ГОРМОНЫ - БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Цели урока. На основе межпредметных связей с курсом биологии дать общее понятие о гормонах как секретах желез внутренней секреции. Познакомить с химической природой гормонов и их значением в регуляции жизнедеятельности организма на основе представлений о гипо- и гиперфункциях отдельных эндокринных желез.

Оборудование: образцы аптечных препаратов инсулина и адреналина, других гормональных препаратов; растворы НСl, HNO₃, FeCl₃, CuSO₄, NaOH; пробирки, спиртовка, спички.

I. Общее понятие о гормонах

Будет нелишне в начале урока вспомнить, что жизнедеятельность организма регулируется с помощью двух систем: нервной и гуморальной. В последней системе главенствующая роль принадлежит гормонам.

Гормоны - это продукты желез внутренней секреции, выделяющиеся непосредственно в кровоток.

Такими железами являются надпочечники, гипофиз щитовидная и половые железы и др.

Гормоны — это биологически активные, жизненно необходимые вещества, которые вырабатываются в незначительных количествах, но оказывают на организм очень сильное воздействие.

Учитель предлагает следующую классификацию гормонов, в основу которой положена их химическая природа:

— белковые (инсулин, глюкагон);

— аминокислотные (адреналин, тироксин);

— стероидные (тестостерон, эстрадиол).

II. Отдельные представители гормонов

Для знакомства со строением и значением гормонов в общеобразовательных классах учителю будет достаточно представить учащимся формулы отдельных представителей гормонов, рассмотреть функциональные группы, входящие в состав их молекул, указать железы внутренней секреции, которые вырабатывают эти гормоны и познакомить учащихся с гипо- и гиперфункциональными нарушениями в жизнедеятельности организма, связанные с выработкой недостатка или избытка того или иного гормона.

Так, группу стероидных гормонов можно рассмотреть на примере эстрадиола (женского полового гормона) и тестостерона (мужского полового гормона):

эстрадиол вырабатывается яичниками ⇓ регулирует функции половых органов и появление вторичных половых признаков у женщин ⇓ гипофункция - убывание отличительных признаков женских особей	тестостерон вырабатывается семенниками ⇓ регулирует функции половых органов и появление вторичных половых признаков у мужчин ⇓ гипофункция - убывание отличительных признаков мужских особей

Оба гормона - стероиды. Различия в их строении, как могут убедиться учащиеся, анализируя их формулы, незначительные: в молекуле тестостерона по сравнению с эстрадиолом одна лишняя метальная группа, а в другом положении вместо гидроксильной группы — атом кислорода.

С типичным представителем белковых гормонов учащиеся уже знакомы, это — инсулин. Учитель выясняет, помнят ли ребята, что инсулин вырабатывается в особых образованиях в ткани поджелудочной железы - в островках Лангерганса. После открытия в 1902 г. русским физиологом Л. В. Соболевым этот гормон получил название от латинского слова insula — остров. Островки Лангерганса продуцируют и еще один гормон - глюкогон.

Как известно, инсулин регулирует углеводный обмен в организме.

Гипофункция островков Лангерганса поджелудочной железы проявляется в повышении содержания глюкозы в крови, в заболевании сахарным диабетом.

Первые упоминания о сахарном диабете историки медицины находят еще в трудах врачей I в. Дальнейшее его изучение показало, что один из главнейших симптомов диабета — выделение больших количеств сахара с мочой, обезвоживание организма. Ткани утрачивают способность усваивать сахар, начинают вместо этого расходовать жиры и белки, наступает потеря веса. При этом окисление жиров сопровождается образованием токсичных продуктов — так называемых кетоновых тел. Истощение и интоксикация приводят в конечном счете к гибели больного.

Инсулин оказался первым белком, для которого англичанин Ф. Сэнджер в 1953 г. установил последовательность чередования аминокислотных остатков и был за это удостоен Нобелевской премии.

