Области применения ИК-спектроскопии

 

Можно сказать, что не одна область производства не обходится без ИК-спектроскопии. К ним относятся:

· Химия нефтепродуктов. Анализ топлива, углеводородных содержимых на разных этапах синтеза.

· Анализ полимеров, как биологического (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты), так и синтетического происхождения.

· Анализ природного газа.

· Контроль качества лекарственных препаратов. Идентификация биологически активных веществ.

· Экологический мониторинг. Анализ объектов окружающей среды: почвенный, атмосферный состав. Контроль и распознавание вредных  выбросов.

· Контроль качества пищевых продуктов. Анализ продуктов на предмет вредных и токсичных для организма веществ.

· Криминалистическая экспертиза. Анализ ядов и  наркотических соединений. 

Глава 3

3.1 Пробоподготовка

 

Способ пробоподготовки выбирают в соответствии с агрегатным состоянием вещества.

Сложнее всего снимать спектры из мелкокристаллических сыпучих веществ, т.к. свет неупорядоченно отражается от каждой песчинки, частично преломляется и рассеивается. Чтобы снизить вероятность появления таких нежелательных искажений, свободные полости заполняют жидкостью со схожим показателем преломления. Эти жидкости получили название иммерсионные.

Вещества в жидком агрегатном состоянии наносят в виде тонкой плёнки толщиной от 0,005 до 0,1 мм на прозрачные в данной области пластины из хлорида натрия или бромида калия. Также можно снимать спектры и из растворов в узких областях. Для такого метода обычно берутся кюветы из нерастворимых в воде материалов.

Из твёрдых веществ делают коллоидный раствор в вазелиновом масле, используемый, как иммерсионное вещество. Твёрдые соединение тщательно перемешивают в ступке, а затем добавляют несколько капель иммерсионной жидкости. Получившуюся суспензию выкладывают на пластины из хлорида натрия или бромида калия и плотно сжимают (следят, чтобы внутри не образовывались пузырьки воздуха).

Другим способом исследования твёрдого образца является его прессовка с галогенидом щелочного металла. В результате получается небольшая полупрозрачная таблетка. Такой метод отличается удобством хранения исследуемого вещества и отсутствием мешающих полос поглощения. Однако есть вероятность реакции между таблеткой и атмосферными газами, что приводит к засорению исходного продукта, а в следствии неточным показаниям. Поэтому такой метод лучше применять с нерастворимыми в обычных растворителях веществами, либо образцами имеющим прочную кристаллическую решётку.

Глава 4

Общие понятия о биологически активных веществах.

 

Для дальнейшего рассмотрения ИК-спектров биологически активных соединений рассмотрим, что представляет класс этих сложных органических соединений.

Биологически активные вещества – это очень важный класс органических соединений, отвечающий за правильное регулирование жизнедеятельности всех систем организма. Биохимия изучает свойства веществ и механизмы функциональных групп, входящих в их состав, а также какое действие оказывают биологически активные вещества на синтез ДНК, строение клеток и органов.

Живой организм постоянно обменивается энергией с окружающей средой и при этом должен сохранять постоянство химического состава. Эти процессы регулируются разными параметрами, однако главную роль занимают биологически активные компоненты. Часть из них поступает с пищей – витамины, другая синтезируется железами внутренней и внешней секреции – гормоны.

К биологически активным веществам относятся: витамины, ферменты, гормоны, лекарства.

Витамины

 

Витамины – низкомолекулярные органические соединения различной химической природы, необходимые для осуществления важнейших процессов, протекающих в живом организме. [15] При этом витамины не участвуют в пластическом и энергетическом обмене.

Ещё с древних времён людям было известно, что отсутствие определённых продуктов вызывает заболевания. Однако до 1880 г. никто не предполагал, что в пищевых продуктах содержатся маленькие компоненты, оказывающие большое влияние на организм. Своё название витамины получили от латинского слова vita – жизнь. В настоящее время известно более 30 таких соединений. [16]

Для нормального развития человеку необходимо ежедневное поступление 100-120 мг витаминов.

На сегодняшний день принято обозначать витамины латинскими буквами: A, B, C, D и т.д.. Классифицируются они на растворимые в воде (B₁, B₂, B₃, B₆, B₁₂, H, C, P), растворимые в жирах (A, D, E, K), витаминоподобные вещества (B₁₅, U, ПАБК). [17]

Необходимость изучения витаминов вызвана тем, что они влияют практически на все сферы жизни:

· Улучшают сопротивляемость заболеваниям

· Поддерживают развитие (особенно подрастающего организма)

· Способствует усвоению микро- и макроэлементов

· Регулируют обмен веществ

Ферменты

Ферменты – это органические катализаторы белковой природы, которые ускоряют реакции, необходимые для функционирования живых организмов. [18] Благодаря их действию скорости многих реакций проходят в миллион раз быстрее, чем в отсутствие ферментов. Действуя, как катализаторы, они уменьшают энергию активации (энергия необходимая для протекания реакции между веществами), тем самым позволяют взаимодействовать многим важным соединениям. Таким образом, становятся возможны реакции, без дополнительных затрат и повышения температуры.  

Изначально считалось, что ферменты это небольшие вещества, сорбированные на белках, однако позднее выяснили, что они по своей природе являются белками и делятся на анаболические и катаболические. Первые применяются для синтеза органических веществ, вторые для распада. Как и все белки, ферменты образуют компактные структуры – глобулы.

Несмотря на то, что ферменты проявляют свойства присущие всем белкам, они также имеют и специфические особенности: зависимость от интервала температур и pH.

Многие ферменты работают только при нормальной температуре человеческого тела. Поэтому во время болезни превышение отметки 37° замедляет обменные процессы, связанные с действием ферментов, и ведёт к гибели.

В основном, ферменты проявляют своё действие при pH 7.  Изменение этого значения приводит к нарушению соотношения катионильных и анионильных групп. В сильнощелочной и сильнокислой среде ферменты теряют свою активность. На рис. 20 показана активность некоторых ферментов в разных средах.

 

 

 

Рис 20. Зависимость активности ферментов от pH среды.

1 – пепсин, 2 – амилаза, 3 – химотриисин.

Имея большой запас ферментов, в клетке возможны реакции распада полимерные веществ до их мономеров: жиров до глицерина и жирных кислот, полисахарид до моносахарид, белков до аминокислот. 

Огромное значение имело открытие в конце прошлого века рибозим (каталитических РНК), т.к. они могут обеспечивать воспроизведение РНК без деятельности белков-ферментов.

В настоящее время открыто более 2000 различных ферментов, которые разделены на 6 классов:

· Оксидоредуктазы (цитохромы) – катализируют ОВР

· Трансферазы – обеспчивают перенос функциональной группы от одного вещества к другому

· Гидролазы (эстеразы и пептидазы) – обеспечивают разрыв связей в молекуле путём гидролиза

· Лиазы – предназначены для разрыва связей С-С, С-О, С-N

· Изомеразы – обеспечивают изомерные превращения

· Лигазы – помогают образовать высокоэнергичные связи [19]

Необходимость изучения ферментов вызвана невозможностью в их отсутствие протекания реакций живого организма, следовательно и его существования, а также их применением в пищевой промышленности (в пивоварении, сыроварении) и лекарственных препаратах.

Гормоны

 

Гормон – это вещество органической природы, которое вырабатывается специализированными клетками желез внутренней секреции, поступает в кровь или лимфу и взаимодействует с клетками мишенями, оказывая влияние на метаболический процессы в них. [20]

Гормоны являются биорегуляторами, т.е. помогают синхронизировать функции всех органов. Они осуществляют гуморальную регуляцию по принципу обратной связи, т.е. не только гормоны действуют на систему органов, но и само состояние организма влияет на работу желёз. Например, уменьшение C₆H₁₂O₆ снижает секрецию гормона инсулина поджелудочной железой. Таким образом, именно гормоны поддерживают гомеостаз – постоянство внутренней среды организма. [21]

Гормоны также оказывают влияние на синтез генетической информации, в частности действует на образование соответствующей мРНК, которая служит матрицей для формирования новых ферментов.

Таким образом, любое заболевания желез внутренней секреции, вызывает сбой в выработке гормонов, что ведёт к неправильному обмену веществ и нарушению синтеза ферментов.

По своей химической природе гормоны можно разделить на 3 группы:

· Белковые (инсулин, соматропин) – содержат в своём составе большое количество аминокислот

· Производные аминокислот  (тироксин, адреналин) – содержат в своём составе аминогруппу.

· Стероидные (кортикостерон, андростандиол, тестестерон, эстрадиол, прогестерон). Являются производными стерана

 

· Пептидные (окситоцин, глюкокан, тиреокальцитоин) - представляют собой цепочку соединённых пептидными связями аминокислот

Известно, что действие раздражителей возбуждает клетки-рецепторы. Импульсы от них поступают в гипоталамус, где синтезируются первые биологически активные гормоноподобные вещества, они не поступают в кровь, а идут в гипофиз, где выделяются тропные гормоны. Они переносятся через кровь в соответствующие железы внутренней секреции, где вырабатываются сами гормоны.

Стоит заметить, что каждые рецептор отвечает за передачу импульса к месту синтеза своего определённого гормона. Например, рецепторы белковых и пептидных гормонов находятся на наружной части клетке, а стероидных во внутренней. [22]   

Необходимость изучать гормоны вызвана их большой биологической важностью, т.к. они:

· Регулируют метаболизма

· Регулируют развитие

· Обеспечивают адаптацию к окружающей среде

· Обеспечивают гомеостаз

Также необходимо помнить, что избыток или недостаток гормонов, как и витаминов, приводит к заболеваниям.