Генетический ряд калия с уравнениями: Составьте генетический ряд для оксида калия и гидроксида калия.Составьте генетический ряд для лития и запишите их уравнения реакций.ПОМОГИТЕ ПОЖАЙЛУСТА!…

Содержание

«Генетическая связь между основными классами неорганических веществ»

Цели урока:

  • опираясь на знания учащихся об основных классах неорганических веществ, подвести их к понятию генетической связи и генетическим рядам металла и неметалла;
  • закрепить знания о номенклатуре и свойствах веществ, относящихся к разным классам; развивать умения выделять главное, сравнивать и обобщать; выявлять и устанавливать взаимосвязи;
  • развивать представления о причинно – следственных связях явлений.

Девиз урока: “Единственный путь, ведущий к знанию, — это деятельность” (Б.Шоу).

Оборудование и реактивы: медь, оксид меди (II), вода, соляная кислота, гидроксид натрия, прибор для получения водорода, спиртовка, спички, держатель, штатив с пробирками.

I. Актуализация опорных знаний и способов действий учащихся.

1. Провожу мозговой штурм по теме: “Основные классы неорганических веществ”. И одновременно с ответами учащихся на доске и в тетрадях заполняем таблицу ЗХУ – “Знаем, хотим узнать”.

Таблица ЗХУ.

Знаем Хотим узнать
  1. Простые и сложные вещества
  2. Оксиды
  3. Кислоты
  4. Основания и т. д
  1. Что такое генетическая связь?
  2. Почему называется генетической связью?
  3. Вещества каких классов входят в состав цепи?
  4. и т. д.

Сведения о классификации веществ представим в виде схемы.

Составим схему: “Классификация неорганических соединений”.



После заполнения таблицы осуществляется постановка учебных целей.

Провожу химический диктант.

Задание№1. Записать формулы веществ следующих химических соединений: оксид фосфора (V), литий, фосфор, оксид кальция, гидроксид лития, ортофосфорная кислота, соляная кислота, оксид лития, ортофосфат лития, нитрат калия. (Один ученик у доски, остальные в тетрадях).

Проверяем правильность написания формул этих веществ, а затем предлагаю задание классу:

  1. Распределить вещества по классам, согласно нашей схеме.
  2. Найти общее в составе этих веществ, что их объединяет.

Учащиеся высказывают свои версии, благодаря которым мы составляем простые схемы 2-х генетических рядов (металлов и неметаллов).

Схема генетических рядов

II. Создание проблемной ситуации.

Вопрос: “Все ли генетические ряды придерживаются данным схемам?”

Для создания проблемной ситуации использую проблемно – поисковую беседу, которая должна побудить учащихся к предположениям, высказыванию своей точки зрения, вызвать столкновение идей, мнений. суждений. В результате должна сложиться одна из следующих, наиболее типичных ситуаций:

  • учащиеся высказывают несколько точек зрения, необходимо выяснить, чей ответ является истинным;
  • учащиеся приходят к одной точке зрения и доказывают её справедливость;
  • у учащихся отсутствует свой вариант ответа, тогда необходимо его установить. Для этого на данном этапе проблемно – поисковой деятельности применяю тестовое задание. Главная задача – “столкнуть” учащихся с недостаточностью у них знаний об объекте познания, а также способов действий для выполнения предложенного им задания.

Пример тестового задания.

Задание. На рисунке соедините линиями формулы веществ в соответствии с их расположением в генетическом ряду меди. Составить генетический ряд меди и экспериментальным путём осуществите эти превращения.

Можно организовать групповую работу или работу в парах.

Ребята предлагают варианты генетических рядов. Выясняем, что из оксида меди(II) нельзя получить его гидроксид. Как же можно получить нерастворимое основание?

 

III. Постановка учебной проблемы.

Проблемную ситуацию, созданную на уроке, завершает постановка учебной проблемы: “Как составить генетический ряд металла, которому соответствует нерастворимое основание, и осуществить эту цепочку превращений экспериментальным путём?”.

IV. Решение учебной проблемы.

Предлагаю план исследовательской работы по решению учебной проблемы:

Действие

 
  1. Сформулировать проблему
  2. Выявить объект и предмет исследования
  3. Выдвинуть гипотезу
  4. Провести экспериментальное исследование
  5. Сделать вывод
 

Экспериментальное исследование оформляют в виде таблицы.

Эксперимент Наблюдения и выводы Уравнения химических реакций
1.

2.

3.

4.

   

Результат. Составляют генетический ряд меди:

Cu –> CuO –> CuCl2 –> Cu(OH)2 –> CuO –> Cu

Учащиеся делают вывод: существуют генетический ряд металла, которому соответствует щёлочь и генетический ряд металла, которому соответствует нерастворимое основание. Второй ряд богаче генетическими связями, так как полнее отражает идею взаимных превращений (прямых и обратных).

Общий вывод:

Выделяем признаки, которые характеризуют генетический ряд:

  1. Вещества разных классов;
  2. Разные вещества образованы одним химическим элементом, т. е. представляют собой разные формы существования одного химического элемента;
  3. Разные вещества одного химического элемента связаны взаимопревращениями.

Связь между веществами разных классов, образованных одним химическим элементом, связанных взаимопревращениями, отражающая общность происхождения веществ этого элемента (т.е. их генезис), и называется генетической связью.

V. Развивающее дифференцированное закрепление.

На этом этапе основной состав класса под руководством учителя решает задачи общего, а затем продвинутого уровня.

Задание. “Попади в цель”. Выберите формулы веществ, составляющих генетический ряд кальция. Составьте уравнения реакций этих превращений.

Инструкционная карта.

Этапы исследования.

1. Определите:

  • объект исследования
  • предмет исследования

2. Соберите информацию по плану:

  • названия соединений
  • принадлежность к основным классам неорганических соединений
  • характер и химические свойства данных соединений.

3. Сформулируйте гипотезу и постройте план исследования (теоретическое).

4. Проверьте гипотезу, составив генетический ряд.

5. Сделайте вывод о данном генетическом ряде.

Карта домашних заданий к теме: “Генетическая связь между основными классами неорганических веществ”.

Вариант Химические формулы веществ
1. CaSO3, BaO, h3SO4, Fe(OH)3, Ba, SO3, BaCl2, Ba(OH)2, h3, HBr.
2. S, HNO3, ZnCl2, SO2, Cu(OH)2, Na2SO3, h3O, h3SO3, LiOH, CaO.
3. CuO, h4PO4, C, h3CO3, CO2, Ca(OH)2, K2CO3, CuSO4, Fe(OH)2, N2.
4.
SiO2, K2O, Mg(OH)2, Si, NaOH, h3SiO3, Na, AgCl, K2SiO3, Al2O3.

Вопросы.

  1. Распределите вещества по классам, дайте названия.
  2. Составьте генетический ряд для данного простого вещества, осуществите эти превращения.
  3. Выберите формулы двухосновных кислот.
  4. Выберите формулу основного оксида, с какими из данных веществ он будет взаимодействовать (напишите уравнения реакций).
  5. Выберите формулы нерастворимых оснований.
  6. Выберите формулы кислородсодержащих кислот.
  7. Выберите формулу бескислородной кислоты, с какими из данных веществ она будет взаимодействовать (напишите уравнения реакций).
  8. Выберите формулу растворимого основания, с какими из данных веществ оно будет взаимодействовать (напишите уравнения реакций).

Составить генетический ряд лития и осуществить превращения. Генетическая связь между классами веществ. Тема: Обобщение пройденного материала

ПОМОГИТЕ ЗАВТРА НАДО) 8 КЛАСС ХИМИЯ, 1) Составьте генетический ряд серы, используя схему: неметалл—-> кислотный

оксид-> кислота →соль.

2) . Составьте молекулярные и там, где это имеет место, — ионные уравнения реакций согласно схеме:Na2O->NaOH->NaCl

Na2O->NaOH->Na2SO4

Укажите тип каждой реакции.

