Медична біохімія Основні принципи вимірювальних технологій в біологічної хімії

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
Кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
«Медична біохімія. Основні принципи вимірювальних технологій в біологічної хімії »
МІНСЬК, 2008

Біологічна хімія вивчає хімію живої природи у всіх її проявах від бактерій, включаючи віруси до тварин. Біохімія більшою мірою спирається на органічну хімію, а також тісно пов'язана з неорганічної, фізичної та аналітичної. Як відомо, всі живі організми складаються з хімічних сполук - органічних і неорганічних. Такі органічні сполуки як білки, вуглеводи, ліпіди, нуклеїнові кислоти часто називають біомолекулами. Більшість цих біомолекул складається тільки з 6 елементів неметалів: кисню, вуглецю, водню, азоту, фосфору і сірки. Вивченням цих найважливіших біомолекул і займається біохімія.
Всі живі організми містять таку неорганічну сполуку як вода. Вода - найважливіша речовина, яка забезпечує життя. Значення неорганічних сполук велике. Вони присутні в іонній формі, причому або у вигляді вільних іонів, або входять до складу складних органічних груп.
Завдання, які стоять перед біохімією, можна вирішити шляхом об'єднання її результатів з даними біофізики, морфології, генетики та інших
біологічних дисциплін. В останні роки розвиток біохімії в більшою мірою визначається досягненнями фізики, математики, кібернетики, механіки. Природно вивчення складу і структури біологічної природи та особливостей їх обміну неможливо без використання складних фізико-хімічних методів і точних вимірювальних приладів.
Створення приладів для вирішення завдань, що стоять перед біохімією стало можливим тільки після розробки таких методів дослідження як гідроліз, хроматографія, електрофорез, використання мічених атомів, рентгеноструктурний аналіз. Застосування цих методів зажадало створення апаратів і приладів, ультрацентрифуг, комп'ютерних програм для цієї техніки.
Які ж питання вирішує біохімія:
- Як синтезуються біомолекули в клітці?
- Як розпадаються. Як їх розпад пов'язаний з вивільненням корисної хімічної енергії всередині клітини. У якому вигляді ця енергія виробляється?
- Як взаімопревращается біомолекули?
- Як потрапляють у клітину і виводяться?
- Як їх можна виділити, синтезувати?
- Яка їх молекулярна структура?
- Які спеціальні функції вони виконують?
- Як гени контролюють біохімічну специфічність, тобто індивідуальність організму?
- У чому причини відхилення від норми, тобто причини патологічного стану?
- Як можна поліпшити медичну діагностику, враховуючи біохімічні критерії?
- Яким чином гормони регулюють діяльність організму і які інші шляхи саморегуляції організму?
Отже, біохімія з'ясовує зв'язку функції і структури, способи дії регуляторних механізмів, що лежать в основі життєдіяльності.
Біохімія є теоретичною основою медицини. Знання біохімічних процесів, що протікають у нормальному здоровому організмі, дозволяє зрозуміти природу різних захворювань, які в своїй основі представляють різноманітні відхилення протекаюшіх в організмі хімічних реакцій, тобто патогенез захворювань.
Один з основних принципів клінічної медицини полягає в тому, що нормальна життєдіяльність організму вимагає дотримання досить суворого сталості внутрішнього середовища організму.
Помірні відхилення більшості біохімічних показників можуть бути виявлені тільки при знанні нормальних величин. Повинні враховуватися не тільки межі можливих коливань кожного з досліджуваних показників, але і їх залежність від статі, віку, фізіологічних станів. Для деяких захворювань методи біохімічного аналізу є чи не єдиним засобом, що дає можливість постановки правильного діагнозу.
Вивчення обміну речовин в організмі людини відбувається на різних рівнях:
- Цілого організму
- Органу або тканини
- Клітки
- Молекули
У цих дослідженнях застосовуються різні методи дослідження.
Так обмін речовин на рівні цілого організму вивчається шляхом визначення кількості поживних речовин, одержуваних організмом і виділилися з нього (добові аналізи).
Методами екстрактів або гомогенатов досліджують обмін на рівні клітини. Ці методи в основному використовуються в експериментальних дослідженнях. В експерименті з органів тварин виділяють тканини, з яких готують екстракти або гомогенат і в них проводять визначення активності ферментів, або визначають зміст будь-яких речовин. У лабораторній діагностиці проводять аналіз крові, готують плазму або сироватку і визначають у ній кількість цукру, протромбіну, гемоглобіну і т.д.
