Катализ. Применение в медицине. Кинетика

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОУ ДВГМУ

Кафедра Химии

Реферат по теме:

"Катализ. Применение в медицине. Кинетика"

Выполнила: Козырева Наталья Алексеевна

101 группа. лечебный факультет

Проверила: Сапожникова Елена Михайловна

Хабаровск - 2012г

Содержание

1) Химическая кинетика

2) Катализ

3) Основные закономерности катализа

4) Виды катализа

5) Ферментативный катализ

6) Применение в медицине

7) Значение в решении проблемы восстановления здоровья

Список литературы

1. Химическая кинетика

Химическая кинетика - раздел физической химии, изучающий закономерности протекания химических реакций во времени, зависимости этих закономерностей от внешних условий, а также механизмы химических превращений.

Кинетика устанавливает временные закономерности протекания химических реакций, связь между скоростью реакции и условиями ее проведения, выявляет факторы, влияющие на скорость и направление химических реакций.

Изучить механизм сложного химического процесса - означает выяснить, из каких элементарных стадий он состоит и каким образом элементарные стадии связаны друг с другом, какие образуются промежуточные продукты и т. п.

Важной задачей кинетики химической является изучение элементарных реакций с участием активных частиц: свободных атомов и радикалов, ионов и ион-радикалов, возбужденных молекул и др.

Используя результаты кинетических исследований и изучения строения молекул и химических связей, кинетика химическая устанавливает связь между строением молекул реагентов и их реакционной способностью.

Для изучения кинетики химических реакций широко используются разнообразные методы химического анализа продуктов и реагентов,

Для изучения превращения отдельных фрагментов молекулы используют реагенты с изотопными метками, оптически активные реагенты, воздействуют на систему лазерным излучением. При изучении цепных и не цепных радикальных реакций используют акцепторы свободных радикалов и вещества-ловушки свободных радикалов.

2. Катализ

Катализ - процесс, заключающийся в изменении скорости химических реакций в присутствии веществ, называемых катализаторами.

Каталитические реакции - реакции, протекающие в присутствии катализаторов. кинетика катализатор ферментативный медицина

Вещества, которые увеличивают скорость химической реакции, оставаясь при этом в результате суммарной реакции в неизменном количестве, называются катализаторами.

Многие важнейшие химические производства, такие, как получение серной кислоты, аммиака, азотной кислоты, синтетического каучука, ряда полимеров и др., проводятся в присутствии катализаторов.

Имеется много различных типов катализаторов и много различных механизмов их действия. Катализатор проходит через циклы, в которых он сначала связывается, затем регенерируется, снова связывается и так многократно. Катализатор дает реакции возможность протекать по другому пути, причем с большей скоростью, чем это происходит в отсутствии катализатора. Скорость может возрастать за счет снижения энергии активации, увеличения предэкспоненциального множителя или за счет обоих факторов.

Катализатор одновременно ускоряет и прямую и обратную реакцию, благодаря чему константа равновесия суммарной реакции остается неизменной. Если бы это было не так, то можно было бы сконструировать вечный двигатель, используя катализатор для регенерации вещества.

3. Основные закономерности катализа

1. Катализатор активно участвует в элементарном акте реакции, образуя либо промежуточные соединения с одним из участников реакции, либо активированный комплекс со всеми реагирующими веществами. После каждого элементарного акта он регенерируется и может вступать во взаимодействие с новыми молекулами реагирующих веществ.

2. Скорость каталитической реакции пропорциональна количеству катализатора.

3. Катализатор обладает избирательностью действия. Он может изменять скорость одной реакции и не влиять на скорость другой.

4. Катализатор дает реакции возможность протекать по другому пути, причем с большей скоростью, чем это происходит в отсутствии катализатора.

Скорость может возрастать за счет снижения энергии активации, увеличения предэкспоненциального множителя или за счет обоих факторов. Например, термическое разложение ацетальдегида СН 3СНО СН 4 + СО катализируется парами йода, что вызывает снижение энергии активации на ~55 кДж/моль. Это снижение вызывает увеличение константы скорости примерно в 10000 раз.