3) Закончите фразу: «Водные растворы диссоциируют на…

помогите плиз хоть с чем-то

Вариант № 1
Часть А. Тестовые задания с выбором одного правильного ответа
1. (2балла). Ряд, в котором представлены формулы веществ каждого из четырех классов неорганических соединений:
А. CuO, CO2, h3SO4, FeS Б. HNO3, h3S, Al2O3, CuCl2 В. P2O5, NaOH, HCl, Na2CO3
2. (2балла). В генетическом ряду CuSO4→X→CuO
Веществом Х является вещество с формулой: А.CuOH Б. Cu(OH)2 В. CuCl2
3. (2балла). Формула гидроксида, соответствующего оксиду серы(VI):
А. h3S Б. h3SO3 В. h3SO4
4. (2балла). Генетическим рядом является ряд, схема которого:
А. Cu(OH)2→CuO→ Cu Б. FeSO4→Fe(OH)2→ h3O В. SO3→h3SO4→h3
5. (2балла). Гидроксид меди(II) можно получить при взаимодействии веществ, формулы которых: А. Cu и h3O Б. CuO и h3O В. CuCl2 и NaOH
6. (2балла). Пара формул веществ, взаимодействующих друг с другом:
А. Ca(OH)2 и CuO Б. HCl и Hg В. h3SO4 и MgO
7. (2балла). Гидроксид калия вступает в реакцию:
А. с гидроксидом меди(II) Б. с оксидом углерода(IV) В. с оксидом кальция
8. (2балла). В схеме превращений CaO→X Ca(OH)2 →Y CaCl2
вещества Х и Y имеют формулы:
А. X – h3O, Y – HCl Б. X – h3, Y – HNO3 В.X – O2, Y — HCl
9. (2балла). В генетическом ряду Э→Э2О→ЭОН→Э2SО4 Элемент Э – это:
А. Литий Б. Кальций В. Сера
10. (2балла). Ряд формул соединений, в котором каждое из них взаимодействует с водой при обычных условиях:
А. CO2, SO2, SiO2 Б. BaO, P2O5, Li2O В. K2O, CaO, CuO

Часть Б. Задания со свободным ответом

11. (8 баллов). Составьте генетический ряд бария, используя необходимые для этого формулы веществ: Ba(OH)2, h3SO4, CO2, Ba, MgO, BaSO4, BaO
12. (8 баллов). Напишите молекулярные и там, где это имеет место, — ионные уравнения реакций согласно схеме: P→P2O5→h4PO4→Na3PO4
13. (6 баллов) Допишите уравнения реакции:
? + 2HCl→? + ? +СО2
14. (4 балла). Запишите формулы веществ А и В, пропущенных в генетическом ряду: CuSO4→А→В→Cu

ЧАСТЬ А. Тестовые задания с выбором правильного ответа

1/ (2 балла) Ряд, в котором представлены формулы веществ каждого из четырёх классов неорганических соединений:
P2O5, h3SO4, h3SO3, NaOH
SO2, h3SiO3, MgSO4, CuO
CO2, h3S, K2SO3, KOH
2/ (2 балла) В генетическом ряду

Li Li2O X LiCl
веществом Х является вещество с формулой
A) Li B)LiOH C) HCl
3) (2 балла) Формула гидроксида, соответствующего оксиду фосфора (V):
A) HPO2 B) h4PO3 C) h4PO4
4) (2 балла) Генетическим рядом является ряд, схема которого
A) SO3 h3SO4 CaSO4
B) ZnCl2 Zn(OH)2 h3O
C) Al AlCl3 AgCl
5) (2 балла) Хлорид меди (II) можно получить при взаимодействии веществ, формулы которых:
A) Cu + HCl B) CuO + HCl C) CuOH + HCl

6) (2 балла) Пара формул веществ, взаимодействующих друг с другом:
A) Ag + HCl B) SO2 + NaOH C) CuO + NaOH
7) Cоляная кислота вступает в реакцию:
А) с магнием В) с оксидом серы (IV) С) с серебром
8) (2 балла) В схеме превращений:
P P2O5 h4PO4
вещества Х и У имеют формулы:
А) Х – h3O, Y – HCl B) X – O2, Y – h3 C) X – O2, Y – h3O
(2 балла) В генетическом ряду
Э Э2О5 Н3ЭО4 Na3ЭО4
элемент Э – это:
А) калий В) сера С) фосфор
10) (2 балла) Ряд формул соединений, в котором каждое из них взаимодействует с водой при обычных условиях:
A) CO2, Li2O, SO3 B) CuO, P2O5, CaO C) BaO, FeO, ZnO
Часть Б. задание со свободным ответом
(8 баллов) Составьте генетический ряд бария, используя необходимые для этого формулы веществ: h3O, SO2, Fe2O3, S, CaCO3, h3SO3, K2SO3
(8 баллов) Напишите молекулярные и там, где это имеет место, — ионные уравнения реакций согласно схеме:

Ba BaO Ba(OH)2 BaSO4
Укажите типы реакций по числу и составу исходных веществ и продуктов реакции.
(6 баллов) Допишите уравнения реакций:
Fe(OH)3 + NaOH = ? +
(4 балла) Запишите формулы веществ А и В, пропущенных в генетическом ряду:
Li A B Li3PO4
(4 балла) Допишите уравнение реакций
N2 + ?= N2O3

Генетической связью между веществами называется такая связь, которая основывается на их взаимопревращениях, она отражает единство происхождения веществ, другими словами – генезис.

