загрузка...
загрузка...
На головну

Гетерогенність РІВНОВАГИ В ЖИВИХ СИСТЕМАХ

  1. Автосинхронизация процесів в суперсистемах
  2. Аналіз взаємодії різних ринків на основі теорії загальної рівноваги
  3. У розподіленіх корпоративних системах
  4. в системах електропостачання.
  5. Взаємодія програм в інформаційних системах (ІС)
  6. Можливості використання нових інформаційних технологій в системах організаційного управління
  7. Гетерогенність ПРОЦЕСИ В СИСТЕМАХ

В організмі людини найбільш важливі гетерогенні процеси за участю неорганічних сполук протікають насамперед при утворенні кісткової тканини, а також різного виду каменів при нирковій і жовчнокам'яної хворобах.

Освіта нерозчинних сполук починається з плазми крові. У плазмі крім компонентів Н2СО3 і НСО3, Н2Р04 і НРО4 (2), що забезпечують кислотно-основну рівновагу, містяться катіони Са2+, Аніони молочної кислоти (лактати), а також білки. Ці компоненти беруть участь в утворенні малорастворимого гидрофосфата кальцію СаНРС> 4 і в процесах комплексоутворення. Загальна концентрація іонів кальцію в плазмі становить 2,5 - 10-3М, з них 40% пов'язані в комплекс з білками, 14% - в комплекс з лактату і цитратами і 46% знаходяться у вільному ионизованном стані. Концентрація вільних іонів Са2+ в плазмі крові становить 1,1 - 10-3 М, а іонів НРО | ~ (при рН = 7,4) - 2,9 - 10-4М, т. Е. Плазма крові є злегка пересиченим розчином СаНР04 : З (Са2+) Х х с (НРО4 (2)) = 1,1 1 (10-3 - 2,9 - 10-4= 3,2 * 10-7 > Кs = 2,7 - 10-7. Отже, в плазмі крові може відбуватися утворення малорастворимого СаНР04, Але процес його кристалізації обмежується утворенням ультрамікрокрісталлов розміром 10-9-10-7м, які стабілізуються кальцієвими і фосфатними іонами, а також білками, т. е. осад знаходиться в колоїдному стані (розд. 27.2). колоїдний СаНР04 знаходиться в динамічній рівновазі з неорганічними іонами плазми крові.

Особливості утворення кісткової тканини. У клітинах кісткової тканини остеобластів, інтенсивно омиваються кров'ю, відбувається мінералізація - кінцевий етап утворення кісткової тканини. Основним мінеральним компонентом кісткової тканини є гідроксіфосфата кальцію Са5(Р04)3ВІН (Ks = 1,6 * 10-58), Який часто називають гідроксиапатиту. Освіта кісткової зі Чи можна відобразити загальним рівнянням:

Це рівняння не передає всі проміжні стадії осадження різних фосфатів кальцію, що лежать в основі формування кісткової тканини в організмі. У той же час воно переконливо показує, що лужність середовища (в остеобластів рН = 8,3) і підвищена концентрація фосфат-іонів, що виникає в остеобластів внаслідок гідролізу складних ефірів фосфорної кислоти і вуглеводів за участю лужноїфосфатази, сприяють утворенню гідроксіфосфата кальцію. Кристалізація Са5 (РO4) 3ОН відбувається на органічній матриці - білку коллагене, активні групи якого, взаємодіючи з іонами кальцію і фосфатів, сприяють утворенню правильно організованих ядер кристалізації, навколо яких кристалізується кісткова сіль. Таким чином, формування кісткової тканини в остеобластів відбувається в результаті контрольованого колагеном процесу кристалізації гідроксиапатиту з іонів кальцію і фосфатів і за участю гетерополісахарідов - хондроїтин-сульфатів, званих також кислими мукополисахаридами (розд. 22.3.2). Хондроітінсульфати в комплексі з колагеном пов'язують катіони кальцію і фосфат-аніони, а при відділенні від колагену віддають йому ці іони.

