских дисциплин.

Материалы сборника помогут студентам лучше овладеть знаниями и умениями, приобрести необходимые практические навыки.

Рецензенты:

зав. кафедрой нормальной физиологии, д.м.н., профессор Мищенко И.В.; профессор кафедры экспериментальной и клинической фармакологии с клинической иммунологией и аллергологией Девяткина Т.А.

Печатается по решению Центральной методической комиссии ВГУЗ Украины «Украинская медицинская стоматологическая академия», протокол № 8 от 21.05.2009 г.

2

МОДУЛЬ 1

Кислотно-основное равновесие и комплексообразование в биологических жидкостях

ЗАНЯТИЕ № 1.

1. ТЕМА. Техника безопасности работы в лаборатории.

Биогенные s-элементы; биологическая роль, применение в медицине.

2.ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ. Натрий, калий, кальций и магний образуют (вместе с хлором) электролитный фон организма. На эти четыре металла приходится 99% (по массе) всех металлов организма. Кроме этого, они являются активаторами некоторых ферментов. Кальций входит в состав неорганических веществ костной ткани, принимает участие в процессах свёртывания крови, играет важную роль в мышечных сокращениях.

Натрий, калий, кальций и магний равномерно распределены в организме по всем тканям, но ионы К+ и Мg2+ - преимущественно внутриклеточные ионы, а Na+ и Са2+ - внеклеточные. Соединения этих элементов используются как лекарственные средства.

Поэтому материал этой темы является основополагающим для последующего изучения сложных процессов обмена веществ в организме и их коррекции при помощи лекарственных средств (биохимия, физиология, фармакология, клинические дисциплины).

3.ЦЕЛЬ. Сформировать представление о биогенных элементах, качественном и количественном их составе в организме человека (макроэлементы, микроэлементы, органогены) и о биосфере. Сформировать представление об s-элементах, их строении, свойствах, роли в жизнедеятельности организма, использовании соединений s-элементов в медицине. Овладеть методикой проведения качественных реакций открытия катионов s- элементов в растворах и биологических жидкостях.

Студент должен знать:

-суть понятий “биогенные элементы”, “макроэлементы”, “микроэлементы”, “органогены”;

-суть понятия “биосфера” и роль живого вещества;

-связь между содержанием биогенных элементов в окружающей среде и в организме человека;

-связь эндемических заболеваний с особенностями биогеохимических провинций;

-положение в периодической системе, электронное строение, степень окисления, валентность, электроотрицательность s-элементов;

-закономерности изменения физико-химических свойств s-элементов и их соединений;

-биологическую роль s-элементов в организме, последствия избытка или недостатка катионов этих элементов;

-применение соединений s-элементов в медицине;

-характерные качественные реакции открытия катионов калия, натрия, кальция, магния и бария;

3

уметь:

-составлять электронные формулы атомов и ионов s-элементов;

-проводить качественные реакции на катионы калия, натрия, кальция, магния и бария;

-составлять уравнения качественных реакций открытия s-элементов;

овладеть навыками:

-открытия катионов s-элементов (калия, натрия, кальция, магния, бария) в растворах и биологических жидкостях.

4.ОСНОВНЫЕ БАЗОВЫЕ ЗНАНИЯ, УМЕНИЯ И НАВЫКИ,

НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ УСВОЕНИЯ ТЕМЫ.

1)Понятие о биосфере в свете учения В.И. Вернадского.

2)Понятие о макро- и микроэлементах.

3)Принципы написания электронных формул.

4)Периодическая система Д.И. Менделеева.

(Материал школьной программы по химии и биологии).

5. ГРАФ ЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ.

Учение В.И. Вернадского о биосфере

Роль живых			Биогенные элементы			Проблемы загрязнения
организмов			(макро-, микроэле-			и очистки биосферы
в биосфере			менты, органогены)
		Макроэлементы (s-элементы)
Строение атомов и поло-			Свойства элементов				Биороль s-элементов и
жение в периодической			и их соединений				их применение
системе.							в медицине

Степень окисления, електроотрицательность и характер связей в соединениях

Характерные качественные реакции открытия катионов s-элементов в растворах и биологических жидкостях

6.ОРИЕНТИРОВОЧНАЯ КАРТОЧКА ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЗАНЯТИЮ (самостоятельная внеаудиторная работа студентов).

Содержание и последователь-

Указания к учебным действиям

ность действий

1.Человек и биосфера. 1.1. Суть учения В.И. Вернадского о биосфере.

1.2.Роль живого вещества в биосфере.

1.3.Охрана окружающей среды.

1.4.Связь эндемических заболеваний с особенностями биогеохимических провинций.

2. Понятие о биогенных элемен-	2.1. Органогены.
тах.	2.2. Макроэлементы.
	2.3. Микроэлементы.