У субклітинних фракціях під електронним мікроскопом були відкриті різні внутрішньоклітинні органели: ядро, лізосоми, мітохондрії, мікросоми і т.д. Ці елементи також експериментально виділяють з тканин тварин і рослин. Розроблено методи виділення цих структур шляхом диференціального центрифугування в центрифугах з великим коліческтво обертів, доходить до 10-60 тис. на хв.
Седиментаційних аналіз - поділ речовин в ультрацентрифуге під дією відцентрової сили. У зв'язку з різними величиною і щільністю досліджуваних частинок вони осідають при різних прискореннях.
Вивчення складу і структури речовини біологічної природи та особливостей його обміну неможливо без використання складних фізико-хімічних методів і точних вимірювальних приладів. Створення цих приладів стало можливим після розробки таких методів дослідження як гідроліз, хроматографія, електрофорез, рентгеноструктурний аналіз. У клінічних біохімічних лабораторіях широко використовуються різні моделі електрофотоколоріметров, спектрофотометрів, флюоріметров, а також апаратів електрофорезу, амінокислотних аналізаторів, автоматичного колектора відбору фракцій, колонкової хроматографії.
Розглянемо докладніше ці методи:
Електрофорез - цей метод заснований на тому, що в електричному полі молекули речовини, яка володіє електричним зарядом, будуть пересуватися до катода або аноду. Швидкість і напрямок їх пересування залежать від величини заряду молекули, її форми, розміру.
Наприклад, якщо суміш білків помістити в електричне поле, то білки з позитивним зарядом будуть переміщатися в бік негативного електрода, а білки з негативним зарядом - у бік позитивного електрода, білки ж з нульовим зарядом залишаться на місці старту. Білки з більш високою щільністю заряду будуть рухатися у напрямку до відповідного електрода швидше, ніж білки з більш низькою щільністю заряду.
Електрофорез проводять: у розчинах, на носіях-смужка паперу, плівки ацетату або целюлози, пластинах гідрофільного гелю, трубочках, заповнених гелем.
Приклад:
Скляні трубочки поміщають у прилад для електрофорезу. Заповнюють їх гідрофільним розчином, який полімеризується і перетворюється на гель. На поверхню гелю наносять суміш білків або амінокислот, потім прилад підключають до джерела струму. Через певний проміжок часу відбувається розділення суміші. Гель витягують з трубочок і аналізують на денситометрі.
Хроматографія - сутність методу полягає в тому, що різні речовини мають різну здатність адсорбуватися на певних речовинах. Речовини розділяються між двома фазами: рухомою і нерухомою. При цьому весь процес поділу складається з багаторазових актів переходу речовини з однієї фази в іншу.
Які бувають види хроматографії?
Розподільна - процес поділу відбувається внаслідок різної розчинності.
Адсорбційна - поділ відбувається внаслідок різної сорбуємість речовин на поверхні твердої фази (колонкової хроматографії, гель-фільтрація, тобто поділ речовин в залежності від їх молекулярної ваги та розміру молекул, колонка є хіба що молекулярне сито).
Іонообмінна - відбувається в результаті обміну іонів. Метод заснований на різних кислотно-основні властивості поділюваних речовин.
Хімічна - наприклад, комплексоутворення або осадова хроматографія.
У лабораторній діагностиці хроматографія використовується для розділення сумішей амінокислот, а також для ідентифікації та кількісного визначення розділених амінокислот. Заснований на відмінностях кислотно-основних властивостей амінокислот.
Приклад:
Хроматографічна колонка являє собою довгу скляну, заповнену гранулами синтетичної смоли трубку, яка містить міцно пов'язані з нею заряджені групи:
- Смоли з пов'язаними аніонними групами - катіонообмінні
- Смоли з пов'язаними катіонними групами - аніонообмінні
У найпростішому варіанті іонообмінної хроматографії поділ амінокислот здійснюють на колонці з катіонообмінної смолою, в якій пов'язані аніонні групи, наприклад, залишки сульфоновой кислоти (- S0 3 -) спочатку "навантажують" іонами Nа +, потім на поверхню смоли наносять кислий розчин (рН 3 , 0), що містить аналізовану суміш амінокислот і повільно пропускають через колонку. У міру проходження через колонку позитивно заряджені амінокислоти витісняють іони Nа +, пов'язані з групами - S0 3 -, які міцно приєднані до частинкам смоли. Виходить з нижнього кінця колонки розчин (елюат) збирають у вигляді невеликих порцій (фракцій) і визначають кількість містяться в них амінокислот.
Цей процес може бути автоматизований. Запис показань і аналіз здійснюється на аналізаторі.