Поряд з кристалічним гідроксиапатиту в поверхневих шарах кістки утвориться деяка кількість аморфного фосфату кальцію (Са3 (Р04) 2), більш розчинної солі (Ks = 2,0 * 10-29), Яка поступово перетворюється в гідроксиапатит. Тому з віком вміст аморфного фосфату кальцію в кістковій тканині зменшується. Вважають, що аморфний фосфат кальцію є лабільним резервом іонів кальцію і фосфатів в організмі. Клітини кісткової тканини внаслідок локальних змін рН середовища, концентрації іонів кальцію і фосфатів, активності ферментів лужної фосфатази і пірофосфатази, а також комплексообразующих властивостей середовища, що містить лактати, цитрати і білки, можуть легко прискорювати процеси або мінералізації, що протікає в остеобластів, або демінералізації, що здійснюється в остеокластах. Розчинення кісткової тканини, перш за все за рахунок аморфного Са3 (Р04) 2, відбувається в області облямівки остеокластів, чому сприяє локальне підвищення кислотності середовища і концентрації лактатів, цитратів і білків, які ефективно пов'язують іони кальцію в результаті комплексоутворення. При невеликому підвищенні змісту протонів кістка починає розчинятися, віддаючи спочатку катіони кальцію:

 
 

а при більшій кислотності середовища відбувається її повний розпад:

Ці процеси можуть легко протікати з зубами. У порожнині рота в результаті життєдіяльності бактерій утворюються досить сильні кислоти: пировиноградная, молочна, бурштинова, - які руйнують зуби не тільки внаслідок підвищення кислотності середовища, а й в результаті зв'язування катіонів кальцію в стійкі комплексні сполуки.

Структура кісткової тканини забезпечує досить легкий обмін іонами між поверхнею скелета і оточуючими тканинними рідинами, особливо якщо врахувати, що поверхня кісткового скелета людини сягає 2000 км2. Щодня з кісток скелета йде і повертається в нього 700-800 мг кальцію. Повна перебудова кісткової тканини людини відбувається приблизно кожні 10 років. При збільшенні концентрації вільних іонів Са2+ в плазмі крові рівновагу зсувається, це призводить до відкладення кальцію в кістковій тканині. При зниженні концентрації іонів Са2+ в плазмі крові спостерігається розчинення мінеральних компонентів кісткової тканини. Наприклад, при рахіті через недостатність всмоктування іонів Са2+ з шлунково-кишкового тракту або при вагітності, коли формується скелет плода, концентрація іонів Са2+ в плазмі крові у хворого або у вагітної підтримується не тільки за рахунок надходження іонів Са2+ з їжею, а й за рахунок кісткової тканини. Таким чином, кісткову тканину можна розглядати як кальцієвий буфер.

Основними регуляторами кальцій-фосфорного обміну в організмі людини є вітамін D і гормони паратирин и кальцитонін. Вітамін D регулює процеси всмоктування іонів кальцію і фосфатів з кишечнику, а паратирин і кальцитонін - процеси їх депонування в кістковій тканині і виведення через нирки. Завдяки взаємодії регуляторів підтримується постійна концентрація цих іонів в сироватці крові, міжклітинної рідини і тканинах.

Кісткова тканина містить в невеликих кількостях катіони практично всіх металів, що зустрічаються в нашому організмі, виконуючи функцію мінерального депо. У помітних кількостях в кісткову тканину включаються всі елементи групи IIA, з яких катіони берилію і стронцію призводять до біологічних змін. Навіть невелика кількість берилію в навколишньому середовищі викликає бериліоз (берилієвий рахіт), який супроводжується витісненням іонів Са2+ іонами Ве2+ з кісток і їх розм'якшенням внаслідок меншого радіуса іона Ве2+.

Іони стронцію також здатні заміщати іони Са2+ в кістках, але внаслідок більшого радіусу іона викликають ламкість кісток (Стронцієвий рахіт). Це ендемічне захворювання характерно для регіонів з підвищеним вмістом стронцію в грунті. Особливу небезпеку становить радіоактивний ізотоп стронцій-90, який, осідаючи в кістках, опромінює кістковий мозок і порушує костномозговое кровотворення.

З аніонів кісткова тканина містить також карбонат і фторид. Останній входить до складу зубної емалі у вигляді фторид-фосфату кальцію Са5 (Р04) 3F. Заміна гідроксид-аніону на фторид-аніон значно підвищує твердість і стійкість зубної емалі до розчинення. Іншим фізико-хімічним чинником, що захищає зуби від руйнування, є підвищена концентрація іонів кальцію в слині.

