OCHRONNE DZIAŁANIE KOLOIDÓW HYDROFILOWYCH NA

WODA W ORGANIZMIE CZŁOWIEKA – KOLOIDY

Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

1

SKŁADNIKI UKŁADU – substancje chemiczne, z których złożony jest dany układ; tworzą ze sobą różnego rodzaju mieszaniny – co sprawia, że w układzie mogą współistnieć ze sobą różne fazy

FAZA - część układu oddzielona od pozostałych granicą, na której następuje skokowa zmiana właściwości fizykochemicznych; - faza zawierająca jeden składnik - substancja czysta, - faza składająca się z więcej, niż jednego składnika - roztwór

ROZTWÓR – mieszanina dwóch lub więcej substancji rozpuszczonych w rozpuszczalniku, czyli substancji przeważającej ilościowo nad pozostałymi składnikami roztworu 2

UKŁADY Podział układów ze względu na: 1) liczbę występujących substancji:  jednoskładnikowe  wieloskładnikowe 2) liczbę występujących faz: jednofazowe wielofazowe

UKŁADY: HETEROGENICZNE – wielofazowe (pozornie jednofazowe), niejednorodne; np. woda z lodem (układ heterogeniczny, dwufazowy, jednoskładnikowy), woda z rtęcią (układ heterogeniczny, dwufazowy, dwuskładnikowy) HOMOGENICZNE –jednofazowe, jednorodne w całej przestrzeni zarówno pod względem chemicznym, jak i fizycznym; 3 np. roztwór glukozy (układ homogeniczny, jednofazowy, dwuskładnikowy)

RODZAJE ROZTWORÓW – w zależności od stopnia rozdrobnienia substancji rozproszonej w fazie rozpraszającej:

RODZAJ ROZTWORU

ŚREDNICA CZĄSTEK FAZY ROZPROSZONEJ

Właściwy/ rzeczywisty (homogeniczny)

< 10-9 m ( 10-7 m (>100 nm)

4

ROZTWORY KOLOIDALNE ROZTWORY KOLOIDALNE - heterogeniczne układy dyspersyjne, w których można wyróżnić fazę ciągłą rozpraszającą (rozpuszczalnik) i nieciągłą fazę rozproszoną o średnicy cząsteczek 10-9 - 10-7 m (1 – 100 nm, czasem nawet do 500nm)

Wszystkie żywe komórki są zespołami różnorodnych układów koloidalnych. UKŁADY KOLOIDALNE są szeroko rozpowszechnione: w przyrodzie ożywionej (białka, węglowodany) w przyrodzie nieożywionej (gliny, mgły, pył wulkaniczny) wśród związków otrzymywanych sztucznie w laboratorium (mydła , barwniki, siarka koloidalna, tlenki metali)

5

WŁAŚCIWOŚCI ROZTWORÓW KOLOIDALNYCH (1) Przesączają się przez zwykłe sączki bibułowe, ale są zatrzymywane na ultrasączkach

Są widoczne w ultramikroskopie Nie dializują – nie przechodzą przez błony półprzepuszczalne pozostające w kontakcie z czystym rozpuszczalnikiem. Dializa to proces polegający na oczyszczaniu koloidów, wykorzystujący przechodzenie przez błony półprzepuszczalne tylko elektrolitu lub substancji niskocząsteczkowych (równowaga membranowa Donnana) Wykazują ruchy Browna, czyli ustawiczne i bezładne ruchy niezależne od przyczyn zewnętrznych i nie znikające z czasem; są one wywołane uderzeniami cząsteczek fazy rozpraszającej o powierzchnię cząstek fazy rozproszonej 6

WŁAŚCIWOŚCI ROZTWORÓW KOLOIDALNYCH (2) Wykazują: niewielkie obniżenie temperatury krzepnięcia niewielkie obniżenie prężności par rozpuszczalnika niewielkie podwyższenie temperatury wrzenia małe wartości ciśnienia osmotycznego

Mogą ulegać koagulacji

Wykazują efekt Faraday’a-Tyndalla (czyli zjawisko polegające na rozproszeniu światła przez drobne cząstki zawieszone w ośrodku ciekłym, względnie gazowym, czyli w tzw. ośrodku mętnym (np. kurz, mgła, mleko) z wytworzeniem charakterystycznego stożka świetlnego 7 tzw. stożka Tyndalla

EFEKT FARADAY’A-TYNDALLA

8

KLASYFIKACJA UKŁADÓW KOLOIDALNYCH W ZALEŻNOŚCI OD (1): I. stanu skupienia fazy rozproszonej i rozpraszającej FAZA ROZPROSZONA

