Примером катаболического фермента может служить мальтаза:
На данный момент известно более 2 000 ферментов. Все они обладают рядом специфических свойств, отличающих их от неорганических катализаторов.
Размер молекулы. Будучи по своей природе белками, ферменты должны иметь большие значения молекулярной массы. Она может колебаться в пределах от 105 до 107, а это значит, что молекулы ферментов попадают в разряд коллоидных частиц. Это не позволяет отнести их ни к гомогенным, ни к гетерогенным катализаторам. Остаётся отнести их к особому классу катализаторов.
Селективность, или избирательность, действия. Каждый фермент ускоряет только одну какую-либо реакцию или группу однотипных реакций. Данное свойство позволяет организму быстро и точно выполнить чёткую 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) и из них заново строить белковые и иные молекулы, которые будут точно соответствовать потребностям данного организма. Недаром великий русский физиолог, нобелевский лауреат И.П. Павлов 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 ренин способен вызывать коагуляцию, т.е. свёртывание, белков молока в количествах, в миллионы раз превышающих его собственную массу. Этот фермент вырабатывается слизистой оболочкой особого отдела желудка жвачных животных - сычуга.
Из курса химии за 8 класс хорошо знакомый фермент каталаза. За одну секунду при температуре, близкой к точке замерзания воды, одна молекула этого вещества разлагает около 50 000 молекул пероксида водорода (до молекул воды и кислорода).
Зависимость от температуры. Многие ферменты обладают наибольшей эффективностью при температуре человеческого тела, т.е. приблизительно при 37 0С. 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. Например, при синтез аммиака, который проводят при температуре 450-500 0С (катализатор - железо).
Зависимость от среды раствора. Ферменты наиболее эффективно действуют на субстрат при строго определённой среде раствора, при определённых значениях так называемого водородного показателя (рН).
Значение ферментов невозможно переоценить. Только в человеческом организме ежесекундно происходят тысячи и тысячи ферментативных химических реакций. Кроме того ферменты играют немаловажную роль и в проведении многих технологических процессов. Они используются, например, в процессах приготовления пищи, в производстве пищевых продуктов и напитков, фармацевтических препаратов, моющих средств, текстиля, кожи и бумаги.
Состав и свойства слюны
У взрослого человека за сутки образуется 0,5-2 л слюны, её количество и состав колеблются в зависимости от рода пищи. Слюна состоит из 99% воды и 1% сухого остатка. Сухой остаток представлен неорганическими и органическими веществами. Среди неорганических веществ - анионы хлоридов, бикарбонатов, сульфатов, фосфатов; катионы натрия, калия, кальция, магния, а также микроэлементы: железо, медь, никель и др. Органические вещества слюны представлены в основном белками. Белковое слизистое вещество муцин склеивает отдельные частицы пищи и формирует пищевой комок. Основными ферментами слюны являются альфа-амилаза (расщепляет крахмал, гликоген и другие полисахариды до дисахарида мальтозы) и мальтаза (действует на мальтозу и расщепляет ее до глюкозы).
В слюне в небольших количествах обнаружены также и другие ферменты (гидролазы, оксиредуктазы, трансферазы, протеазы, пептидазы, кислая и щелочная фосфатазы). Также содержится белковое вещество лизоцим (мурамидаза), обладающий бактерицидным действием.
Состав и свойства желудочного сока
У взрослого человека в течение суток образуется и выделяется около 2-2,5 л желудочного сока. Желудочный сок имеет кислую реакцию (рН 1,5-1,8). В его состав входят вода - 99% и сухой остаток - 1%. Сухой остаток представлен органическими и неорганическими веществами.
Главный неорганический компонент желудочного сока - соляная кислота, которая находится в свободном и связанном с протеинами состоянии.
В состав органических веществ входят:
Пепсины выделяются в неактивной форме в виде пепсиногенов. Под влиянием соляной кислоты они активируются. Оптимум протеазной активности находится при рН 1,5-2,0. Они расщепляют белки до альбумоз и пептонов.