Особливості процесу каменеутворення. В організмі людини іони Са2+ можуть утворювати різні малорозчинні сполуки, які називають камінням. Каменеутворення - складний фізико-хімічний процес, в основі якого лежить не тільки освіту малорозчинних сполук, а й порушення колоїдного рівноваги в тканинах організму (розд. 27.2). Порушення колоїдного рівноваги викликається зменшенням товщини захисного шару з іонів стабілізатора і білкової захисту навколо ультрамікрокрісталлов з'єднання, що призводить до їх злипання з утворенням більш великих кристалів. Таким чином, формування каменів відбувається з колоїдних частинок в результаті процесу коагуляції.

Нирковокам'яна хвороба пов'язана з освітою в сечових органах каменів різного складу. При підвищенні концентрації сечової кислоти утворюються її малорозчинні солі -урати кальцію. Їх утворення сприяє кисле середовище сечі (рН <5). У лужній сечі (рН> 7) можуть утворюватися малорозчинні фосфати кальцію. Малорозчинні оксалати кальцію можуть зустрічатися як в кислому, так і в лужній сечі. Розміри каменів варіюють від дуже дрібних (пісок) до величини великого яйця.

Основним принципом лікування нирковокам'яної хвороби є розчинення каменів за рахунок вилучення з них іонів кальцію комплексоутворювачами: етилендіамінтетраоцтової кислотою і її сіллю трилоном Б, а також лимонною кислотою і її солями. У народній медицині для зв'язування катіонів кальцію і зменшення відкладення солей використовують лимони. Хворим з уратних каменями призначають молочно-рослинну дієту, оскільки вона ощелачивает сечу, що перешкоджає росту уратних каменів. З метою їх розчинення призначають цитрати калію або натрію. При фосфатних каменях рекомендують кислі мінеральні води і трилон Б для їх розчинення. При наявності каменів з оксалату кальцію використовують лужні мінеральні води і трилон Б. У початковій стадії сечокам'яної хвороби корисні відвари і настої лікарських рослин, які містять речовини, які відіграють захисну роль, так як перешкоджають злипанню ультрамікрокрісталлов майбутніх каменів.

Жовчнокам'яна хвороба пов'язана з освітою холестеринових каменів, билирубината кальцію, а також карбонату кальцію. Відкладення карбонату кальцію може відбуватися на стінках кровоносних судин, викликаючи кальциноз.

Майбутньому лікарю необхідно розуміння закономірностей освіти і розчинення малорозчинних солей для профілактики і лікування різних захворювань, що викликаються порушеннями мінерального обміну в організмі людини.

Процеси виділення і розшарування в медико-біологічної практиці.Важливу роль в медико-біологічної практиці відіграють гетерогенні процеси з виділенням биосубстратов, перш за все білків, з біологічних рідин. Водні розчини білків досить стійкі; їх стабільність обумовлена ??двома основними факторами: наявністю навколо білкової молекули стійкою гідратної оболонки, що складається зі структурованого (щільного) і деструктурованого (пухкого) водних шарів, а також наявністю у білка заряджених груп (-С00-, -NH3 (+)). Для виділення з розчину необхідно перш за все зменшити гідрофільність білка шляхом руйнування його гідратної оболонки або зміни змісту і характеру його заряджених груп. Процеси виділення білків дуже різноманітні, проте їх можна розділити на дві групи.

1. Оборотні процеси виділення, при яких виділяються (обложені) білки не піддаються глибокі зміни і тому можуть бути знову розчинені у воді. Молекули білка при цьому не піддаються помітною денатурації (розд. 21.4) і зберігають свої початкові нативні властивості (ферментативну активність, антигенні властивості). До оборотних процесів виділення (осадження) білка відносяться: висолювання за допомогою насичених розчинів добре розчинних солей (Na2S04, (NH4) 2S04, MgS04, NaCl) і спосіб заміни розчинника (додавання до водного розчину білка великих кількостей спирту або ацетону). У цих випадках молекули додаються агентів гидратируются і тим самим сприяють руйнуванню гідратної оболонки навколо білка. При цьому самі агенти не вступають з білком в хімічну взаємодію і не впливають на зміст і характер його заряджених груп. Поступове додавання агента дозволяє Фракціоновані білки по їх молекулярній масі, тому що чим більше молекулярна маса білка, тим легше він виділяється з розчину (розд. 7.3).