Інший різновид хроматографії - гель-фільтрація. У цьому випадку колонка заповнюється дуже дрібними пористими гранулами високогідратірованного полімеру. Розчин суміші амінокислот пропускають через колонку. Молекули білків, що мають порівняно невеликі розміри, проникають через пори всередину цих гранул, в результаті чого їх проходження через колонку сповільнюється, тоді як молекули великих білків не можуть проникнути всередину гранул і проходять через колонку значно швидше. Таким чином колонка є молекулярним ситом. Елюат збирають порціями і аналізують.
Для дослідження структури речовин та вивчення хімічних перетворень використовується спектроскопія. При дослідженні біологічних об'єктів перевагу спектральних методів полягає в тому, що речовина в процесі дослідження не руйнується. Ці методи дозволяють виявити незначні кількості речовин.
Оптичні методи кількісного аналізу дозволяють реєструвати зміни, що відбуваються з променем світла при проходженні його через досліджуваний розчин, а також вимір випромінювання молекул досліджуваного речовини.
Спектр - це залежність кількості поглиненої або випромененої системою енергії від довжини хвилі або іншого параметра (наприклад, хвильового числа).
Спектр поглинання є специфічною характеристикою різних з'єднань при проходженні через них світлової енергії. Спектр може бути отриманий у видимій (400-800 нм), ультрафіолетової (200-400 нм) або інфрачервоної області (800нм-5 мкм). Окремі піки в спектрі відповідають довжинам світлових хвиль, які поглинаються цим з'єднанням, причому найбільший пік відповідає довжині хвилі з максимальним поглинанням.
Молекули взаємодіють з випромінюванням в широкому діапазоні довжин хвиль і тому їх спектри лежать в різних областях. Електронні спектри обумовлені переходом електронів зовнішніх оболонок атомів з одного енергетичного рівня на інший.
Спектроскопія у видимій і ультрафіолетовій областях. Принцип - енергетичний перехід зовнішніх електронів в молекулах. Застосовується при кількісних визначеннях ферментів і кінетичних дослідженнях.
Спектрофлуоріметри. Принцип - випускання світла, довжина хвилі якого більше ніж довжина хвилі поглиненого світла. . Застосування - кількісний аналіз, кінетика, якісний аналіз.
Інфрачервона спектроскопія і спектроскопія комбінаційного розсіяння. Принцип - коливання атомів у молекулі призводять до зміни дипольного моменту і поляризуемости. Застосування - якісний аналіз.
Полум'яна спектрофотометрія. Принцип - енергетичні переходи зовнішніх електронів атомів після випаровування речовини у полум'ї.
ЯМР-спектрометрія. Принцип - реєстрація магнітних моментів ядер з непарним числом протонів.
Мас-спектрометрія. Принцип - визначення кількості позитивно іонізованих молекул і їх фрагментів. Використовується для визначення амінокислот в білках.
При дослідженнях і клінічних аналізах буває необхідність визначити дуже малі кількості сполук у складних сумішах. У цих випадках застосовують методи радіоімунного і ферментіммунного аналізу. Ці методи забезпечують високу специфічність і чутливість.
Для проведення радіоімунного аналізу необхідно мати радіоактивне з'єднання і суміш g-глобулінів, що містить антитіла до цього з'єднання, які специфічно пов'язують його. Чутливість методу забезпечується радіоактивністю, а специфічність - використанням антитіл.
Ферментіммунний аналіз грунтується на конкурентному зв'язуванні ідентичних лігандів та антитіла. У цьому методі чутливість детекції досягається шляхом використання не радіоактивності, як у радіоімунному аналізі, а ферментів. Специфічність же зумовлена ​​використанням антитіла.
Приклад - сатураційного аналіз. Конкурентне взаємодія молекул гормону і специфічного антитіла або іншого зв'язуючого білка. Введення міченого ліганда (гормон), маркованого радіоактивним ізотопом або коньюгированного (зв'язаного) з яких-небудь ферментом, призводить до насичення (сатурації) зв'язуючого білка. Доданий до системи немічених гормон витісняє частина молекул ліганда з комплексу з білком.
Метод ізотопів - принцип його полягає в тому, що синтезується речовина, в молекули якого вводять атоми радіоактивних або важких ізотопів і далі використовують для проведення клінічних аналізів.
Радіоактивні ізотопи представляють собою нестабільні форми елементів, здатні спонтанно розпадатися, переходячи у більш стійкі форми. Розпад супроводжується випусканням альфа, бета або гамма випромінювання або їх поєднанням. У біохімії широко застосовуються такі радіоізотопи: вуглець-14, водень-3 (тритій), сірка-35, фосфор-32 і 33. Ці елементи випускають тільки бета-випромінювання. Виявити і вимірювати радіоактивність можна різними способами, використовуючи лічильник Гейгера-Мюллера, рідинної або твердотільний стінтілляціонние лічильники і радіоавтографію.