5. При добавлении некоторых веществ, называемых промоторами, активность катализатора растет; добавление ингибиторов уменьшает скорость реакции.

4. Виды катализа

Гомогенный катализ - катализ, при котором катализатор находится в одной фазе с реагирующими веществами.

Главным предположением теории гомогенного катализа является представление о том, что в ходе реакции образуются неустойчивые промежуточные соединения катализатора с реагирующими веществами, которые затем распадаются с регенерацией катализатора:

A + B + K = (A-B-K)* D + K

Типичными гомогенными катализаторами являются кислоты и основания (участвуя в реакции, сами не расходуются - реакции гидролиза, алкилирования, этерификации и др.)

Гетерогенный катализ - катализ, при котором катализатор образует самостоятельную фазу, отделённую границей раздела от фазы, в которой находятся реагирующие вещества.

Поскольку процесс идет на поверхности, знание строения поверхности катализатора оказывается решающим для развития теории катализа. Отсюда вытекает тесная связь развития теории катализа с развитием экспериментального и теоретического изучения адсорбции. Сложность гетерогенных процессов, присущая им специфичность, приводят к тому, что теоретические исследования в этой области сегодня еще не завершены.

Адсорбция - процесс самопроизвольного изменения концентрации вещества на поверхности раздела фаз. Вещество, на поверхности которого идет процесс адсорбции, называют адсорбентом. Адсорбирующееся вещество называют адсорбатом. В гетерогенном катализе адсорбентом является катализатор, а адсорбатом - молекула реагирующего вещества (субстрата). Адсорбция субстрата на катализаторе может осуществляться за счет сил взаимодействия, возникающих между молекулами (атомами) катализатора, находящимися на поверхности, и молекулами субстрата.

В качестве гетерогенных катализаторов применяются металлы, их оксиды и сульфиды.

Для каждого типа реакций эффективны только определённые катализаторы.

Кроме уже упомянутых кислотно-основных, существуют катализаторы окисления-восстановления; для них характерно присутствие переходного металла или его соединения (Со+3, V2O5+, MoO3). В этом случае катализ осуществляется путём изменения степени окисления переходного металла.

Много реакций осуществлено при помощи катализаторов, которые действуют через координацию реагентов у атома или иона переходного металла (Ti, Rh, Ni). Такой катализ называется координационным.

В современной науке и технике часто применяют системы из нескольких катализаторов, каждый из которых ускоряет разные стадии реакции. Катализатор также может увеличивать скорость одной из стадий каталитического цикла, осуществляемого другим катализатором. Здесь имеет место "катализ катализа", или катализ второго уровня.

Катализатором может являться один из продуктов реакции. В этом случае реакцию называют автокаталитической, а само явление - автокатализом.

В биохимических реакциях роль катализаторов играют ферменты.

5. Ферментативный катализ

Ферменты являются наиболее удивительными катализаторами. С ними связано множество реакций в живых организмах, и поэтому их часто называют биологическими катализаторами. Ферментативный катализ - явление более сложное, чем обычный катализ. Высокая организованность процессов ферментативного катализа определяется особенностью взаимодействия в живом организме, связанной с особым сочетанием молекулярного строения ферментов и субстратов, которыми в ферментативных реакциях называют реагирующие вещества.

Ферменты представляют собой белки, т.е. состоят из аминокислот, связанных пептидными связями.

Первичная структура фермента обусловлена порядком чередования различных аминокислот. В результате теплового хаотического движения макромолекула фермента изгибается и свертывается в рыхлые клубки. Между отдельными участками полипептидной цепи возникает межмолекулярное взаимодействие, приводящее к образованию водородных связей. Возникает вторичная структура фермента в форме рыхлой среды. Для каждого фермента вторичная структура вполне определенна.

В активный каталитический центр фермента входят группы, которые ориентируют молекулы субстрата в определенном положении.