2. Практично незворотні процеси виділення білка, коли білки при виділенні зазнають глибокі зміни структури, денатурируют, втрачають свої нативні властивості і не можуть бути знову розчинені у воді. В основі необоротних процесів виділення білка лежить не тільки його дегідратація, але і взаємодія з додаються реагентами; такі процеси називають реагентної обробкою.

 Необоротне осадження білка з розчинів відбувається при додаванні солей важких металів. Іони ряду важких металів: міді, срібла, ртуті, цинку, свинцю, - взаємодіючи з полярними групами білків, порушують систему різних видів внутрішньо-і міжмолекулярних взаємодій білкової молекули і утворюють нерозчинні комплекси. Особливо ефективно осаджують білки солі срібла і ртуті. Токсична дія іонів важких металів засноване переважно на їх комплексообразовании з білками, яке супроводжується денатурацією останніх.

Концентровані мінеральні кислоти (азотна, соляна, сірчана) і розчини сильних органічних кислот (трихлоруксусная, сульфосаліцилова) викликають осадження білка не тільки за рахунок дегідратації білкових молекул, а й за рахунок протонування їх груп, які виявляють основні властивості (-С00-, -NH2) , які при цьому змінюють свій заряд:

Це призводить до зміни внутрішньо-і міжмолекулярних взаємодій білкової молекули і її денатурації. В надлишку сірчаної та соляної кислот, а також при тривалому їх впливі випав осад денатурованого білка може розчинитися, ймовірно, через часткового гідролізу. В надлишку азотної кислоти та органічних кислот подібного розчинення не спостерігається. Сильні кислоти, особливо трихлороцтової кислота (CCI3COOH), яка не осаджує продукти розпаду білка і амінокислоти, часто використовуються для повного видалення білка з біологічних рідин.

Для незворотного осадження білка застосовують також водні розчини фенолу і формальдегіду (формалін). Ці реагенти активно вступають в хімічну взаємодію з молекулами білка, змінюють їх склад, структуру і зменшують розчинність. Від дії фенолу осад випадає швидше, а при додаванні формаліну він утворюється повільно. Дезинфікуючу дію фенолу і формаліну засноване на денатурації білків мікроорганізмів.

Процеси висолювання, заміни розчинника і реагентної обробки лежать в основі виділення не тільки білків, але і інших биосубстратов: нуклеїнових кислот, полісахаридів і їх комплексів з білками і ліпідами.

Необоротне осадження білків з розчину відбувається при нагріванні вище 50 ° С внаслідок руйнування гідратної оболонки і змін у внутрішньо-і міжмолекулярні взаємодії, що призводять до втрати гидрофильности білків і до їх денатурації. Важливу роль в осадженні білків відіграють концентрація водневих іонів (рН) і присутність солей. Найбільш повне і швидке осадження відбувається з розчину з рН, відповідним ізоелектричної точці білка (розд. 21.4). У сильнокислому і лужних розчинах білок не випадає в осад навіть при кип'ятінні, тому що він набуває відповідно сильно позитивний або сильно негативний заряд, що перешкоджає асоціації його однойменно заряджених частинок і сприяє гідролізу білка в цих умовах.

Досить концентровані водні розчини білків і полісахаридів при додаванні до них сторонніх розчинних речовин схильні до розшарування з утворенням двох змішуються рідин. Одна з цих рідин - насичений розчин води в біополімерів, а інша - насичений розчин біополімеру в воді. Подібний процес називається коацерваціей (Розд. 27.3.4). Коацервація відбувається через гідратації молекул доданого речовини, яка призводить до часткового руйнування гідратних оболонок навколо розчинених макромолекул і зменшення їх гідрофільності. Це сприяє взаємодії макромолекул з виникненням ассоциатов, що мають загальну гідрадну оболонку, і з відшаруванням утворився насиченого розчину води в біополімерів у вигляді нової змішується рідини, званої коацерватами. Коацервати розглядаються як зародки найпростіших форм життя, так як коацервація є однією з стадій впорядкування речовини.

