Методическая разработка

для проведения занятия со студентами

I курса медико-диагностического факультета в I семестре

по общей и биоорганической химии

Тема № 17:Химия биогенных элементов

Время: 2,5 часа

1. УЧЕБНЫЕ И ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ ЦЕЛИ:

Сформировать системные знания об особенностях строения атомов s-, р- и d-элементов во взаимосвязи с их свойствами, ознакомить с биогенной ролью химических элементов и применением в медицине лекарственных препаратов на основе их соединений.

МОТИВАЦИЯ ДЛЯ УСВОЕНИЯ ТЕМЫ:

Изучение темы «Химия биогенных элементов и их соединений» имеет для студентов-медиков большое теоретическое и практическое значение. Такие s-элементы, как водород, калий, натрий, магний, кальций являются важнейшими биогенными макроэлементами. Недостаток или избыток в организме ионов натрия, кальция, магния вызывает нарушение протекания ряда физиологических процессов и приводит к патологическим состояниям, поэтому для студента-медика представляет существенный интерес специфическая биологическая роль каждого s-элемента в организме человека.

К р-элементам относятся все органогены, кроме водорода: углерод, азот, кислород, фосфор, сера. Кроме того, биогенными элементами являются алюминий, кремний, мышьяк, фтор, хлор, бром и йод.

Из d-элементов важную роль в организме играют железо, кобальт, марганец, медь, цинк и молибден. В настоящее время установлена тесная связь между микроэлементами, с одной стороны, и ферментами, витаминами, гормонами и нуклеиновыми кислотами, с другой стороны. Минеральные вещества либо повышают, либо понижают активность ферментов, влияют на обмен веществ, функции желез и т.д. При избытке или недостатке некоторых d-элементов в продуктах питания возникают патологические изменения в организме.

В медицине широко применяется лекарственные средства, в состав которых входят s-, р- и d-элементы. Приобретенные знания о биологической роли химических элементов и их соединений, а также сведения о применении лекарственных препаратов на их основе, будут востребованы студентами при изучении курсов биологической химии, фармакологии, нормальной и патологической физиологии и т.д.

ТРЕБОВАНИЯ К ИСХОДНОМУ УРОВНЮ ЗНАНИЙ:

а) понятие об s-, р- и d-элементах, их электронные формулы;

б) описание биогенного элемента, исходя из его положения в ПС;

в) важнейшие соединения s-, р- и d-элементов (оксиды, гидроксиды, соли);

г) химические свойства s-, р- и d-элементов и их соединений.

В результате проведения занятия студент должен:

1) знать:

• строение атомов и ионов s-, р- и d-элементов, их физико-химические характеристики (изменение атомных радиусов в подгруппах, изменение энергии ионизации, сродства к электрону, электроотрицательности);

• положение s-, р- и d-элементов в ПС, закономерности изменения их свойств в группах и периодах;

• строение и свойства важнейших соединений s-, р- иd-элементов: гидридов, оксидов, гидроксидов, солей;

• химические свойства s-, р- и d-элементов и их важнейших соединений: окислительно-восстановительные реакции, реакции комплексообразования, реакции гидролиза солей.

• топографию биогенных элементов в организме и их биогенные функции;

• некоторые лекарственные препараты, содержащие s-, р- и d-элементы.

2) уметь:

• составлять электронные формулы атомов s-, р- и d-элементов и их ионов;

• находить в справочнике физико-химические характеристики атомов элементов и с их помощью проводить сравнение свойств;

• составлять описание биогенных элементов по предложенной схеме.

2. СВЯЗЬ СО СМЕЖНЫМИ ДИСЦИПЛИНАМИ:

Полученные знания о топографии и химии биогенных элементов необходимы студентам-медикам при изучении биохимии, физиологии и фармакологии.

3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ ЗАНЯТИЯ:

3.1 Положение s-, р- и d-элементов в ПС. Электронное строение атомов и ионов. Физико-химические характеристики атомов (R, I, F, ОЭО) и закономерности их изменения в группах и периодах.