Оказалось, что молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей (21 и 30 остатков аминокислот соответственно), соединенных между собой двумя ковалентными связями через боковые радикалы остатков цистеина (дисульфидными мостиками).

На примере инсулина был раскрыт механизм формирования пространственной структуры белков, состоящих из нескольких полипептидных цепей. Первоначально синтезируется одна цепь, включающая в себя оба компонента будущей молекулы, и какие-то соединяющие их участки. Для инсулина эта цепь состоит из 86 остатков — это так называемый проинсулин. Он не обладает гормональной активностью инсулина и для превращения его в инсулин необходимо удалить перемычку, соединяющую две цепи, — пептид из 35 остатков. Это и происходит в островках Лангерганса под действием особых ферментов.

Инсулин оказался первым белком, который удалось синтезировать химическим путем.

И наконец, инсулин оказался также в числе первых фармацевтических препаратов, промышленный способ выпуска которых был освоен с помощью методов генной инженерии.

Гиперфункция островков Лангерганса поджелудочной железы заключается в возможном возникновении шока.

Аминокислотные гормоны мы предлагаем рассмотреть на столь часто встречающемся в текстах современных молодежных песен гормоне адреналине — производном фенилаланина:

Этот гормон вырабатывается в надпочечниках. Его основные функции: повышает кровяное давление, учащает ритм сердечных сокращений, повышает содержание глюкозы в крови.

Действие гипофункции надпочечников: понижение кровяного давления, понижение содержания глюкозы в крови, уменьшение времени свертываемости крови.

Гиперфункция: сокращение капилляров, повышение содержания глюкозы в крови.

III. Эксперимент на основе аптечных препаратов гормонов

Здесь учитель может предложить или лабораторную работу, или провести демонстрационный эксперимент по обнаружению фенольного фрагмента в молекуле адреналина в результате взаимодействия аптечного препарата этого гормона с раствором FeCl₃ — образуется сложное комплексное соединение зеленого цвета.

Для того чтобы показать белковую природу другого аптечного препарата — гормона инсулина учитель может предложить учащимся проделать цветные реакции на белок (при недостатке препарата можно ограничиться демонстрацией).

В профильных классах знакомство с гормонами проводится более детально в объеме сведений параграфа учебника. При выполнении практикума, который проводится на отдельном занятии, учащиеся проводят эксперимент по адреналину на предмет обнаружения в его составе различных функциональных групп, испытывают растворимость его в различных средах. Для инсулина все учащиеся обязательно проводят цветные реакции на белок.

ЛЕКАРСТВА

Цели урока. Познакомить учащихся с химиотерапией, используя межпредметные связи с биологией. Рассмотреть химическую природу, механизм действия и безопасные способы применения некоторых лекарственных препаратов (сульфамидов, антибиотиков, аспирина). Научить ребят анализировать строение молекул лекарственных препаратов и предсказывать на основе этого анализа химические свойства их.

Оборудование: аптечные упаковки представителей различных групп лекарственных препаратов (сульфамидных, антибиотиков, различных форм аспирина).

I. Общие понятия о лекарственных веществах

В начале урока учитель может предоставить слово отдельным ученикам для краткого сообщения - исторического очерка о возникновении и развитии применения лекарственных средств в борьбе с болезнями (5 мин), которое старшеклассники готовят заранее, используя материал учебника и другую литературу. Своеобразным эпиграфом к этой части урока может служить высказывание основоположника медицинской химии (иатрохимии) Парацельса: «Явления жизнедеятельности организма как больного так и здорового, можно понять, лишь рассматривая и оценивая происходящие в нем химические процессы, а излечения можно достичь с помощью химических средств».

А вот своеобразным обобщением по подготовленным учащимися материалам может стать сформулированный русским ученым Д. Л. Романовским в 1891 г. общий химиотерапевтический принцип, т. е. принцип лечения различных заболеваний химическими препаратами. Идеальным лекарством Д. Л. Романовский считал «вещество, которое при введении в заболевший организм окажет наименьший вред последнему и вызовет наибольшие деструктивные изменения в поражающем агенте».