Внутрішньоклітинні рідини не містять вільної води і є термодинамічно нерівноважних водними системами, тому їх слід віднести до пересиченим розчинів, псевдоравновесное стан яких підтримується завдяки динамічності живої клітини. При попаданні в клітину сторонніх сполук відбувається гідратація їх молекул в основному за рахунок "деструктуріровать" води гідратних оболонок внутрішньоклітинних биосубстратов. В результаті зменшується співвідношення "деструктуріровать" / "структурована" вода, що призводить до руйнування існуючих гідратних оболонок навколо клітинних компонентів і може сприяти розшаруванню системи і появи нового кордону розділу фаз. Розшарування, т. Е. Відділення будь-яких клітинних компонентів від внутрішньоклітинної рідини, відразу призводить до припинення процесів, що протікають за участю цих компонентів, а отже, до різкої зміни біологічних функцій клітини.

Ілюстрацією застосування описаного явища може служити анестезуючий ефект хімічно досить інертних речовин, таких як діетиловий ефір (С2Н5) 20, хлороформ CHCI3, закис азоту N2O, фторотан СFзСВгСlH, ксенон. Відповідно до гіпотези Л. Полінга (1961), розвиненою новосибірської школою академіка А. В. Миколаєва і професора І. І. Яковлєва, молекули цих речовин, потрапляючи в клітини головного мозку, гидратируются за рахунок "неструктурованою" води і створюють навколо себе гідрадну оболонку з "структурованої" води. Це, мабуть, призводить до руйнування гідратної оболонки мем-брановистілающіх білків, зменшуючи їх гідрофільність. В результаті вони відшаровуються, а з'явилася нова межа розділу порушує іонну провідність міжклітинної мембрани. Це викликає втрату чутливості клітин мозку до нервових імпульсів від больових точок, т. Е. До анестезії. При припиненні подачі цих речовин вони дифундують з клітки, і стан внутрішньоклітинної водної системи відновлюється, в ній зникає розшарування, а отже, і ефект анестезії. Таким чином, відповідно до наведеної гіпотезі неспецифічної дії, анестетики - речовини, у присутності яких відбувається оборотне розшарування водного середовища в биосистемах, яке зникає при їх видаленні.

Гіпотеза фазових переходів в биосистемах, викликаних перебудовами в структурі гідратних оболонок биосубстратов і пов'язаних з процесами розчинення і розшарування, може допомогти більш детально розібратися в механізмі дії антитіл, наркотиків і отрут. Дія цих речовин зазвичай пояснюється добре розробленими теоріями: "ключа і замка", конкурентного гальмування і іншими. Але ці теорії звертають увагу тільки на специфічну взаємодію між активним фрагментом (замок) біосубстратах з активним центром (ключ) діючої речовини, а інша частина його молекули розглядається тільки як фрагмент, що забезпечує підведення її до місця дії. У той же час ця частина молекули обов'язково впливає на стан гідратних оболонок близько розташованих компонентів клітини, що може привести до їх розшарування і тим самим різко збільшити ефект впливу цих речовин на організм. Таким чином, знання і розуміння закономірностей протікання гетерогенних процесів в біологічних системах розширює фізико-хімічну основу для пояснення фізіологічних процесів, що протікають в живих організмах в присутності сторонніх речовин.


 
 



Попередня   164   165   166   167   168   169   170   171   172   173   174   175   176   177   178   179   Наступна

ХІМІЧНИЙ ЗВ'ЯЗОК У КОМПЛЕКСНИХ З'ЄДНАННЯХ І ОСОБЛИВОСТІ ЇХ БУДОВИ | Хімічні властивості КОМПЛЕКСНИХ СПОЛУК | Освіта комплексних сполук | СОЕДИНЕНИЙ | МЕТАЛЛОЛІГАНДНИЙ БАЛАНС ТА ЙОГО ПОРУШЕННЯ | комплексонометрія | ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ І Теоретичні основи | Гетерогенність РІВНОВАГИ В РОЗЧИНАХ, ПОВ'ЯЗАНІ З ПРОЦЕСОМ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ | Умови зміщення іонного гетерогенного рівноваги. | Послідовність осадження іонів |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати