Министерство Образования и Науки РФ
Казанский Государстивенный Технологический Университет
Кафедра Технологии Электрохимических Производств
Контрольная работа
на тему:
Электрохимические технологии в медицине
Казань 2008
Содержание:
Введение
1. Применение электрохимии при детоксикации и создании искусственных органов
2. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ В МОДЕЛИРОВАНИИ ФУНКЦИИ МОНООКСИГЕНАЗ ПЕЧЕНИ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список использованной литературы
Введение
Возникновение электрохимии связано с именем итальянского анатома и физилогоа Луиджи Гальвани, опубликовавшего в 1971 году «Трактат о силах электричества при мышечном движении». Эта работа вызвала основной интерес, как ни странно, не у физиков и химиков, а у медиков. Физиологи считали, что наконец удалось проникнуть в тайну жизни, заключающуюся в электричестве, и поэтому, используя электричество, можно будет лечить различные болезни.
Однако в дальнейшем при своем развитии электрохимия все дальше и дальше уходила от живой природы, от так называемого «живого электричества» Гальвани. Быстро развивались такие области электрохимии, как гальванотехника, электрохимические методы получения различных веществ, выделения и рафинирования металлов, электрохимические первичные источники тока и аккумуляторы, топливные элементы и электрокатализ, электросинтез органических соединений, теория коррозии и защиты металлов.
Тем не менее, в годы становления и расцвета электрохимии как науки майкл Фарадей отмечал: «Как ни чудестны законы и явления электричества, выявляющие нам в мире неорганического или мертвого вещества, интерес, который они представляют, вряд ли может сравниться с тем, что присуще той же силе в соединении с нервной системой и жизнью». Чудесные возможности электрохимии в неживом мире несопостовимы с возможностями электрохимии в познании живого. Возвращение же электрохимии к своим истокам произошло только в последние десятилетия. На стыке электрохимии и биологии получило развитие новое научное направление — биоэлектрохимия, которая изучает электрохимические механизмы процессов, протекающих в живой клетке. Эти исследования привели к выводу, что электрохимия имеет фундаментальное значение для развития биологии. Круг изученных биологических систем, при исследовании которых нельзя обойтись без электрохимических методов и подходов, быстро расширяется. Анализ работы различных биологических систем показывает, что они основаны на электрохимических принципах. Электрохимический принцип лежит в основе большинства процессов жизнедеятельности организмов. Это универсальный принцип живой природы.
Одновременно с развитием биоэлектрохимии начались исследования на стыке электрохимии и медицины. Первые работы были стимулированы космическими программами и были связаны с созданием регенеративных систем жизнеобеспечения. Эти работы интенсивно развивались и в СССР, они привели к созданию целого ряда регенеративных систем жизнеобеспечения, основанных на электрохимических и электрокаталитических принципах, которые в настоящее время обеспечивают длительную работу космонавтов. Благодаря целому ряду преимуществ (отсутствие экологического и теплового загрязнения, работа при обычных температурах, простота и легкость автоматизации и др.) электрохимические и электрокаталитические подходы будут определять все развитие полностью и частично замкнутых систем жизнеобеспечения на космических кораблях для полетов к другим планетам, на орбитальных космических станцях и на планетных станциях в ближайшие десятилетия.
1. Применение электрохимии при детоксикации и создании искусственных органов
Моделирование работы различных органов и систем организма — одно из важнейших задач современной медицинской науки. Поиски в этом направлении ведутся давно и получены хорошие результаты при создании таких искусственных органов, как сердце, почки и легкие. Программа по созданию искусственного сердца сильно стимулировала работы по электроокислению глюкозы и по разработке имплантируемых топливных элементов, работающих на растворенных в крови пациента глюкозе и кислороде, и глюкозных датчиков для определения концентрации сахара в крови. Имплантируемые топливные элементы, в которых в качестве топлива используются составляющие ультрафильтрата крови (глюкоза, глюкозамины, если используются ферменты, разрушающие полисахариды), могут представлять собой идеальные постоянные источники энергии для вспомогательных или контролирующих приборов, следящих за состоянием здоровья пациента. Такие топливные элементы в небольших установках могут сужить источником энергии для сердечных ритмоводителей, почечных стимуляторов, автоматических дозаторов инсулина и аналогичных приборов.
В настоящее время возможным способом решения одной из проблем медицины — диабет — является создание искусственной поджелудочной железы с имплантируемым глюкозным датчиком, который должен давать сигнал о содержании сахара в крови пациента и включать дозатор инсулина.
Наибольшие трудности встречаются при имитации работы печени, что связано с большим разнообразием ее функций и недостаточностью сведений о механизмах нарушения ее деятельности. Из всех функций печени — детокси-цирующая является наиболее важной, витальной, при ее нарушении наступает быстрая гибель организма. Детоксикационная функция печени является не только витальной, но и незаменимой, так как никакая другая система в организме не может компенсировать ее утрату.