До всіх методів, що використовуються в біохімії, пред'являються певні вимоги: вони повинні мати точністю, відтворюваністю, чутливістю і специфічністю.
Точність відображає ступінь наближення результату аналізу до справжньому змісту визначається речовини. Подання про точність застосовуваного методу отримують дослідним шляхом. В аналізований матеріал (кров, сеча, тканина) вводять відоме кількість досліджуваного препарату і проводять визначення.
Відтворюваність результатів досягається проведенням повторних аналізів одного і того ж зразка біологічного матеріалу або паралельні визначення в серії експериментів (не менше ніж 20 різних зразків). Після цього обчислюють величину стандартного відхилення отриманих результатів повторних досліджень від середнього вмісту.
Під чутливістю методу мається на увазі найменшу кількість визначається речовини, що може бути встановлено з достатньою достовірністю. Чутливість методу можна збільшити зміною умов вимірювання, наприклад, використанням мікрокювет в спектрофотометрах і флюоріметрах, а також застосуванням більш досконалих вимірювальних приладів. Від чутливості методу залежить і відтворюваність результатів.
Специфічність - це вимірювання якої-небудь речовини на відміну від інших речовин, присутніх у досліджуваному матеріалі. Для забезпечення специфічності хімічних методів необхідно якісне виділення досліджуваного матеріалу, застосування характерних для нього хімічних реакцій, якість і чистота використовуваних реактивів, використання досконалих приладів.
Основна вимога до методів досліджень - це адекватність їх до поставленого завдання.
Для оцінки отриманих результатів використовують біометрію - сукупність математичних методів, що застосовуються у біології і запозичених з області математичної статистики і теорії ймовірностей. Сучасна біометрія - розділ біології, який включає планування спостережень та статистичну обробку матеріалу (результатів).
У чому полягають причини варіювання результатів спостережень? Біологічні ознаки можуть варіювати під впливом різних причин. Варіювання результатів відбувається внаслідок:
1) природної мінливості ознак, 2) помилки вимірювань
Точність вимірювань:
Зазвичай вимірювання проводять з точністю до десятих, сотих чи тисячних часток одиниці, потім цифри округляють. Отримані дані групують - об'єднують у відносно однорідні групи.
Похибка або помилка - це різниця між результатами вимірювань і реальне значеннями результату вимірюваної величини. Помилки можуть виникати з-за несправності і неточності вимірювальних приладів та інструментів (технічні помилки), особистих якостей дослідника, його навичок та майстерності в роботі (особисті) та цілого ряду інших причин (випадкові). Технічні та особисті помилки є систематичними, випадковими, їх можна подолати, удосконалюючи технічні засоби, умови роботи та особистий досвід.
Випадкові помилки - це помилки одиночного значення. Наявність випадкових помилок виражається в тому, що при повторному визначенні одного і того ж матеріалу отримують не однакові, а різняться між собою результати. Величина випадкових помилок є мірою відтворюваності лабораторних показників. Чим менше випадкових помилок, тим краще вопроізводімость даних. Отримані дані групують і об'єднують у відносно однорідні групи, складаючи статистичні таблиці, статистичні ряди - ряд числових значень ознаки, розташованих у певному порядку. Варіаційний ряд або ряд розподілу - це подвійний ряд чисел, що показує, яким чином числові значення ознаки пов'язані з їх повторюваністю в даній статистичної сукупності.
Середні величини на відміну від індивідуальних числових характеристик мають більшу здатність характеризувати цілу групу однорідних одиниць одним середнім числом. Середнє арифметичне - це центр розподілу, навколо якого групуються всі варіанти статистичної сукупності.
Результати біохімічних досліджень виражаються в одиницях СІ. Основні одиниці системи СІ - метр, кілограм, секунда, міль. Зміст речовини, молекулярна маса яких відома, виражається величиною молярної концентрації. Молярна концентрація - це кількість молей речовини, що знаходяться в літрі розчину. Для вираження активності ферментів застосовується розмірність моль / секунда / літр.
Розрахунок концентрації розчину:
масова концентрація, це кількість речовини: м / л, мг / л, мкг / л
молярна концентрація, це кількість молей речовини в літрі розчину: міль = м.в. / 1 л, М / л, мМ / л = 0,1 М , МкМ / л = 0,001 М.