Затем учитель подчеркивает, что развитие представлений о том, что многие болезни вызываются различными микроорганизмами, позволили создать целый арсенал антибактериальных и химиопрепаратов. Начало ему было положено немецким терапевтом и бактериологом П. Эрлихом, который впервые «химически прицелился» в возбудителя страшнейшего венерического заболевания — сифилиса, создав препарат сальварсан, что в переводе с латинского означает салют, мышьяку.

Начало эры химиотерапии бактериальных инфекций связана с открытием антибактериальных свойств у довольно простого по химической структуре органического соединения - амида сульфаниловой кислоты — стрептоцида:

Сенсационное для 1936 г. сообщение немецкого ученого Г. Домагка о том, что молекула стрептоцида убивает бактерии и способны излечивать такие тяжелые инфекционные заболевания, как менингит, пневмонию, скарлатину, явилось мощным стимулом для развития работ по созданию сульфамидных препаратов.

II. Сульфамиды

Бактериальная активность стрептоцида состоит в том, что он ингибирует рост и жизнедеятельность микроорганизмов и приводит в конце концов к их гибели. Это связано с тем, что вместо синтеза необходимой бактериям дигидрофолиевой кислоты сульфамиды конкурентно включаются в синтез «ложной» дигидрофолиевой кислоты, которая и уничтожает болезнетворные микробы.

Учитель может представить в профильных классах той и другой кислоты и попросить учащихся найти различия в строении этих веществ:

Наиболее эффективные представители сульфамидов, такие, как сульфален, сульфодиметоксин, сульфаметоксазол и др., сохранили свое значение и в наше время. Например, последний из названных, а именно сульфаметоксазол входит в состав широко известного современного бинарного препарата бисептола.

III. Антибиотики

Важнейшим этапом в развитии химиотерапии явилось открытие и создание антибиотиков. Учитель спрашивает, что известно учащимся об этой группе лекарств, и обобщает, что в настоящее время вряд ли можно встретить человека, не слышавшего об антибиотиках. Они радикально изменили возможности медицины, которую сегодня нельзя представить себе без этого класса препаратов.

В 1928 г. английский микробиолог А. Флеминг отметил способность нитчатого гриба зеленой плесени Penicillium notatum вызывать гибель стафилококков (учитель просит ребят вспомнить особенности строения этой зеленой плесени из курса ботаники).

Дальнейшая совместная работа А. Флеминга с X. Флори, Е. Чейном и Е.Абрахом привела к выделению в чистом виде первого антибиотика — пенициллина. За пенициллином последовало получение стрептомицина, тетрациклинов, эритромицинов и др. В 60-е гг. появились вначале полусинтетические, а затем и синтетические антибиотики.

Сейчас под антибиотиками понимают небелковые тела изначально природного происхождения, обладающие антимикробными свойствами.

Антибиотики, продуцируемые растениями, называются фитонцидами (учитель просит ребят назвать известные им фитонцидные растения).

Исследование химической структуры пенициллина заняло более 5 лет, и лишь в 1945 г. методом рентгеноструктурного анализа было установлено, что основу скелета этой молекулы составляет пятичленный тиазольный цикл, соединенный с четырехчленным циклическим амидом — β-лактамом. Впоследствии химики научились выделять β-лактамные бициклы и ацилировать их, получая все более активные антибиотики.

И в самом деле, получаемые сейчас синтетические пенициллины (например, ампициллин) и особенно цефалоспарины третьего поколения (цефотоксин, например) представляют собой важнейшую группу антибиотиков.

В настоящее время в медицине используют несколько десятков антибиотиков разных групп:

— β-лактамы (пенициллины, цефалоспарины);

— макролиды (эритромицин, олеандомицин);

— аминогликозиды (гентамицин, амикацин);

— тетрациклины;

— линкосамиды (линкомицин);

— гликопептиды (ванкомицин);

— амфениколы (левомицетин);

— антигрибковые (нистатин) и др.