В настоящее время стало ясно, что одним из основных аспектов глобальной экологической проблемы является охрана внутренней среды человека, действенный контроль за ее состоянием. У здорового человека эта функция, в значительной степени, осуществляется монооксигеназной системой печени, способствующей удалению из организма гидрофобных токсичных веществ, путем их гидроксилирующего окисления молекулярным кислородом, катализируемого специальным детоксицирующим ферментом — цитохромом Р-450.
Фермент Р-450 можно считать основной детоксицирующей системой печени. Однако этот фермент работает не сам по себе, а в составе окислительно-восстановительной ферментной цепи, поставляющей на него электроны, необходимые для активации молекулярного кислорода. Гидроксилирующие ферментные системы, использующие в качестве окислителя молекулярный кислород, требует для своего функционирования пиридиннуклеотиды НАДФН и НАДН. В общем виде реакция окисления с участием монооксиленаз печени может быть записана так:
RН + НАДФН + Н+ + О2 → RОН + НАДФ+ + Н2О.
Биологический смысл реакции заключается втом, что окисленное соединение всегда лучше растворимо в воде и поэтому может быть легче, чем исходное вещество, вовлечено в другие метаболические превращения или выделено из организма экскреторными органами. Таким образом, гидрофобные ксенобиотики не могут быть удалены органами выделения, пока они не подвергнутся биотрансформации и не станут гидрофильными.
Простейший детоксицирующий цикл может быть осуществлен принципиально только двумя биомолекулами — альбумином и цитохромом Р-450. Первая выполняет транспортную роль, вторая—окислительную.
Большое внимание биологов и медиков привлекает проблема создания искусственных систем, способных моделировать детоксицирующие функции печени. Это обусловлено тем, что существующие методы экстракорпоральной детоксикации (гемодиализ и пемосорбция) обладают недостаточной эффективностью по удалению гидрофобных токсинов.
До сих пор не решен окончательно вопрос о механизме активации молекулярного кислорода цитохром Р-450 и неизвестна природа и строение гидроксилирующего агента, однако это не может служить препятствием для поиска простых каталитических и электрохимических систем, способных заменить уникальный гемопротеид, цитохром Р-450, и создать процессы окисления, не уступающие по своей эффективности и селективности ферментным.
В последние десятилетия в связи с проблемой топливных элементов электрохимией достигнуты большие успехи в активации молекулярного кислорода и в окислении различных органических веществ. Кроме того, анализ работы биологических систем показывает, что они основаны на электрохимических принципах. Поэтому электрохимические методы моделирования гидроксилазных реакций, протекающих в микросомах печени, ввиду своей физиологичности привлекают особое внимание.
Впервые идея моделирования детоксицирующей функции печени с помощью электрохимического окисления была развита в 1975 г. Авторы работы предложили удалять избыток токсичных веществ, таких как аммиак, мочевина, мочевая кислота, лекарственные гликозиды, СО, барбитураты, ацетоацетат, креатинин, аланин и др., из крови или других физиологических жидкостей во вживляемой или действующей в экстракорпоральном шунте электрохимической ячейке. Кроме того, была рассмотрена возможность работы таких ячеек, как по принципу топливного элемента (когда на катоде происходит электровосстановление газообразного кислорода или водорода, растворенного в крови пациента, а на аноде происходит окисление токсинов), так и при подключении внешнего источника тока, когда он является поставщиком электродвижущей силы.
Примерно в то же время в лаборатории энзимологии и биоэнергетики Научного центра 2-го Московского Государственного медицинского института была создана электрохимическая модель цитохрома Р-450 и на ее основе разработана детоксикационно-экскреторная система, состоящая из реактора окислителя и диализатора. В простой электрохимической система наблюдалось окисление гидрофобных веществ молекулярным кислородом, восстанавливаемым на катоде. Этот электрохимический реактор моделировал окислительную функцию печени, а диализатор — экскреторную функцию почек, Однако, несмотря на большой интерес к методу электрохимического окисления, он не нашел клинического применения, так как первые исследования не касались существа проблемы, а лишь рассматривали принципиальную возможность детоксикации организма прямым электроокислением крови и других биологических жидкостей. Аппараты электрохимического окисления использовались только в стендовых опытах на различных растворах и не давали никакого представления о влиянии электрохимического окисления на биологические жидкости организма. Поэтому в последние годы проводились систематические исследования по выяснению принципиальной возможности электроокисления гидрофобных токсинов в крови, лимфе и плазме, определению кинетики и механизма окисления типичных токсинов, определению влияния электрохимического окисления на различные показатели гомеостаза интактных животных, и, наконец, по эффективности использования на уровне организма электрохимического окисления.