3.2 Химические свойства s-, р-, d-элементов и их важнейших соединений (гидридов, оксидов, гидроксидов и солей).

3.3 Биологическая роль и топография важнейших биогенных элементов в организме человека. Применение их соединений в медицине.

4. ХОД ЗАНЯТИЯ:

Биогеохимия – это наука, изучающая распределение химических элементов и их миграцию в биосфере. Основным вопросом биогеохимии является вопрос о взаимосвязи живого и неживого вещества. Становление биогеохимии как науки произошло в 30-е годы XX века. Ее основоположником является академик В.И. Вернадский.

Биосфера – это единственная область Земли, занятая жизнью. Она включает в себя литосферу, гидросферу и атмосферу, состоящую из тропосферы и стратосферы. Все живые существа в биосфере образуют биомассу, причем человечество составляет лишь небольшую ее часть. Анализируя содержание элементов в земной коре и в живых организмах, Вернадский пришел к выводу, что качественный состав этих объектов близок. Он предполагал, что в живом организме когда-нибудь будут найдены все элементы ПС, обнаруженные в неживой природе.

Однако простой взаимосвязи между содержанием элементов в живой и неживой природе не существует. Так 98 % земной коры составляют лишь восемь химических элементов: О, Si, Al, Fе, Са, Na, К, Mg. В живом организме преобладают шесть химических элементов: С, H, О, N, P, S, на которые приходится 97,4 % массы тела человека. В земной коре преобладают металлы, а в живых организмах – неметаллы.

Согласно теории А.П. Виноградова, живые организмы легко накапливают те химические элементы, которые образуют газы и пары атмосферы или водорастворимые соединения с главными ионами гидросферы: H⁺, OH‾, HCO₃‾, CO₃²‾, I‾, SO₄²‾, PO₄³‾.

Биогенными называются химические элементы в той или иной форме входящие в состав биомассы и выполняющие в ней определенные жизненные функции. К важнейшим биогенным элементам относятся:

• 6 неметаллов-органогенов: C, O, H, N, P, S;

• 10 биометаллов (металлов жизни): Na, K, Mg, Ca (s-элементы) и Fe, Co, Cu, Zn, Mn, Mo (d-элементы).

По содержанию в биомассе химические элементы делятся на:

• МАКРОЭЛЕМЕНТЫ (более 10‾²%). К ним относятся неметаллы-органогены и хлор, а так же биометаллы, относящиеся к s-блоку;

• МИКРОЭЛЕМЕНТЫ (10‾⁵-10‾³%). Например, Fe, Co, Cu, Zn, Mn, Mo, а так же Ni, Cr, Si, B и др.;

• УЛЬТРАМИКРОЭЛЕМЕНТЫ (менее 10‾⁵%). Например, Hg, Au и др.

Установлена взаимосвязь между содержанием элемента в организме и его положением в ПС. В подгруппах сверху вниз происходит увеличение токсичности химических элементов и их соединений и, как следствие, уменьшение содержания в биомассе. На токсичность химического элемента влияет степень его окисления в соединении. Чем выше степень окисления элемента, тем выше его токсичность. Так, ионы хрома Сr³⁺ являются малотоксичными, а анионы СrO₄²‾ и Cr₂O₇²‾, содержащие Cr⁶⁺, характеризуются высокой токсичностью.

А.П. Виноградов сформулировал понятие о БИОГЕОХИМИЧЕСКОЙ ПРОВИНЦИИ. Это часть биосферы, характеризующаяся экстремальными геохимическими условиями и определенными постоянными реакциями организмов на них (эндемические заболевания, возникновение мутантов и врожденных уродств).

Биогеохимия явилась фундаментом для современной экологической химии, изучающей вопросы, связанные с характеристикой основных химических токсикантов, методами борьбы с ними, изысканием новых экологически чистых источников энергии.