Обладая знаниями о классах простых веществ, можно выделить два генетических ряда:

1) Генетический ряд металлов

2) Генетический ряд неметаллов.

Генетический ряд металлов раскрывает взаимосвязанность веществ разных классов, в основу которой положен один и тот же металл.

Генетический ряд металлов бывает двух видов.

1. Генетический ряд металлов, которым в качестве гидроксида соответствует щелочь. Такой ряд может быть представлен подобной цепочкой превращений:

металл → основной оксид → основание (щелочь) → соль

Возьмем для примера генетический ряд кальция:

Ca → CaO → Ca(OH) 2 → Ca 3 (PO 4) 2 .

2. Генетический ряд металлов, которым соответствуют нерастворимые основания. В данном ряде больше генетических связей, т.к. он более полно отражает идею прямых и обратных превращений (взаимных). Такой ряд можно изобразить очередной цепочкой превращений:

металл → основной оксид → соль → основание → основной оксид → металл.

Возьмем для примера генетический ряд меди:

Cu → CuO → CuCl 2 → Cu (OH) 2 → CuO → Cu.

Генетический ряд неметаллов раскрывает взаимосвязь веществ различных классов, в основе которых лежит один и тот же неметалл.

Давайте выделим еще две разновидности.

1. Генетический ряд неметаллов, которым в качестве гидроксида соответствует растворимая кислота, может быть изображен в виде следующей линии превращений:

неметалл → кислотный оксид → кислота → соль.

Возьмем для примера генетический ряд фосфора:

P → P 2 O 5 → H 3 PO 4 → Ca 3 (PO 4) 2 .

2. Генетический ряд неметаллов, которым соответствует нерастворимая кислота, может быть изображен очередной цепочкой трансформаций:

неметалл → кислотный оксид → соль → кислота → кислотный оксид → неметалл.

Поскольку из рассмотренных нами кислот нерастворимой является исключительно кремниевая кислота, давайте рассмотрим в качестве примера генетический ряд кремния:

Si → SiO 2 → Na 2 SiO 3 → H 2 SiO 3 → H 2 SiO 3 → SiO 2 → Si.

Итак, давайте подведем итоги и выделим самую основную информацию.

Целосность и разнообразие химических веществ наиболее выражено изображены в генетической связи веществ, которая раскрывается в генетических рядах. Рассмотрим самые важные признаки генетических рядов:

Генетические ряды – это группа органических соединений, у которых равное число атомов углерода в молекуле, различающихся функциональными группами.

Генетическая связь – более общее понятие, в отличие от генетического ряда, который пусть и является достаточно ярким, но в тоже время частным проявлением данной связи, которая может происходить при любых двусторонних превращениях веществ.

blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Каждый такой ряд состоит состоит из металла, его основного оксида, основания и любой соли этого же металла:

Для перехода от металлов к основным оксидам во всех этих рядах используются реакции соединения с кислородом, например:

2Сa + O 2 = 2СaO; 2Mg + O 2 = 2MgO;

Переход от основных оксидов к основаниям в первых двух рядах осуществляется путём известной вам реакции гидратации, например:

СaO + H 2 O = Сa(OH) 2 .

Что касается последних двух рядов, то содержащиеся в них оксиды MgO и FeO с водой не реагируют. В таких случаях для получения оснований эти оксиды сначала превращают в соли, а уже их – в основания. Поэтому, например, для осуществления перехода от оксида MgO к гидроксиду Mg(OH) 2 используют последовательные реакции:

MgO + H 2 SO 4 = MgSO 4 + H 2 O; MgSO 4 + 2NaOH = Mg(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4 .

Переходы от оснований к солям осуществляются уже известными вам реакциями. Так, растворимые основания (щёлочи), находящиеся в первых двух рядах, превращаются в соли под действием кислот, кислотных оксидов или солей. Нерастворимые основания из последних двух рядов образуют соли под действием кислот.

Генетические ряды неметаллов и их соединений .