По механизму действия антибиотики делят на:

— бактерицидные (убивающие микробы — (β-лактамные, аминогликозиды, полимиксины);

— бактериостатические (лишающие микробы способности делиться - тетрациклины, макролиды).

По спектру действия различают антибиотики:

— широкого спектра действия (тетрациклины, цефалоспорины);

— узкого спектра действия.

Первые нередко вызывают гибель полезных бактерий кишечной флоры - дисбактериоз, поэтому их применение должно проводиться с профилактикой этого последствия и под строгим контролем врача.

Механизм действия антибиотиков заключается в том, что они вызывают у бактерий:

— нарушение синтеза клеточной стенки (пенициллины, цефалоспорины);

— нарушение синтеза белка (тетрациклины);

— повреждение цитоплазматической мембраны (полимиксины, грамицидин);

— нарушение синтеза нуклеиновых кислот (рифамицины, противоопухолевые антибиотики).

IV. Аспирин

Этот препарат в качестве объекта на урок выбран нами не случайно:

— он широко используется в медицине, о чем красноречиво говорит его мировое производство десятками тысяч тонн в год;

— он позволяет рассмотреть полифункциональность групп атомов, то есть химическую природу;

— он наиболее известен учащимся и наиболее рекламируем средствами массовой информации.

Учитель может сделать небольшое сообщение примерно такого содержания.

Издавна при лихорадке люди использовали кору ивы, из которой в 1827 г. был выделен гликозид салицин, ставший источником получения салициловой кислоты, а с 1899 г. в медицинскую практику вошел аспирин - ацетилсалициловая кислота:

Учитель просит ребят назвать функциональные группы, предложить пути их экспериментального обнаружения, предсказать растворимость аспирина в различных средах (например, в воде, спирте, щелочном растворе).

Аспирин относится к группе нестероидных противовоспалительных средств, куда, например, включают и такие известные препараты, как ортофен, индометацин, бутадион. К другой группе - стероидным противовоспалительным средствам — относятся препараты коры надпочечников (гидрокартизон, преднизалон). Учитель просит учащихся вспомнить, к какому классу биологически активных веществ относятся эти препараты.

Лекарственные средства обеих обладают триединым действием: противовоспалительным, жаропонижающим и несколько менее выраженным обезболивающим эффектами.

В настоящее время аспирин рекомендуется для профилактики сердечнососудистых заболеваний, так как он оказывает и антитромбическое действие - предупреждает образование тромбов, которые могут нарушить кровоснабжение органа (ишемия) или закупорить кровеносный сосуд (эмболия).

Аспирин широко используется при лечении ревматических заболеваний, головной и зубной боли, мигрени, невралгиях и т.д.

Вместе с тем бактериальное применение аспирина может иметь и негативные последствия - образование язв желудка и токсичное влияние на почки.

V. Химический практикум

В общеобразовательных классах он проводится на заключительном этапе второго урока в виде небольшой практической работы (10-15 мин) по инструкции учебника к практической работе № 11 только для аспирина и парацетамола. Эту же часть работы учащиеся могут проделать и во время лекции в качестве лабораторных опытов. Кроме них в общеобразовательных классах можно провести и следующую лабораторную работу по обнаружению аспирина:

«Разотрите таблетку аспирина, поместите порошок в пробирку и прокипятите его с раствором карбоната натрия. Добавьте разбавленный раствор соляной кислоты и смесь нагрейте. Что наблюдаете?» (Ощущается запах уксусной кислоты.)

Для профильных классов можно предложить другую работу по обнаружению аспирина:

«В фарфоровой чашечке смешайте растертые порошки сульфата бериллия BeSO₄ (осторожно, яд!) и гидроксида натрия. Разотрите таблетку аспирина в ступке и добавьте его в приготовленную ранее смесь. Хорошо перемешайте. Смесь окрасится в желто-оранжевый цвет, так как гидроксид бериллия и аспирин образуют сложное комплексное соединение с яркой окраской».