4

3. s-Элементы.	3.1. Положение в периодической системе элемен-
	тов, строение атомов.
	3.2. Электроотрицательность, степень окисления,
	характер связей.
	3.3. Свойства s-элементов и их соединений.
	3.4. Связь между месторасположением s-элементов
	в периодической системе и их содержанием в ор-
	ганизме.
4. Биороль s-элементов и их при-	4.1. Биологическая роль натрия и калия в организ-
менение в медицине.	ме человека.
	4.2. Применение соединений натрия и калия в ме-
	дицине.
	4.3. Биологическая роль кальция, бария и магния в
	организме человека.
	4.4. Применение соединений элементов ІІ-А груп-
	пы в медицине.
5. Характерные качественные ре-	5.1. Качественная реакция на ион калия.
акции открытия катионов s-	5.2. Качественная реакция на ион натрия.
элементов в растворах и	5.3. Качественная реакция на ион кальция.
биологических жидкостях.	5.4. Качественная реакция на ион бария.
	5.5. Качественная реакция на ион магния.

7.ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ (самостоятельная внеаудиторная работа студентов)

1)Указать правильную электронную формулу, которая характеризует валентные элек-

троны s-элементов І-А группы
а) ns1;	б) ns2;	в) ns0.

2)Чем обусловлено значительное сходство элементов 1-А группы ? а) одинаковым строением внешнего электронного слоя атомов;

б) одинаковым строением предпоследнего электронного слоя атомов; в) увеличением радиусов атомов; г) уменьшением потенциала ионизации.

3)Указать, какие окислительно-восстановительные свойства проявляют элементы І-А

группы.

а) восстановительные; б) окислительные; в) восстановительные и окислительные; г) не проявляют окислительно-восстановительных свойств.

4) Указать характерную степень окисления			s-элементов І-А группы в их соединениях.
а) –1;	б) +1;	в) +2;	г) –2.

5)Указать, в каком состоянии находятся в организме человека калий и натрий. а) в свободном состоянии; б) в виде комплексных соединений с белками;

в) в виде гидратированных ионов.

6)Выбрать правильную электронную формулу для валентных электронов s-элементов ІІ-А группы.

5

	а) ns1;	б) 2s1;	в) ns2;	г) ns1(n-1)d10.
7)	Указать характерную степень окисления для s-элементов ІІ-А группы в соединениях.
	а) +2;	б) -2;	в) +3;	г) +1.
8)	Выбрать электронную конфигурацию атома магния.
	а) 1s22s22p63s2;	2) 1s22s22p6;	3) 1s22s22p63s1;	4) 1s22s22p73s1.

9)Указать, в каком виде содержится магний в организме человека. а) в свободном состоянии; б) в виде гидратированных ионов;

в) в виде комплексов с белками.

ПРАВИЛЬНЫЕ ОТВЕТЫ

1) Правильный ответ а).

У атомов элементов 1-А группы происходит заполнение s-подуровня последнего энергетического слоя.

2) Правильные ответы а), б).

Значительное сходство свойств элементов 1-А группы обусловлено одинаковым строением последнего и предпоследнего электронных слоев атомов (кроме лития). На внешнем энергетическом уровне атомы щелочных металлов имеют по одному электрону. На предпоследнем энергетическом уровне у атома лития содержится 2 е–, а у атомов других металлов – по 8 е–.

3)Правильный ответ а).

Характерным свойством элементов 1-А группы является то, что их атомы отдают ва-

лентные s-электроны, проявляя при этом восстановительные свойства, которые в группе в направлении сверху вниз (в связи с уменьшением потенциала ионизации) усиливаются.

4) Правильный ответ б).

Атомы s-элементов 1-А группы характеризуются подобным строением электронных оболочек. У них только один электрон может принимать участие в образовании химической связи, степень окисления всегда постоянная и равна +1.

5)Правильный ответ в).

6)Правильный ответ а).

Уэлементов ІІ-А группы на внешнем энергетическом уровне на s-подуровне содержится по два валентных электрона.

7)Правильный ответ а).

В нормальном состоянии у атомов ІІ-А группы нет неспаренных электронов. Но при переходе атома в возбужденное состояние один из внешних s-электронов перемещается на р-подуровень и появляются два неспаренных электрона, что и определяет характерную для этих элементов степень окисления +2 в их соединениях.

8)Правильный ответ а).

9)Правильные ответы б), в).

6

В биологических жидкостях и тканях организма магний находится как в виде катионов Мg2+, так и в соединениях с белками.

Так, в некоторых металлоферментах магний является кофактором.

8. УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ СТУДЕНТОВ НА ЗАНЯТИИ.

8.1. Ознакомление с правилами выполнения опытов в качественном анализе.

1)Нельзя высыпать или выливать неиспользованные реактивы в стакан с целью соблюдения чистоты реактива.

2)Сухие вещества из стакана нужно брать специально предназначенным для этого шпателем.

3)Не оставлять на длительное время реактивы открытыми. Пробки от склянок следует класть на стол внешней поверхностью вниз. Не допускается путать пробки от разных склянок.

4)Особое внимание в аналитических исследованиях следует уделять чистоте посуды. Реакции следует проводить лишь в чистой посуде.

5)Необходимо четко придерживаться условий выполнения аналитической реакции, обращать внимание на количество и концентрацию реактивов, указанные в методичке.