FAZA ROZPRASZAJĄCA

KOLOID

PRZYKŁAD

Gaz Ciecz Ciało stałe

Gaz Gaz Gaz

Aerozole ciekłe Aerozole stałe

Mgła, chmury, pary Dym, kurz

Gaz Ciecz

Ciecz Ciecz

Piana Emulsja

Ciało stałe

Ciecz

Zole

Piana: mydlana, na piwie Kremy, lakier do paznokci, mleko, majonez, masło Zole tlenków i wodorotlenków metali, roztwory wielkocząsteczkowych polimerów

Gaz Ciecz Ciało stałe

Ciało stałe Ciało stałe Ciało stałe

Piany trwałe Emulsje stałe Zole stałe

Pumeks, styropian Galaretka, opale Szkło rubinowe, barwne kryształy 9

KLASYFIKACJA UKŁADÓW KOLOIDALNYCH W ZALEŻNOŚCI OD (2): II. wymiarów cząstek koloidalnych monodyspersyjne (cząstki fazy rozproszonej mają jednakową wielkość) polidyspersyjne (cząstki fazy rozproszonej mają różne wymiary)

III. stosunku fazy rozproszonej do ośrodka rozpraszającego

 koloidy liofilowe - mają duże powinowactwo do cząsteczek rozpuszczalnika; na powierzchni cząstek koloidalnych tworzą się otoczki z cząsteczek rozpuszczalnika koloidy liofobowe - mają małe powinowactwo do rozpuszczalnika, gromadzą na swej powierzchni dużą ilość jonów jednego rodzaju z ośrodka rozpraszającego 10

KLASYFIKACJA UKŁADÓW KOLOIDALNYCH W ZALEŻNOŚCI OD (3): IV. jakości fazy rozproszonej ciekłe układy koloidalne dzieli się na: roztwory molekularne – koloidy bardziej zbliżone do układów jednofazowych niż dwufazowych a klasyfikowanie ich do koloidów wynika głównie z rozmiarów cząsteczek np. wielkocząsteczkowe biopolimery o dużych rozmiarach cząstek i dużych masach cząsteczkowych (kwasy nukleinowe, polisacharydy, białka) roztwory micelarne – cząstki mają niewielkie rozmiary i niewielkie masy cząsteczkowe np. roztwory mydeł, detergentów, kwasów żółciowych. Charakterystyczną cechą struktury molekularnej tych związków jest występowanie obszarów o wybitnie polarnym i wybitnie niepolarnym charakterze. Jeżeli stężenie fazy rozproszonej jest bardzo małe to włąściwości tych koloidów niewiele różnią się od roztworów rzeczywistych *Roztwory molekularne i micelarne emulsoidów lub koloidów odwracalnych

są

hydrofilowe

i

noszą

nazwę 11

KLASYFIKACJA UKŁADÓW KOLOIDALNYCH W ZALEŻNOŚCI OD (cd 3): cd.IV. jakości fazy rozproszonej ciekłe układy koloidalne dzieli się na: emulsje – w organizmach żywych takie układy koloidalne są tworzone przez lipidy (tłuszcze, glikolipidy, fosfatydy); drobne kropelki tłuszczu mogą być utrzymane w środowisku wodnym w stanie rozproszenia koloidalnego jedynie przy udziale cząstek mających zdolność zmniejszania napięcia powierzchniowego, czyli emulgatorów. Emulgatorem jest substancja, która wykazuje rozpuszczalność w obu emulgowanych cieczach (np. spożyte tłuszcze w przewodzie pokarmowym są emulgowane przez kwasy żółciowe zawarte w żółci).

*Emulsje mają charakter hydrofobowy i noszą nazwę suspensoidów lub koloidów nieodwracalnych. 12

BUDOWA MICELI AgI WYTRĄCONEJ NADMIAREM KI

13

BUDOWA CZĄSTECZEK KOLOIDALNYCH Hydrofobowe micele koloidalne są tworzone najczęściej przez siarczki, tlenki, wodorotlenki metali ciężkich

Koloidy hydrofilowe są zbudowane zwykle z olbrzymich cząsteczek np. białka a swą trwałość zawdzięczają zaadsorbowanym na nich cząsteczkom wody

14

KOAGULACJA (1) KOAGULACJA – dążenie cząsteczek koloidu do łączenia się w większe jednostki (agregaty), które po osiągnięciu odpowiedniej wielkości tracą zdolność do utrzymania się w roztworze i opadają na dno naczynia (sedymentują).