Активный центр подобен матрице, в которую может войти молекула только определенного строения. Механизм ферментативного катализа состоит во взаимодействии активных центров фермента с субстратом с образованием фермент-субстратного комплекса, который претерпевает затем несколько превращений, в результате которых появляется продукт реакции.

Каждая из промежуточных стадий характеризуется более низкой энергией активации, что способствует быстрому протеканию реакции. Этим объясняется высокая активность ферментов.

Ферменты делят на классы в зависимости от того, какой тип реакции они катализируют:

оксидоредуктазы (катализируют окислительно-восстановительные реакции), трансферазы (катализируют перенос химических групп с одного соединения на другое)

гидролазы (катализируют реакции гидролиза)

лиазы (разрывают различные связи)

изомеразы (осуществляют изомерные превращения)

лигазы (катализируют реакции синтеза).

Как видно, ферменты отличаются специфичностью и избирательностью. Некоторые катализируют целый класс реакций определенного типа, некоторые - только одну реакцию.

В состав многих ферментов входят ионы металлов (металлоферменты). В металлоферментах ионы металла образуют хелатные комплексы, обеспечивающие активную структуру фермента. Металлы с переменной степенью окисления (Fe, Мn, Си) участвуют в окислительно-восстановительных реакциях, осуществляя перенос электронов к окислителю. Известно несколько десятков органических соединений, выполняющих функции переноса водорода и электронов. В их состав входят производные витаминов.

Ионы тяжелых металлов (Ag+, Hg+, Pb2+) могут блокировать активные группы ферментов.

Для оценки действия различных ферментов введено понятие молекулярной активности, которая определяется числом молекул субстрата, превращающихся под действием одной молекулой фермента в одну минуту. Самым активным из известных ферментов является карбоангидраза, молекулярная активность которой составляет ~36 млн. молекул в минуту.

Скорость реакции, катализируемой ферментом, прямо пропорциональна концентрации фермента. При низкой концентрации субстрата реакция имеет первый порядок по субстрату. При больших концентрациях скорость реакции остается постоянной, и порядок реакции становится нулевым (фермент полностью насыщается субстратом).

Скорость реакции зависит от температуры и кислотности среды.

Строгая избирательность и высокая скорость - два основных признака ферментативного катализа, отличающие его от лабораторного и производственного катализа. Ни один из созданных руками человека катализаторов не может сравниться с ферментами по силе и избирательности воздействия на органические молекулы.

6. Применение в медицине

Катализаторы применяются при производстве лекарственных веществ: фенацетина, гваякола, галогенопроизводных ароматических соединений и др. В качестве катализаторов используют оксид Mn(IV), Ni, Со, Fe, А 1С 13, ТеС 13.

Ферментативный катализ играет огромную роль во всех проявлениях жизни, где речь идет о живых существах. Для повышения жизнедеятельности организма и улучшения обмена веществ создано много ферментных препаратов, используемых в качестве лекарственных средств.

Широкое распространение получили ферментные препараты при нарушениях функции желудочно-кишечного тракта, связанных с недостаточной выработкой пищеварительных ферментов. Так, при некоторых формах гастрита применяются препараты пепсин или панкреатин. Успешно применяются ферменты и в тех случаях, когда необходимо разрушить накопившиеся в большом количестве белковые образования (при ожогах, гнойных ранах, гнойно-воспалительных заболеваниях легких и т.д.). В этих случаях применяются протолитические ферменты, приводящие к быстрому гидролизу белков и способствующие рассасыванию гнойных скоплений. Для лечения рада инфекционных заболеваний используют препараты лизоцима, которые разрушают оболочку некоторых болезнетворных бактерий. Очень важны ферменты, которые рассасывают тромбы (сгустки крови внутри кровеносных сосудов). Это плазмин, содержащийся в крови; ферменты поджелудочной железы - трипсин и химотрипсин. На их основе с разными добавками созданы лекарственные ферментые препараты - стрептокиназа, стрептаза и др. применяемые в медицине.