6)Осадок после проведения опыта не оставлять надолго, а сразу растворить в соответствующем реактиве и вымыть посуду.

7)Если в процессе анализа осадок или раствор нужно оставить хотя бы на короткое время, то на посуде, в которой он находится, следует сделать соответствующую надпись.

8.2.Проведение качественной реакции на катион калия. Реакция с гидротартратом натрия NaHC4H4O6.

В пробирку внести 1 мл раствора соли калия и прибавить такой же объем раствора гидротартрата натрия. Для выпадения осадка следует осторожно потереть стеклянной палочкой внутреннюю стенку пробирки. Выпадает белый кристаллический осадок гидротартрата калия.

КNО3 + NaНС4Н4О6 = КНС4Н4О6↓ + NaNО3 К+ + НС4Н4О6–= КНС4Н4О6↓

Подействовать на полученный осадок сильной минеральной кислотой, уксусной кислотой и щелочью. Написать уравнения реакций растворения осадка в щелочах и сильных кислотах в молекулярном и кратком ионном виде.

Сделать вывод об условиях открытия катиона калия.

8.3.Проведение качественной реакции на катион натрия. Реакция с гексагидроксиантимонатом (V) калия К[Sb(ОН)6].

Впробирку внести 1 мл раствора соли натрия, прибавить столько же раствора гексагидроксиантимоната (V) калия. Для образования осадка следует потереть стеклянной палочкой стенку пробирки и охладить раствор. Образуется белый кристаллический осадок

гексагидроксиантимоната (V) натрия Na[Sb(ОН)6]. Эту реакцию используют для осаждения ионов натрия из сыворотки крови или плазмы при определении натрия в крови:

NaNО3 + К[Sb(ОН)6]= Na[Sb(ОН)6]↓ + КNО3

Na+ + [Sb(ОН)6]– = Na[Sb(ОН)6]↓

Подействовать на полученный осадок сильной минеральной кислотой и щелочью. Написать уравнения реакций в молекулярном и ионном виде, учитывая растворение осадка в щелочной среде и разложение реактива в кислой среде с образованием белого аморфного осадка метасурмяной кислоты НSbО3.

7

Сделать вывод об условиях открытия иона натрия.

8.4. Проведение качественной реакции на катион кальция. Реакция с оксалатом аммония (NН4)2С2О4.

В пробирку внести 1 мл раствора соли кальция (хлорида или нитрата) и прибавить такое же количество раствора оксалата аммония. Выпадает белый кристаллический осадок оксалата кальция:

СаСl2 + (NН4)2С2О4= 2NН4Сl + СаС2О4↓ Са2+ + С2О42- = СаС2О4↓

Реакция используется для определения кальция в моче и крови.

Подействовать на осадок сильной минеральной и уксусной кислотами. Написать уравнение реакции растворения осадка в минеральной кислоте в молекулярном и кратком ионном виде. Сделать вывод об условиях открытия катиона кальция действием оксалата аммония.

8.5. Проведение качественной реакции на катион бария. Реакция с сульфатом натрия или серной кислотой.

В пробирку внести 1 мл раствора соли бария и прибавить такое же количество раствора сульфата натрия или серной кислоты. Образуется белый кристаллический осадок:

ВаСl2 + Na2SО4 = ВаSО4↓ + 2NaСl

Ва2+ + SО42- = ВаSО4↓

Подействовать на осадок сульфата бария сильной минеральной кислотой. Сделать вывод об условиях открытия катиона бария.

8.6. Проведение качественной реакции на катион магния. Реакция с гидрофосфатом натрия Nа2НРО4.

В пробирку внести 1 мл раствора соли магния, прибавить 4 – 6 капель раствора соляной кислоты (1 : 1) и 1 мл раствора Nа2НРО4 (соляная кислота препятствует образованию аморфного осадка МgНРО4). После этого внести в пробирку по каплям раствор аммиака, перемешивая раствор после каждой капли. Сначала аммиак нейтрализует соляную кисло-

ту:

NН3 · Н2О+ Н+ = NН4+ + Н2О,

затем образуется характерный кристаллический осадок фосфата аммония -магния:

MgСl2 + NН3 · Н2О+Nа2НРО4 = MgNН4РО4↓+ NаСl + Н2О

Mg2+ + NН3 · Н2О+ НРО42- = MgNН4РО4↓ + Н2О

Присутствие в растворе ионов NН4+ препятствует образованию осадка гидроксида магния. Выпадение осадка MgNН4РО4 можно ускорить, потерев стеклянной палочкой стенки пробирки.

Реакция образования ортофосфата аммония-магния применяется при биохимическом определении магния в крови.

Подействовать на осадок сильной минеральной и уксусной кислотами. Написать уравнение реакций растворения осадка в кислой среде.

Сделать вывод о влиянии реакции среды на возможность открытия магния в виде фосфата магния-аммония.

8.7. Оформление протокола лабораторной работы.

Записать в тетрадь необходимые уравнения реакций и выводы к каждому из опытов.

9. ЛИТЕРАТУРА.

8