Приклад: Для приготування розчину будь-якої концентрації необхідно розрахувати за формулою речовини його молекулярна вага (таблиця Менделєєва) і ця кількість речовини розчинити в 1 розчину. Якщо необхідно приготувати розчин меншого чи більшого обсягів становлять пропорцію: молекул. вага речовини - 1000 мл
Х г речовини - 100 мл

Активність ферменту виражається його молярної концентрацією за певний проміжок часу (хв, сек). Виражається активність ферменту вмістом його в певній кількості (г або мг) тканини, або (г або мг) білка, що міститься в обумовленою тканини, сироватці крові, лікворі. Приклад: міль / хв / г тканини, мкмоль / хв / мг білка.
Приклад:
Для визначення кількості речовини будується калібрувальна крива. Для цього готують розчини речовини, наприклад, білка відомої концентрації (15-20 розведень) і вимірюють на спектрофотометрі при певній довжині хвилі. За отриманими точкам будують калібрувальну криву. Розчин невідомої речовини також вимірюють на спектрофотометрі. Отриману цифру порівнюють з калібрувальної кривої, визначаючи по ній кількість речовини в розчині.
Є прилади з комп'ютерними програмами для визначення концентрації розчинів. У цих електронних приладах враховується необхідна довжина хвилі, об'єм або вага зразка, час протікання реакції.
Таким чином, біохімічні методи дозволяють об'єктивно оцінити і охарактеризувати склад складних біологічних систем, якими є біологічні рідини організму людини. Біохімічні аналізи широко використовуються в медицині для диференціальної діагностики захворювань, прогнозу, моніторингу та скринінгу. Біохімічні дослідження допомагають підтвердити або спростувати діагноз, виявити хворобу в доклінічній стадії, простежити перебіг хвороби і можливі ускладнення, оцінити ефективність проведеної терапії. Основне завдання клінічної біохімії - дослідження функціонування живих систем з точки зору процесів, що протікають у клітинах і в клітинних структурах. Однак отримані результати необхідно розглядати на рівні органів, тканин, всього організму і у взаємозв'язку цілого організму з навколишнім середовищем.
Для отримання результатів біохімічного аналізу, вірно відображаючи відбуваються в організмі зміни, необхідно забезпечити дотримання стандартних умов предлабораторного етапу, який включає: відповідну підготовку пацієнта до досліджень, правильне взяття проби біологічного матеріалу, дотримання умов його зберігання та транспортування в лабораторію.
Які м етод кількісного аналізу використовують у клініко-діагностичних лабораторіях - це:
1. Ваговий (гравіметричний) аналіз - заснований на виділенні речовини в результаті певних реакцій, висушування і точного зважування його на аналітичних або торсіонних вагах.
2. Об'ємний (титрометричним) аналіз - заснований на точному вимірюванні обсягів реагують між собою речовин в еквівалентних (рівних) кількостях. Об'ємний аналіз включає метод нейтралізації, метод окислювально-відновних реакцій, комплексонометріі, метод осадження і т.д.
3. Електрооб'емние (електроаналітичні) методи - засновані на електрохімічних властивості розчинів. У цю групу входять потенціометрія, вольтамперометрия, полярографія і т.д. Визначення проводять у біологічних рідинах за допомогою іоноселективних електродів.
4. Оптичні методи-поляриметрія, фотометрія.
5. З методів розділення біологічного матеріалу найбільш часто використовують такі методи: електрофорез, хроматографію, ультрацентрифугирование Для цієї мети розроблені і серійно випускаються автоматичні аналізатори для біохімічних, гематологічних, мікробіологічних та інших досліджень.
Оцінка якості виконаних досліджень дозволяє попередити і усунути можливі помилки, підвищити точність та діагностичну надійність результатів аналізу.
ЛІТЕРАТУРА
1. Мецлер Д. Біохімія. Т. 1, 2, 3. "Світ 2000
2. Ленінджер Д. Основи біохімії. Т.1, 2, 3. "Світ" 2002
3. Фримель Г. Імунологічні методи. М. "Медицина 2007
4. Медична електронна апаратура для охорони здоров'я. М 2001
5. Резніков О.Г. Методи визначення гормонів. Київ "Наукова думка 2000
6. Бредікіс Ю.Ю. Нариси клінічної електроніки. М. "Медицина 1999
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Медицина | Реферат
47.2кб. | скачати


Схожі роботи:
Медична біохімія
Елективний курс Біохімія в шкільному курсі хімії
Застосування сучасних комп`ютерних технологій при вивченні хімії
Основні підходи до первинної обробки біологічної сировини Сепарація осадження екстракція
Основні підходи до первинної обробки біологічної сировини Сепарація осадження екстракція
Основні закони хімії
Основні визначення в хімії
Основні положення та закони хімії
Основні етапи розвитку хімії
© Усі права захищені
написати до нас