Биологическое действие кислорода, озона,воды и перекиси водорода

Пятигорский медико-фармацевтический институт филиал ГБОУ ВПО Волг ГМУ Минздрава России

 

 

Кафедра неорганической химии.

Реферат по бионеорганической химии  на тему:

«Биологическое  действие кислорода, озона, воды и перекиси водорода».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

Кислород. Его биологическая роль. 1

Дефицит кислорода 1

Причины дефицита кислорода 2

Последствия дефицита кислорода 2

Избыток кислорода 2

Биологическая роль озона. 2

Влияние озона на человека 3

Биологическая роль воды. 10

Особенности талой воды 12

Информационная роль воды 12

Биологическая роль перекиси водорода. 13

Лечение перекисью водорода. 16

         Кислород. Его биологическая роль.

Кислород открыли почти одновременно два выдающихся химика второй половины XVIII в. — швед Карл Шееле и англичанин Джозеф Пристли. Первым получил кислород К. Шееле, но его работа «О воздухе и огне», в которой был описан этот газ, появилась несколько позднее, чем сообщение Д. Пристли. 
 
Кислород — самый распространенный на Земле элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов), приходится около 47,4% массы твердой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 88,8% (по массе), в атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % (по объему). Элемент кислород входит в состав более 1 500 соединений земной коры. 
 
Кислород — основной биогенный элемент, входящий в состав молекул всех важнейших веществ, обеспечивающих структуру и функции клеток — белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, а также множества низкомолекулярных соединений. В каждом растении или животном кислорода гораздо больше, чем любого другого элемента (в среднем около 70%). Мышечная ткань человека содержит 16% кислорода, костная ткань — 28.5%; всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 43 кг кислорода. В организм животных и человека кислород поступает в основном через органы дыхания (свободный кислород) и с водой (связанный кислород). Потребность организма в кислороде определяется уровнем (интенсивностью) обмена веществ, который зависит от массы и поверхности тела, возраста, пола, характера питания, внешних условий и др. В экологии как важную энергетическую характеристику определяют отношение суммарного дыхания (то есть суммарных окислительных процессов) сообщества организмов к его суммарной биомассе.

Небольшие количества кислорода используют в медицине: кислородом (из так называемых кислородных подушек) дают некоторое  время дышать больным, у которых  затруднено дыхание. Нужно, однако, иметь  в виду, что длительное вдыхание воздуха, обогащенного кислородом, опасно для здоровья человека. Высокие концентрации кислорода вызывают в тканях образование  свободных радикалов, нарушающих структуру  и функции биополимеров. Сходным  действием на организм обладают и  ионизирующие излучения. Поэтому понижение  содержания кислорода (гипоксия) в тканях и клетках при облучении организма  ионизирующей радиацией обладает защитным действием — так называемый кислородный  эффект. Этот эффект используют в лучевой  терапии: повышая содержание кислорода  в опухоли и понижая его  содержание в окружающих тканях усиливают  лучевое поражение опухолевых клеток и уменьшают повреждение здоровых. При некоторых заболеваниях применяют  насыщение организма кислородом под повышенным давлением — гипербарическую оксигенацию. 
 
Источники кислорода

Основным источником кислорода  для человека является атмосфера  Земли, откуда за счет дыхания организм человека способен извлекать необходимое  для жизни количество кислорода.

Дефицит кислорода

При дефиците в организме человека развивается так называемая гипоксия.

Причины дефицита кислорода

• отсутствие или резко сниженное содержание кислорода в атмосфере;
• сниженное парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе (при подъеме на большие высоты – в горах, летательных аппаратах);
• прекращение или снижение поступления кислорода в легкие при асфиксии;
• нарушения транспорта кислорода (нарушения деятельности сердечнососудистой системы значительное снижение гемоглобина в крови при анемии, неспособность гемоглобина выполнять свои функции - связывать, транспортировать или отдавать тканям кислород, например, при отравлении угарным газом);
• неспособность тканей утилизировать кислород вследствие нарушения окислительно-восстановительных процессов в тканях (например, при отравлении цианидами)

Последствия дефицита кислорода

При острой гипоксии:

• потеря сознания;
• расстройство, необратимые нарушения и быстрая гибель центральной нервной системы (буквально за минуты)

При хронической гипоксии:

• быстрая физическая и умственная утомляемость;
• нарушения центральной нервной системы;
• тахикардия и одышка в покое или при незначительной физической нагрузке

Избыток кислорода

Наблюдается крайне редко, как правило, в искусственных условиях (например, гипербарические камеры, неправильно  подобранные смеси для дыхания  при погружении по воду и т.д.). В  этом случае длительное вдыхание чрезмерно  обогащенного кислородом воздуха сопровождается кислородным отравлением – в  результате чрезмерного его количества в органах и тканях образуется большое количество свободных радикалов, инициируется процесс самопроизвольного  окисления органических веществ, в  том числе перекисное окисление  липидов.