Czynniki wywołujące koagulację : 1. Naświetlanie radiochemiczne – prom. beta powoduje koagulację zoli dodatnich 2. działanie mechaniczne – mieszanie, wytrząsanie 3. ogrzewanie – ścinanie się białka 4. odparowanie lub wymrażanie ośrodka dyspersyjnego 5. dehydratacja lub desolwatacja środkami odwadniającymi – aceton, alkohol 6. dodatek elektrolitu 15

KOAGULACJA (2) Peptyzacja – proces odwrotny do koagulacji - ponowne rozdrobnienie wytrąconych produktów koagulacji i przechodzenie skoagulowanego osadu z powrotem w stan koloidalny

ZOL

koagulacja

ŻEL/KOAGULAT

peptyzacja

16

KOAGULACJA (3)

Koloidów hydrofobowych (nieodwracalna) – uzyskiwana przez zobojętnienie ładunku elektrycznego nagromadzonego na powierzchni cząsteczek koloidalnych.

Koloidów hydrofilowych (odwracalna) - polega na usunięciu otaczającej cząsteczki koloidalne, warstwy hydratacyjnej zwanej też otoczką lub płaszczem wodnym.

17

KOAGULACJA (4)

18 Kędryna T.Chemia ogólna… 2001

KOAGULACJA (5) Warunki strącania (wysalania) białka Białka najłatwiej jest wysolić w punkcie izoelektrycznym (pI) – cząsteczki są elektrycznie obojętne i siły przyciągania między nimi są największe, co sprawia, że łatwo ulegają agregacji prowadzącej do wytrącania osadu.

W pH różnym od pI dzięki posiadanemu ładunkowi cząsteczki białka mogą się utrzymywać w roztworze mimo pozbawienia ich płaszcza wodnego (zachowują się jak koloidy hydrofobowe). Dodatek małych ilości jonów zobojętniających ładunek elektryczny prowadzi do wytrącenia białek, których cząsteczki nie posiadają wtedy ani płaszcza wodnego ani ładunku. 19

KOAGULACJA (6) Warunki strącania (wysalania) białka z roztworów (2) anion białkowy (emulsoid)

dodatek kwasów

wzrost pH

obniżenie pH

odwodnienie

odwodnienie

odwodnienie

dodatek zasad

dodatek kationów

dodatek anionów

utrata ładunku

anion białkowy (suspensoid)

kation białkowy (emulsoid)

białko w PI

utrata ładunku

OSAD

kation białkowy (suspensoid)

20

OCHRONNE DZIAŁANIE KOLOIDÓW HYDROFILOWYCH NA KOLOIDY HYDROFOBOWE Koloidy hydrofilowe wykazują większą trwałość niż koloidy hydrofobowe, działają tu bowiem dwa czynniki stabilizujące: warstwa hydratacyjna czasami jednoimienny ładunek cząstek (ładunek ten jest wynikiem dysocjacji kwasowych lub zasadowych grup znajdujących się w cząsteczkach tworzących cząstkę koloidalną)

Koloidy hydrofilowe działają ochronnie na koloidy hydrofobowe - dodatek koloidu hydrofilowego do hydrofobowego powoduje powstanie trwałego układu, z którego trudno wytrącić zawieszone cząstki hydrofobowe (np. drobne ilości białka dodane do koloidalnej zawiesiny złota chronią ją przed koagulacją).

Ochronne działanie koloidu można określić ilościowo, podając jego tzw. liczbę złota (czyli najmniejszą liczbę miligramów koloidu ochronnego, w przeliczeniu na czystą substancję, jaka zabezpiecza 10cm3 0,1% formaldehydowego zolu złota przed zmianą barwy z czerwonej na fioletową wskutek dodania 1cm3 10% roztworu NaCl). 21

KOLOIDY W PŁYNOTERAPII (1) Płynoterapia (1):

zabieg polegający na podaży płynów (najczęściej dożylnej, rzadziej dotętniczej lub podskórnej)

często stosowana zarówno i w pomocy doraźnej

w

leczeniu

szpitalnym,

jak

22

KOLOIDY W PŁYNOTERAPII (2) Płynoterapia (2): wyrównywanie niedoborów płynów jest jednym z najpilniejszych zadań w leczeniu chorych w ciężkim stanie z hipowolemią  hipowolemia - zmniejszenie objętości wewnątrznaczyniowej, w wyniku niedostatecznego funkcjonowania prawidłowych mechanizmów utrzymujących płyn w łożysku - może występować ze zmniejszoną, prawidłową lub zwiększoną objętością

zewnątrzkomórkową

- duża hipowolemia prowadzi do wstrząsu hipowolemicznego

Prowadzenie adekwatnej terapii płynowej przyczynia się do ograniczenia dysfunkcji narządowej i skraca czas hospitalizacji. 23

KOLOIDY W PŁYNOTERAPII (3) Podstawowe stany wymagające płynoterapii: wszelkie postacie wstrząsu (najczęściej wstrząs hipowolemiczny, ale także: anafilaktyczny, septyczny, neurogenny)

odwodnienie na skutek wzmożonej utraty płynów (biegunki, wymioty)

oparzenia (zwiększenie przepuszczalności naczyń w przypadku oparzeń powoduje utratę płynów przez pacjenta)

inne stany niedoboru płynów w organizmie 24

KOLOIDY W PŁYNOTERAPII (4) Cele prowadzenia płynoterapii: uzupełnianie płynów (np. krwi utraconej w wyniku krwotoku)

uzupełnianie elektrolitów i substancji odżywczych

podaż leków w połączeniu z płynami (gdy dany lek powinien być podawany przez kilkadziesiąt minut lub w dużym rozcieńczeniu)