Каждый такой ряд состоит состоит из неметалла, кислотного оксида, соответствующей кислоты и соли, содержащей анионы этой кислоты:

Для перехода от неметаллов к кислотным оксидам во всех этих рядах используются реакции соединения с кислородом, например:

4P + 5O 2 = 2 P 2 O 5 ; Si + O 2 = SiO 2 ;

Переход от кислотных оксидов к кислотам в первых трёх рядах осуществляется путём известной вам реакции гидратации, например:

P 2 O 5 + 3H 2 O = 2 H 3 PO 4 .

Однако, вы знаете, что содержащийся в последнем ряду оксид SiO 2 с водой не реагирует. В этом случае его сначала превращают в соответствующую соль, из которой затем получают нужную кислоту:

SiO 2 + 2KOH = K 2 SiO 3 + H 2 O; K 2 SiO 3 + 2HСl = 2KCl + H 2 SiO 3 ↓.

Переходы от кислот к солям могут осуществляться известными вам реакциями с основными оксидами, основаниями или с солями.

Следует запомнить:

· Вещества одного и того же генетического ряда друг с другом не реагируют.

· Вещества генетических рядов разных типов реагируют друг с другом. Продуктами таких реакций всегда являются соли (рис. 5):

Рис. 5. Схема взаимосвязи веществ разных генетических рядов.

Эта схема отображает взаимосвязь между различными классами неорганических соединений и объясняет многообразие химических реакций между ними.

Задание по теме:

Составьте уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

1. Na → Na 2 O → NaOH → Na 2 CO 3 → Na 2 SO 4 → NaOH;

2. P → P 2 O 5 → H 3 PO 4 → K 3 PO 4 → Ca 3 (PO 4) 2 → CaSO 4 ;

3. Ca → CaO → Ca(OH) 2 → CaCl 2 → CaCO 3 → CaO;

4. S → SO 2 → H 2 SO 3 → K 2 SO 3 → H 2 SO 3 → BaSO 3 ;

5. Zn → ZnO → ZnCl 2 → Zn(OH) 2 → ZnSO 4 → Zn(OH) 2 ;

6. C → CO 2 → H 2 CO 3 → K 2 CO 3 → H 2 CO 3 → CaCO 3 ;

7. Al → Al 2 (SO 4) 3 → Al(OH) 3 → Al 2 O 3 → AlCl 3 ;

8. Fe → FeCl 2 →FeSO 4 → Fe(OH) 2 → FeO → Fe 3 (PO 4) 2 ;

9. Si → SiO 2 → H 2 SiO 3 → Na 2 SiO 3 → H 2 SiO 3 → SiO 2 ;

10. Mg → MgCl 2 → Mg(OH) 2 → MgSO 4 → MgCO 3 → MgO;

11. K → KOH → K 2 CO 3 → KCl → K 2 SO 4 → KOH;

12. S → SO 2 → CaSO 3 → H 2 SO 3 → SO 2 → Na 2 SO 3 ;

13. S → H 2 S → Na 2 S → H 2 S → SO 2 → K 2 SO 3 ;

14. Cl 2 → HCl → AlCl 3 → KCl → HCl → H 2 CO 3 → CaCO 3 ;

15. FeO → Fe(OH) 2 → FeSO 4 → FeCl 2 → Fe(OH) 2 → FeO;

16. CO 2 → K 2 CO 3 → CaCO 3 → CO 2 → BaCO 3 → H 2 CO 3 ;

17. K 2 O → K 2 SO 4 → KOH → KCl → K 2 SO 4 → KNO 3 ;

18. P 2 O 5 → H 3 PO 4 → Na 3 PO 4 → Ca 3 (PO 4) 2 → H 3 PO 4 → H 2 SO 3 ;

19. Al 2 O 3 → AlCl 3 → Al(OH) 3 → Al(NO 3) 3 → Al 2 (SO 4) 3 → AlCl 3 ;

20. SO 3 → H 2 SO 4 → FeSO 4 → Na 2 SO 4 → NaCl → HCl;

21. KOH → KCl → K 2 SO 4 → KOH → Zn(OH) 2 → ZnO;

22. Fe(OH) 2 → FeCl 2 → Fe(OH) 2 → FeSO 4 → Fe(NO 3) 2 → Fe;

23. Mg(OH) 2 → MgO → Mg(NO 3) 2 → MgSO 4 → Mg(OH) 2 → MgCl 2 ;

24. Al(OH) 3 → Al 2 O 3 → Al(NO 3) 3 → Al 2 (SO 4) 3 → AlCl 3 → Al(OH) 3 ;

25. H 2 SO 4 → MgSO 4 → Na 2 SO 4 → NaOH → NaNO 3 → HNO 3 ;

26. HNO 3 → Ca(NO 3) 2 → CaCO 3 → CaCl 2 → HCl → AlCl 3 ;

27. CuСO 3 → Cu(NO 3) 2 → Cu(OH) 2 → CuO → CuSO 4 → Cu;

28. MgSO 4 → MgCl 2 → Mg(OH) 2 → MgO → Mg(NO 3) 2 → MgCO 3 ;

29. K 2 S → H 2 S → Na 2 S → H 2 S → SO 2 → K 2 SO 3 ;

30. ZnSO 4 → Zn(OH) 2 → ZnCl 2 → HCl → AlCl 3 → Al(OH) 3 ;

31. Na 2 CO 3 → Na 2 SO 4 → NaOH → Cu(OH) 2 → H 2 O → HNO 3 ;

Данный урок посвящен обобщению и систематизации знаний по теме «Классы неорганических веществ». Учитель расскажет, как из веществ одного класса можно получить вещество другого класса. Полученные знания и умения пригодятся для составления уравнений реакций по цепочкам превращений.

В ходе химических реакций химический элемент не исчезает, атомы переходят из одного вещества в другое. Атомы химического элемента как бы передаются от простого вещества к более сложному, и наоборот. Таким образом, возникают так называемые генетические ряды, начинающиеся простым веществом — металлом или неметаллом — и заканчивающиеся солью.

Напомню вам, что в состав солей входят металлы и кислотные остатки. Итак, генетический ряд металла может выглядеть таким образом:

Из металла в результате реакции соединения с кислородом можно получить основный оксид, основный оксид при взаимодействии с водой дает основание (только, если это основание — щелочь), из основания в результате реакции обмена с кислотой, солью или кислотным оксидом можно получить соль.

Обратите внимание, такой генетический ряд подходит только для металлов, гидроксиды которых являются щелочами.

Запишем уравнения реакций, соответствующих превращениям лития в его генетическом ряду:

Li → Li 2 O → LiOH→ Li 2 SO 4

Как вы знаете, металлы при взаимодействии с кислородом, как правило, образуют оксиды. При окислении кислородом воздуха литий образует оксид лития:

4Li + O 2 = 2Li 2 O

Оксид лития, взаимодействуя с водой, образует гидроксид лития — растворимое в воде основание (щелочь):

Li 2 O + H 2 O = 2LiOH

Сульфат лития можно получить из лития несколькими способами, например, в результате реакции нейтрализации с серной кислотой:

2. Химическая информационная сеть ().

Домашнее задание

1. с. 130-131 №№ 2,4 из Рабочей тетради по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под.ред. проф. П.А. Оржековского — М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006.

2. с.204 №№ 2, 4 из учебника П.А. Оржековского, Л.М. Мещеряковой, М.М. Шалашовой «Химия: 8кл.», 2013 г.

Опубликованные материалы на сайте СМИ «Солнечный свет». Статья Генетическая связь между основными классами неорганических соединений. Автор: Кульбаева Марьям Рашитовна.

Автор: Кульбаева Марьям Рашитовна
План урока по теме «Генетическая связь между основными классами неорганических соединений».

Предмет: Химия для 8 класса

 

Тема урока: Свойства солей. Генетическая связь между основными классами неорганических соединений

 

План урока:

Работа с учебником

:

Прочитайте

«Химические свойства солей» на стр.109.

Работа в тетради

:

Запишите дату и тему урока.

Нарисуйте и перепишите таблицу №15 на стр. 110 «Химические

реакции, характеризующие отдельные классы неорганических соединений»

Просмотрите

видеоурок

:

youtube.com

Химия 8 класс (Урок№24 — Генетическая связь между основными классами

неорганических

…)

.

Составьте опорный конспект из данного материала:

Давайте представим известные нам классы соединений в виде единой схемы

Деление веществ на классы достаточно условно. Например, мы знаем, что кислоты подразделяются на одно-, двух- и трехосновные, но их обычно не выделяют в отдельные классы соединений. Точно также не являются отдельными классами сильные и слабые кислоты. Это же справедливо и для оснований.