Влияние озона на человека

Озон — газ, токсичный при вдыхании. Он раздражает слизистую оболочку глаз и дыхательных путей, повреждает сурфактант легких. Последовательность болезненных проявлений при вдыхании озона была описана Флюгге. Сначала наступает сонливость, затем изменяется дыхание: оно становится глубоким, неритмичным. В конце появляются перерывы в дыхании. Смерть наступает, видимо, в результате паралича дыхания.

 
Патологоанатомические исследования показали характерную картину отравления озоном: кровь не свертывается, легкие пронизаны множеством сливных кровоизлияний.

 
Вследствие этого установлена  предельно допустимая концентрация (ПДК) озона в воздухе рабочего помещения 0,1 мг/м2, что в 10 раз больше обонятельного порога для человека.При наружном (на кожные покровы и раневую поверхность), энтеральном (per os et per rectum) и парентеральном введении в терапевтическом диапазоне концентраций озон не оказывает токсического действия на организм человека. 
При наружном применении высоких концентраций газообразного озона и озонированных растворов проявляются его мощные окислительные свойства, направленные против микроорганизмов. Причем озон более эффективен во влажной среде, так как при разложении озона в воде образуется высокореакционный гидроксильный радикал. Озон убивает все виды бактерий, вирусов, грибов и простейших. При этом, в отличие от многих антисептиков, озон не оказывает разрушающего и раздражающего действия на ткани, так как клетки многоклеточного организма имеют антиоксидантную систему защиты.

 
В исследованиях проведено испытание  бактерицидных свойств озонированной  дистиллированной воды с концентрацией  в ней озона 4 мг/л. Установлено  в условиях in vitro, что происходит полное подавление роста колоний стафилококка, кишечной и синегнойной палочек, протеев, клебсиеллы при 102—104 КОЕ/мл. При более высоком количестве микроорганизмов (около 105—107 КОЕ/ мл) отмечается их неполная инактивация.

 
Среди причин бактерицидного эффекта  озона чаще всего упоминают нарушение  целостности оболочек бактериальных  клеток, вызываемое окислением фосфолипидов и липопротеидов. Грамположительные бактерии более чувствительны к озону, чем грамотрицательные, что, видимо, связано с различием в строении их оболочек. Есть также данные о взаимодействии озона с протеинами. Обнаружено проникновение озона внутрь микробной клетки, вступление его в реакцию с веществами цитоплазмы и превращение замкнутого плазмида ДНК в открытую ДНК, что снижает пролиферацию бактерий.

 
Эффект озонированного растительного  масла обусловлен наличием озонидов. Полагают, что за счет кислородной связи озонид ненасыщенной жирной кислоты соединяется с рецептором для микроорганизмов и блокирует его. Наибольшим бактерицидным эффектом обладает масло с пероксидным числом 2,5—3 тыс. Но даже при разведении масляного раствора в 10, 20, 50 и 100 раз он сохраняет стерилизующий эффект в отношении микроорганизмов. Обнаружен его эффект на культуру T.rubrum, T.interdigitale, M.canis, плесневые и дрожжеподобные грибы рода Candida. Терапевтическая эффективность представлена при микозе стоп, онихомикозе, кандидозе кожных складок, паховой эпидермофитии. Вирицидное действие озона связывают с повреждением полипептидных цепей оболочки, что может приводить к нарушению способности вирусов прикрепляться к клеткам-мишеням и расщеплению одной нити РНК на две части, подрывая фундамент реакции размножения. Капсулированные вирусы более чувствительны к действию озона, чем некапсулированные. Это объясняется тем, что капсула содержит много липидов, которые легко взаимодействуют с озоном.

 
Важнейшим открытием явилось обнаружение  антивирусного эффекта озона  на культуре лимфоцитов, зараженной ВИЧ-1 (Freberg, Carpendale, 1988). Механизм инактивации ВИЧ объясняется следующими моментами: 
1) частичным разрушением оболочки вируса и потерей им своих свойств; 
2) инактивацией фермента обратной транскриптазы, что ингибирует процесс транскрипции и трансляции вирусных белков и, соответственно, размножение вируса; 
3) нарушением способности вирусов соединяться с рецепторами клеток-мишеней. 
 