Ферментные препараты используют при онкологических заболеваниях

Ферменты в медицинской практике находят применение в качестве диагностических (энзимодиагностика) и терапевтических (энзимотерапия) средств.

Кроме того, ферменты используют в качестве специфических реактивов для определения ряда веществ. Так, глюкозооксидазу применяют для количественного определения глюкозы в моче и крови. Фермент уреазу используют для определения содержания количества мочевины в крови и моче.

Энзимодиагностика заключается в постановке диагноза заболевания на основе определения активности ферментов в биологических жидкостях человека.

Определение в крови активности ряда ферментов хорошо налажено в биохимических лабораториях, что используют для диагностики заболеваний сердца, печени, скелетной мускулатуры и других тканей.

7. Значение в решении проблемы восстановления здоровья

В целом ферментный катализ как процесс имеет огромное прикладное значение в решении проблемы восстановления здоровья и, соответственно, избавления от заболеваний. Каталитические процессы используют в терапевтических целях. Иммунная система организма может быть "улучшена" за счет выработки антител, которые способны не только связывать токсины, бактерии, вирусы или раковые клетки, но и катализировать их разрушение. Уже не подлежит сомнению, что катализаторы находят широкое применение в биологии, химии, промышленности и медицине.

Однако в случае применения БАД(Биологически активные добавки) к пище при различных заболеваниях катализом практически никто не занимается, продолжая "пихать" в организм ингредиенты. В этом случае организм не сможет использовать биологически активные вещества, которые Вы в него ввели - эффекта от приема БАД к пище не будет. Это одна из причин, почему при использовании БАД к пище потребитель не получает ожидаемый эффект, попавшись недостаточно образованному консультанту, не владеющему знаниями о гигиене вообще и о гигиене внутренней среды организма, катализе, в частности.

Не обеспечив за счет катализа нормальную "производственную деятельность" клеток, не восстановив нормальную регуляцию их работы, необоснованно надеяться и убеждать кого- либо в том, что то или иное средство повысит уровень здоровья, окажет положительный эффект при определенном заболевании.

Подобная практика не учитывает основ биоорганической, аналитической химии, физиологии и многих других дисциплин, необходимых для правильного использования биологически активных веществ пищи.

Возьмем любое образующееся в организме или поступившее в него полезное вещество, например, сахар, витамины, микроэлементы. Без них организм погибнет. Но когда их количество избыточное - наступает отравление, которое может привести к тяжелым последствиям.

Отсутствие направленного катализа может приводить к тому, что чем больше биологическая доступность "полезного" вещества (флавоноидов, полиненасыщенных жирных кислот, витаминов, микроэлементов и т.д.), тем выше риск вреда от их использования.

Например:

Витамины, микроэлементы из-за низкой активности специального обмена, вследствие отсутствия его катализа не успевают переработаться. Последствия - они не доходят до органов-потребителей, а из-за высокой биологической доступности (в составе специальных соединений и растворов) их избыток "отравляет" те системы, которые при нормальном, активированном обмене должны были их перерабатывать на пользу организму.

Растительные соединения (флавоноиды, полиненасыщенные жирные кислоты и др.) из-за нарушений "таможенной" функции органов (околоклеточное пространство, лимфатическая система) извращаются их свойства. Последствия необдуманного использования (например, смеси компонентов БАД с родиолой розовой) вызывают многоплановые нарушения различных систем, в том числе сдвиги иммунитета, характерные для скрытой аллергии, проявляющиеся иногда через 1-2 года - вплоть до бронхиальной астмы.

Список литературы

1. http://www.bestmedbooks.ru.

2. http://http://bibliotekar.ru/447/7.htm.

3. http://www.kirensky.ru/books/book/Biochemistry/chapter_07.htm.

4. http://www.biobsu.org/phha/htmls/01/01_text.htm.

5. http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/144349/Ферментативный

6. http://argo-tema.ru/article-4898.html

7. http://www.medical-enc.ru/10/catalysis.shtml

Размещено на Allbest.ru