Гастриксин гидролизует белки при рН 3,2-3,5.
Ренин, или химозин (у грудных детей), вызывает створаживание молока в присутствии ионов кальция, так как переводит растворимый белок казеиноген в нерастворимую форму - казеин.
Липаза (у взрослых людей ее мало) обладает низкой активностью и расщепляет только эмульгированные жиры, например, жиры материнского молока.
Лизоцим, обеспечивающий бактерицидные свойства желудочного сока.
Муцин, содержащийся в желудочной слизи, защищает слизистую оболочку желудка от механических и химических раздражений и от самопереваривания.
Гастромукопротеид - внутренний фактор кроветворения (или внутренний фактор Касла). Только при наличии внутреннего фактора возможно образование комплекса с витамином В12, участвующего в эритропоэзе. В желудочном соке содержатся также аминокислоты, мочевина, мочевая кислота.
Состав и свойства панкреатического сока
Внешнесекреторная деятельность поджелудочной железы заключается в образовании и выделении в двенадцатиперстную кишку 1,5-2,0 л панкреатического сока. В состав поджелудочного сока входят вода и сухой остаток (0,12%), который представлен неорганическими и органическими веществами.
Неорганические вещества: в соке содержатся катионы Na+, Ca2+, K+, Mg2+ и анионы Сl-, SO32-, HPO42-. Особенно много в нем бикарбонатов, благодаря которым рН сока равна 7,8-8,5 (щелочная реакция).
Органические вещества: представлены протеолитическими, липолитическими и амилолитическими ферментами.
Альфа-амилаза расщепляет полисахариды до олиго-, ди- и моносахаридов.
Рибо- и дезоксирибонуклеаза расщепляют нуклеиновые кислоты.
Липаза, активная в присутствии солей желчных кислот расщепляет липиды до моноглицеридов и жирных кислот. На липиды действуют также фосфолипаза А и эстераза. В присутствии ионов кальция гидролиз жиров усиливается.
Протеолитические ферменты секретируются в виде проэнзимов - трипсиногена и др. (химотрипсиногена, прокарбоксипептидазы А и В, проэластазы). С помощью ферментов и автокаталитическим путем превращаются в активные формы. Например, энтерокиназа превращает трипсиноген в трипсин. Трипсин, химотрипсин, эластаза расщепляют преимущественно внутренние пептидные связи белков пищи, в результате чего образуются низкомолекулярные пептиды и аминокислоты.
Состав и свойства кишечного сока
Кишечный сок представляет собой секрет желез, расположенных в слизистой оболочке вдоль всей тонкой кишки (дуоденальных, или бруннеровых, желез, кишечных крипт, кишечных эпителиоцитов, бокаловидных клеток). У взрослого человека за сутки отделяется 2-3 л кишечного сока с рН от 7,2 до 9,0. Сок состоит из воды и сухого остатка, который представлен неорганическими и органическими веществами. Из неорганических веществ в соке содержится много бикарбонатов, хлоридов, фосфатов, натрия, кальция, калия, придающие всему соку резко щелочную реакцию. В состав органических веществ входят белки и аминокислоты. В кишечном соке находится более 20 ферментов, обеспечивающих конечные стадии переваривания всех пищевых веществ. Это энтерокиназа, пептидазы, щелочная фосфатаза, нуклеаза, липаза, фосфолипаза, амилаза, лактаза, сахараза.
Предмет: Химия (для 10 класса).
Педагог: кандидат химических наук из 30-й тамбовской школы О.Г. Четырина.
Тема: Химия и здоровье человека.
Четырина Оксана Геннадьевна,
к.х.н., учитель химии
МАОУ СОШ №30
Химия и здоровье человека
"Широко простирает химия руки свои в дела человеческие", - эта крылатая фраза Михаила Васильевича Ломоносова в настоящее время особенно актуальна. Химия сегодня - это продукты и лекарства, горючее и одежда, удобрения и краски, анализ и синтез, организация производства и контроль качества его продукции, подготовка питьевой воды и обезвреживание стоков, экологический мониторинг и создание безопасной среды обитания человека. Начнём, пожалуй, с медицины, с которой теснейшим образом связана химия. Химики - органики в содружестве с медиками, микробиологами и фармацевтами смогли не только установить строение многих природных соединений, используемых в медицине, но и синтезировать некоторые из них. Наряду с этим химики пошли по пути создания соединений, хотя и отличающихся от природных, но обладающих аналогичным, а часто и более эффективным действием. Более того, были получены новые лекарственные средства, которые не знает природа, но способные излечивать многие болезни. Большую роль в медицине играют синтетические полимерные материалы. Из них делают многое: от одноразовых шприцов до искусственных клапанов сердца. Какие бывают лекарства и почему они лечат? Человек с древних времен для лечения использовал природные средства – отвары и настои трав, мёд, животный жир. Целенаправленным созданием лекарственных препаратов впервые занялись алхимики. В XVI веке сначала арабские алхимики, позже – европейские, пытались создать «эликсир бессмертия». Родоначальником ятрохимии, направлением химии, занимающемся созданием лекарственных средств, считается швейцарский врач Парацельс. В настоящее время фармакология, фармацевтическая химия, занимается созданием не только лекарственных препаратов, но и проводит их качественный и количественный анализ, проверяет подлинность лекарственных средств, степень их очистки от примесей, изучает превращение препаратов в организме. Лекарства бывают разные. Сколько болезней, столько и лекарств. Часто бывает и так, что одно и то же заболевание лечат многими лекарствами. Обычно лекарственные средства классифицируют по их основному лечебному действию. Одни лекарственные средства обладают противомикробным действием (например, сульфаниламидные препараты: например, стрептоцид). С их помощью удается побороть инфекционные заболевания. Другие лекарства помогают снять боль, но не вызывают потери сознания (например, ацетилсалициловая кислота, или аспирин, парацетамол, анальгин и др.). Существуют лекарства, которые воздействуют на сердце и кровеносные сосуды (нитроглицерин, анаприлин, дибазол др.) Получены антигистаминные для лечения аллергических заболеваний, противоопухолевые для лечения злокачественных новообразований и даже психофармакологические препараты, влияющие на психическое состояние человека. В большинстве своем лекарственные препараты редко бывают простыми веществами. Чаще это сложные по химическому строению органические вещества или их смеси. И хотя число лекарственных препаратов огромно, я остановлюсь на самом известном и часто применяемым лекарстве - аспирине. Едва ли найдется человек, который не знаком с аспирином (ацетилсалициловая кислота). Это вещество не обнаружено в природе. Аспирин впервые синтезировал немецкий химик Шарль Герхард в 1853 г. путем химической реакции ацетилирования салициловой кислоты уксусным ангидридом. Однако в течение 40 лет эта реакция не привлекала к себе внимания, и только в 1893 г. другой известный немецкий химик Феликс Хоффманн, работающий в лаборатории фирмы «Байер», подарил миру это замечательное лекарство. Аспирин обладает обезболивающим, жаропонижающим, противоспалительным и противоревматическим действием, снижает вязкость крови, снижает уровень сахара в крови. Аспирин - замечательное лекарство. Но так безвредно ли оно? Заметим, что безвредных лекарств вообще не бывает. Что же касается аспирина, то вы должны знать: его нельзя принимать на пустой желудок. Аспирин может вызвать внутрижелудочное кровотечение, так как кислота раздражает слизистую оболочку желудка. Но если нужно срочно прибегнуть к аспирину, то запейте его хотя бы стаканом молока. Эпоха антибиотиков – мощных препаратов антибактериального действия, началась с момента открытия в 1928 году Александром Флемингом пенициллина. В настоящее время синтезировано большое число лекарственных препаратов на основе пенициллина. Один из них – амоксициллин, эффективный при лечении инфекционных заболеваний органов дыхания, желудочно-кишечного тракта, мочеполовой системы, кожи. Любые антибиотики следует принимать только по назначению врача и в строго указанной дозировке. Дело в том, что антибиотики уничтожают не только болезнетворные бактерии, но и полезную микрофлору кишечника. Происходит разрушение функции печени, почек, нервной системы, развивается гемолитическая анемия. Часто на антибиотики возникает аллергическая реакция. Самое тяжелое проявление аллергии – анафилактический шок, когда в ответ на попадание в организм аллергена быстро падает артериальное давление, происходит угнетение сознания, могут возникнуть судороги. Если вовремя не оказать медицинскую помощь, то может наступить летальный исход. Антибиотики эффективны при борьбе с болезнетворными бактериями, но абсолютно бесполезны и даже вредны при лечении вирусных заболеваний, таких как грипп. Для лечения вирусных заболеваний используют лекарственные препараты, усиливающие иммунитет человека. Одним из таких препаратов является интерферон – препарат белковой природы, выделяемый из донорской крови. При его применении может возникнуть реакция на чужеродный белок. Его нельзя принимать человеку, недавно перенесшему инфаркт миокарда, страдающему эпилепсией. Не рекомендуется применение интерферона беременным и кормящим женщинам, а также детям в возрасте до 1 года. Полимеры в медицине Медицина давно и с успехом использует различные полимерные материалы. Особенно часто их применяют в хирургии. Полимеры используют при операциях на костях и суставах, при закрытии дефекта черепа, восстановлении суставным связок, сухожилий и т.д. Из полимеров изготавливают различные протезы внутренних органов - кровеносных сосудов, пищевода, желчных протоков, клапанов сердца и др. С помощью пластиков исправляют отдельные дефекты лица - заменяют части носа, ушной раковины, глазницы. При операциях на кровеносных сосудах применяют материал из лавсана, пропилена, капрона и кремнийорганических полимеров. При этом сосудистый протез «врастает» в ткани организма, выполняя роль своеобразного каркаса, на котором формируется новая стенка сосуда. Особенно широко применяют полимерные материалы в стоматологии для изготовления искусственных зубов и протезов. Для этого наиболее подходящими материалами оказались полиакриловые полимеры, которые хорошо окрашиваются под цвет собственных зубов и десен, не поглощают остатков пищи и не доступны для микробов. В то же время они достаточно эластичны и прочны. Хорошая совместимость полиакрилового пластика с соединительной тканью позволяет применять его и для исправления крупных дефектов черепа. В последнее время с этой целью стали использовать фторпласт. Биологически инертные кремнийорганические соединения применяют для создания искусственного хрусталика глаза. В качестве заменителей человеческой крови применяют синтетические кровезаменители - высокомолекулярные химические соединения, которые по своим физическо-химическим свойствам близки к плазме крови (поливиниловый спирт, поливинилпиролидон). Как известно, потеря человеком половины крови вызывает смерть. Но это происходит не из-за потери эритроцитов, а в результате падения кровеносного давления. Кровообращение замедляется, температура тела падает, нарушается обмен веществ, наступает кислородное голодание центральной нервной системы. Это приводит к остановке дыхания и сердца. Кровезаменяющие жидкости восполняют временно недостающую кровь, поддерживают необходимое давление крови. Но к сожалению, кровезаменители не могут связывать кислород. Поэтому сейчас идут поиски таких кровезаменителей, которые могли бы связывать кислород и доставлять его к клеткам организма, а обратно - оксид углерода (IV). Среди полимеров - кровезаменителей появились и такие которые не только заменяют на короткое время кровь, но и лечат. В молекулы этих соединений введены вещества для лечения туберкулеза, склероза; получены сочетания полимеров - кровезаменителей с антибиотиками, с противораковыми препаратами. Образуя устойчивые водные растворы, они совмещаются с кровяной плазмой и не оказывают на живой организм отрицательного воздействия. Так решается задача использования полимеров в качестве пролонгатов - средств, продлевающих действие лекарств. Полимерные материалы применяют для упаковки лекарственных препаратов и создания сложным медицинских приборов (аппараты «искусственное сердце» - АИК, «искусственные легкие», «искусственная почка» и др.). Медицинскую практику вошли и заняли достойное место шприцы одноразового пользования. А разве можно не упомянуть о хирургическом шовном материале, который легко стерилизуется, а после операции бесследно рассасывается в тканях организма? Ассортимент полимерных материалов, используемых в медицине, с каждым годом расширяется. Это полиэтилен низкого давления, пенополиуретан, полипропилен, эпоксидные, полиэфирные и кремнийорганические полимеры. Нашли применения и специальные клеи, которые при хирургическом вмешательстве могут склеивать ткани, заменяя шовный материал. Не отказались в медицине и от резины: от резиновой грелки до специальной резиновой надувной кровати для больных обширными ожогами. Полимеры в сельском хозяйстве Сельское хозяйство в последние годы потребляет различные полимерные материалы в довольно больших количествах. Например, пленочные материалы широко используют при сооружении теплиц и парников. Их также применяют при силосовании кормов, сооружении каналов и водоемов в качестве противофильтрационных материалов. Для орошения теплиц и парников, транспортировки жидких удобрений и ядохимикатов, устройства систем водоснабжения используются трубы и шланги, которые также изготовлены из полимеров. Такие трубы можно применять и для орошения полей и обводнения пастбищ. Полимерные материалы применяют при изготовлении поилок для птиц, ленточных транспортеров. Из полимерных материалов делают различные детали сельскохозяйственных машин, работающих в условиях воздействия агрессивных сред, солнечной радиации, атмосферных осадков. Полиэтиленовые мешки для транспортировки минеральных удобрений отличаются от бумажной большей долговечности и надежностью. Более долговечны различные виды тары и емкости. Сельскохозяйственное строительство использует изделия из пластмасс для возведения капитальных сооружений. Для этого используют стеклопластик на основе фенолформальдегидных полимеров. В результате не только в несколько раз сокращается расход древесины, цемента и стали, но и значительно возрастает долговечность построек. Этот материал идет на изготовление различных строительных предметов, гидроизоляционных материалов и санитарно-технического оборудования. Таким образом, стеклопластик претендует на видную роль в строительстве и обещают серьезно потеснить традиционные материалы - дерево, камень, сталь и бетон. Перспективным направлением может оказаться применение полимеров в качестве препаратов, улучшающих структуру почв. Органическая химия и пищевая промышленность Органическая химия уже давно нашла применение в пищевой промышленности. Уже сейчас человек задумывается над тем, как более продуктивно получать равноценную пищу из других источников. И это уже удается ученым - химикам и биологам. Оказывается, белок можно получать даже из углеводородов нефти! Наверное, вы слышали, что во многие пищевые продукты добавляют различные химические вещества. Одни из них придают пище более привлекательный вид, другие - приятный запах, третьи - вкус. Эту роль выполняют специальные органические добавки, которые не только справляются с этой задачей, но и улучшают натуральные продукты питания. Такими добавками могут быть как индивидуальные вещества, так и сложная смесь, состоящая из десятков различных органических соединений. Чаще всего это эфирные масла, сложные эфиры, некоторые спирты, альдегиды, кетоны, а также углеводороды. Приведем только некоторые соединения, обладающие соответствующим запахом: СН3-СООСН2-СН2-СН(СН3)2 - изопентилацетат (запах бананов); С3Н7-СООС2Н5 - этилбутират (запах ананасов); СН2=СН-СН2-S-S-CH2CH=CH2 - диаллилдисульфид (запах чеснока). Однако запахи отдельных продуктов являются чаще всего результатом сложения запахов смеси органических соединений. Так, в аромате свежеиспеченного хлеба найдено 159 веществ, а фурфурилметилдисульфид - одно из них, хотя и основное. В пищевой промышленности применяются различные органические кислоты: уксусная, лимонная молочная, адипиновая, яблочная. В колбасные изделия добавляют для улучшения вкуса мононатриевую соль глутаминовой кислоты. Среди органических соединений особенно много таких, которые обладают сладким вкусом. Из них наиболее известна сахароза. Но сахароза не самое сладкое вещество. Например, фруктоза слаще ее на 73%, ксилит - вдвое, а сахарин - в 500 раз! Для улучшения внешнего вида продуктов питания используют различные органические красители, главным образом природные, например, красный краситель, содержащийся в вишне, смородине и бруснике - цианидин и близкий ему по строению, придающий красный цвет ягодами земляники - пеларгонидин. Существуют также и другие добавки, которые, помимо всех перечисленных выше свойств, могут выполнять не менее важную роль - сохранять долго продукты, препятствовать их окислению. И большинство из этих веществ - органические соединения. Органическая химия и косметология Наряду с традиционными областями приложения сил специалистов-химиков, все большее значение в жизни общества приобретает разработка различных косметических средств. Каждый день нам предлагают множество различных средств для достижения совершенства. Реклама по телевизору и на уличных стендах не оставляет равнодушным прекрасную половину человечества к ежедневным новинкам. Но, приобретая косметику, в большинстве случаев, мы не понимаем, что держим в руках. Люди, выкладывая неоправданно большие деньги за красивую упаковку, красивые обещания (т.е. за хорошую работу рекламных компаний) надеются получить товар соответствующего данной цене качества или свойств. К сожалению, зачастую бывает, что такие ожидания не оправдываются - в лучшем случае средство просто не обладает данными свойствами, в худшем, можно нанести серьезный вред здоровью и внешнему виду. Все ингредиенты, присутствующие в косметических средствах, можно разделить на 2 категории:- Натуральные - мёд, молоко, воск, экстракты определенных лекарственных растений, некоторые жиры и масла.
- Комбинированные: антиоксиданты (питательные вещества, к ним относятся селен, цинк, витамины А, С, Е, ОРС), консерванты, эмульгаторы, эмоленты (вещества, смягчающие кожу), отдушки, загустители и т.д.
- Горчица отлично обезжиривает поверхность, хорошо смывается водой. Для экономичного мытья лучше покупать горчичный порошок. Насыпать немного на тарелку, смочить водой, промыть губкой. Тарелка становится чистой и обезжиренной.
- Сода, универсальное чистящее, жироудаляющее и водосмягчающее средство. Сода применяется для чистки стальных и пластиковых изделии, очистки и придания свежести холодильника, мытья посуды, для чистки ковров и ковролина, для удаления жира.
- Что касается забытого нами хозяйственного мыла, это наиболее натуральная продукция современной бытовой химии. На брусках хозяйственного мыла можно увидеть цифры, например, «мыло хозяйственное 72». Они означают процент содержания в бруске жирных кислот. От них зависит эффективность и так называемая «мылкость». Из хозяйственного можно изготовить пасту для чистки поверхности на кухне, в ванной комнате и мытья кухонной посуды, а также гель для стирки белья.
- Пожалуй, главной альтернативой стиральному порошку в современных машинах остается мыльный орех. Плод мыльного дерева. Мыльное дерево - бундук двудомный, его родина Америка. Плод по форме напоминает вареник. Внутри одно - два семечка диаметром около 1 см, сплюснутые по полюсам. Все пространство внутри «вареника» заполнено приятного оттенка зеленой загустевшей массой - типа жидкого мыла. Растение бобовое, по внешнему виду немного напоминает белую акацию. Стручки висят на нем круглый год. Прекрасно смывает жир, можно мыть и голову. Но в нашей стране он не так доступен, как хотелось бы.