25

KOLOIDY W PŁYNOTERAPII (5) Płyny wykorzystywane w płynoterapii: krystaloidy (wodne roztwory elektrolitów lub glukozy, m.in. 0,9% NaCl, 5% roztwór glukozy, płyn Ringera, płyn wieloelektrolitowy izotoniczny „PWE”) - stosowane przy utracie krwi do 15% masy ciała - wskazane u pacjentów, którzy mają deficyt płynów w przestrzeni śródmiąższowej lub u pacjentów z niedoborami elektrolitowymi (oparzonych i odwodnionych)

roztwory koloidalne (naturalne i syntetyczne) - stosowane przy utracie krwi przekraczającej 15% masy ciała

- wskazane w sytuacjach, gdy podaż krystaloidów jest niewystarczająca lub istnieje przeciwwskazanie do ich stosowania (np. ryzyko obrzęku płuc) - szacuje się, że podanie 1 litra koloidu odpowiada podaniu 4 litrów krystaloidów

krew i preparaty krwiopochodne (m.in. koncentrat krwinek czerwonych (KKCz), osocze świeżo mrożone (FFP), koncentrat płytek)

26

KOLOIDY W PŁYNOTERAPII (6) Roztwory koloidalne

naturalne

syntetyczne skrobia hydroksylowa (HAES/HES)

żelatyny

albumina ludzka

- wytwarzane z kolagenu otrzymywanego ze ścięgien, skóry i kości - niewielka masa cząsteczkowa - 35 kDa (szybkie wydalanie z moczem) - krótkotrwały efekt objętościowy - minimalny wpływ na hemostazę

- działa 24–36 h, - rzadko wywołuje reakcje alergiczne - duża jej ilość może wywołać koagulopatię z rozcieńczenia - stosowana m.in. w:  stanach ciężkiego niedoboru białka, przypadkach rozległych oparzeń,  obrzękach mózgu  wodobrzuszu

- wysoki koszt

- syntetyzowana z amylopektyny - preparaty HES: Plasmasteril (6% HES 450/0.7) oraz 3%, 6%, 10% roztwory HES:, HES 200/0.5, HES 200/0.5, HES 130/0.4 - preferowana:  wykazuje korzystne działanie reologiczne i hamujące agregację płytek krwi  nie kumuluje się w osoczu i tkankach oraz nie wpływa na hemostazę i czynność nerek

dekstrany

- polimery złożone z 200-450 cząsteczek glukozy - w klinice znalazły zastosowanie:  6% i 10% roztwór dekstranu 40 (T1/2= 2-3 h)  6% roztwór dekstranu 70 (T1/2= 6-8h)

- stosowane jako środki uzupełniające objętość wewnątrznaczyniową, poprawiające właściwości reologiczne krwi, do terapii przeciwzakrzepowej - najczęściej spośród koloidów wywołują r. anafilaktyczne

27

KOLOIDY W PŁYNOTERAPII (7) Roztwory koloidalne -zalety: pozwalają na szybkie uzupełnienie przestrzeni wewnątrznaczyniowej (krwotoki, wstrząsy) w porównaniu z krystaloidami dają szybszy, silniejszy i dłużej trwający efekt objętościowy

- powodują wzrost ciśnienia onkotycznego, co prowadzi do przemieszczania się wody do naczyń - długo utrzymują się w przedziale wewnątrznaczyniowym (2-12 godzin) - po podaniu koloidów obserwuje się wzrost objętości wewnątrznaczyniowej na poziomie od 100 % do nawet 400%

mają pozytywny wpływ na hemodynamikę, perfuzję narządową i zaopatrzenie w tlen 28

KOLOIDY W PŁYNOTERAPII (8) Roztwory koloidalne – wady: mogą wywołać reakcje uczuleniowe

po podaniu dużej ilości może wystąpić: - efekt rozcieńczenia składników krwi: białek, czynników krzepnięcia - zmniejszenie stężenia hematokrytu

cena

29

KOLOIDY W PŁYNOTERAPII (9) Idealny roztwór koloidalny: nie powinien kumulować się w osoczu i tkankach, ale łatwo poddawać się eliminacji z organizmu HES 130/0,4 nie powinien wpływać na hemostazę i czynność nerek

powinien być zawieszony w zrównoważonym do składu osocza roztworze krystaloidowym

30

Dziękuję za uwagę  !

31