По данным Viebahn, электрофильная молекула озона может реагировать с парой свободных электронов азота в М-ацетил-глюкозамине, который обнаруживается в вирусных акцепторах клетки-хозяина; это снижает чувствительность клеток к вирусам и устраняет феномен зависимости. Причем выяснено, что озон может инактивировать вирус как экстракорпорально, так и внутри клеток. Важную роль играет активация синтеза биологически активного пептида интерферона, защищающего незараженные клетки от проникновения вируса. Кроме того, многие инфекции, сопровождающие ВИЧ, оказались устойчивыми к антибиотикам, но способными инактивироваться озоном в концентрациях, не токсичных для клеток организма. 
 
Точками воздействия озона в организме теплокровных являются: 
- ненасыщенные жирные кислоты; 
- свободные аминокислоты; 
- аминокислоты в пептидных связях; 
- никотинамид-коэнзим. 
 
Более быстрая ответная реакция со стороны метаболизма при действии озона по сравнению с оксигенацией является следствием его высокой реакционной способности. Если для включения молекулы кислорода в биохимические процессы необходимо присутствие ферментов или металлов переменной валентности, то озон способен мгновенно реагировать с рядом биоорганических субстратов.

 
Обнаружены селективные свойства озона по отношению к соединениям, имеющим двойные связи, и прежде всего к полиненасыщенным жирным кислотам (ПНЖК). Основными продуктами, образующимися при взаимодействии озона с ненасыщенными жирными  кислотами наряду с озонидами, являются гидропероксиды. Образующиеся в реакциях озонолиза пероксиды отличаются от аутогенных своей короткоцепочечностью и гидрофильностью. Аутогенные пероксиды являются короткоцепочечными пероксидами липофильного характера. Небольшое количество пероксидов озона усиливает потребление кислорода кровью во много раз. Стабильность этих пероксидов незначительна, в течение короткого времени они распадаются и не поддаются аналитическому обнаружению. Повышенное потребление кислорода организмом было доказано с помощью специальных измерений газов крови. Наиболее четкое подтверждение было показано на увеличении артериовенозной разницы по кислороду.

 
Проведенные исследования по изучению спектра белков в плазме крови  у экспериментальных животных не выявили изменений в соотношении  фракций, это свидетельствует о  том, что терапевтические концентрации озона не повреждают белковые структуры. В то же время у больных с  воспалительными заболеваниями  лица и шеи после курса озонотерапии отмечена нормализация белоксинтезирующей функции печени, то есть увеличение количества альбумина и снижение уровней белков острой фазы.

 
Так как при озонотерапии в организм попадают активные формы кислорода, то очень важным является рассмотрение влияния озона на процесс перекисного окисления липидов (ПОЛ). В многочисленных исследованиях показано, что терапевтические дозы озона стимулируют антиоксидантную систему и уменьшают интенсивность ПОЛ. В процессе озонотерапии происходит нарастание промежуточного продукта ПОЛ — малонового диальдегида в среднем на 119,4%. Достоверных изменений количества первичных продуктов ПОЛ — диеновых конъюгатов (ДК) — получить не удалось, так как у разных больных их значения менялись разнонаправленно. Опираясь на эти факты, можно сказать, что начальная активация свободнорадикального окисления под влиянием озонотерапии, естественно, происходит, так как при внутривенных капельных инфузиях озонированного изотонического раствора хлорида натрия в организм вводятся озон, кислород и свободные радикалы. При этом быстро запускается антиоксидантная система защиты, которую озон, видимо, опосредованно стимулирует. Это предположение сделано на основании того, что конечные продукты липопероксидации — основания Шиффа (ОШ) — достоверно снижаются после озонотерапии на 59,7% (р<0,05), а также увеличивается коэффициент ДК/ ОШ в 77,8% случаев. Следовательно, антиоксидантная система в дан ном случае работает на стадии разветвления цепи ПОЛ, которая характеризуется образованием малонового диальдегида, то есть цепная реакция обрывается, а малоновый диальдегид инактивируется.

 
Важность полученных результатов  заключается не только в доказательстве безопасности использованных концентраций озона. Регуляция процессов ПОЛ и АОА в организме, по-видимому, является одним из механизмов лечебного действия озонотерапии. Вместе с тем многие авторы считают активацию ПОЛ одним из универсальных патогенетических факторов при различных заболеваниях, в частности при ишемии (М.В.Биленко, 1989; И.А.Завалишин, М.Н.Захарова, 1996; Ф.З.Меерсон, 1984). В то же время озонотерапия, судя по полученным результатам, восстанавливает динамическое равновесие между ПОЛ и антиоксидантной системой защиты, что является особенно важным в лечении заболеваний нервной системы.

 
Наиболее полно изучено влияние  озона на биохимические процессы, происходящие в эритроцитах, которые  являются наиболее простой моделью  для изучения. В то же время этот объект имеет немаловажное значение в связи с тем, что в медицинской  практике достаточно широко используются методики парентерального введения озона.