Между классами существует важная связь, которую называют генетической («генезиз» по-гречески обозначает «происхождение»). Эта связь заключается в том, что из веществ одного класса можно получить вещества других классов.

Существует два основных пути генетических связей между веществами: один из них начинается металлами, другой – неметаллами.

Такие цепочки называются генетические ряды. Эти ряды образуют “родственные вещества”, которые взаимосвязаны между собой генетическими связями. Т.е.имеют одно начало.

Генетические связи — это связи между разными классами, основанные на их взаимопревращениях.
Зная классы неорганических веществ, можно составить генетические ряды металлов и неметаллов. В основу этих рядов положен один и тот же элемент.

Среди металлов можно выделить две разновидности рядов:


1.Генетический ряд , в котором в качестве основания выступает щёлочь. Этот ряд можно представить с помощью следуюших превращений: металл—основный оксид—щёлочь—соль, например генетический ряд калия K—K2O—KOH—KCl.
2. Генетический ряд, где в качестве основания выступает нерастворимое основание, тогда ряд можно представить цепочкой превращений: металл—основный оксид—соль—нерастворимое основание—основный оксид—металл. Например:

Cu—CuO—CuCl2—Cu(OH)2—CuO—>Cu

Среди неметаллов также можно выделить две разновидности рядов:


1. Генетический ряд неметаллов, где в качестве звена ряда выступает растворимая кислота. Цепочку превращений можно представить в следующем виде: неметалл—кислотный оксид—растворимая кислота—соль.

Например:

P—P2O5—h4PO4—Na3PO4.
2. Генетический ряд неметаллов, где в качестве звена ряда выступает нерастворимая кислота : неметалл—кислотный оксид—соль—кислота—кислотный оксид—неметалл, Например:
Si—SiO2—Na2SiO3—h3SiO3—SiO2—Si.

Связь между классами неорганических соединений.

Теперь ЗАДАНИЕ: распределите вещества по группам и ответы запишите на листах бумаги.

Мы рассмотрели небольшие фрагменты взаимопревращений веществ. Эти взаимопревращения различных веществ называются генетической связью (от слова “генезис” — происхождение) или (“генео” — рождаю)

Понятия “оксид”, “кислота”, “основание”, “соль” образуют систему, находящуюся в тесной взаимосвязи, она раскрывается при получении веществ одного класса из веществ другого класса. Она проявляется в процессе взаимодействия веществ и активно используется в практической деятельности человека.

5.Закрепление знаний

 

1.Назовите признаки, которые характеризуют генетический ряд.

Даны цепочки превращений:

a) Br2 —> HBr —> NaBr —> NaNO3

б) Fe —> FeCl2 —> Fe(OH)2 —> FeO —> Fe

в) CaCO3 —> CaO —> CaC2 —> C2h3

г) Si —> SiO2 —> Na2SiO3 —> h3SiO3

Найдите и выпишите генетические ряды элементов. Запишите уравнения химических реакций, иллюстрирующих переходы для одного генетического ряда.

2.К какому классу (или классам) относятся перечисленные соединения: Na2O, CO2, CuO, SO3, Fe2O3? С какими из них будет реагировать концентрированная серная кислота? Напишите уравнения реакций.

6. Домашнее задание

 

а)

P + … —>P2O5; P2O5 + h3O —>… ; … + NaOH —> … + h3O

Вставьте пропущенные формулы веществ, расставьте коэффициенты. Генетический ряд какого элемента можно составить в данном случае.

 

б) Определите вещество, которое образуется в результате превращений:

Составьте алгоритм выполнения этого задания.

 

 

Конспект урока по химии на тему «Генетическая связь между простыми веществами, оксидами, основаниями, кислотами и солями»(8 класс)

Дата___________

Урок № 61 Тема: Генетическая связь между простыми веществами, оксидами, основаниями, кислотами и солями. Нахождение и круговорот некоторых неорганических веществ в природе. Соленые озера в РК.

Цель: Систематизировать, обобщить и закрепить знания об основных классах  неорганических веществ.

Задачи:

образовательные: закрепить понятия «генетический ряд», «генетическая связь»; научить составлять генетические ряды элементов (металлов и неметаллов), составлять уравнения реакций, соответствующих генетическому ряду; проверить, как усвоены знания о химических свойствах оксидов, кислот, солей, оснований;

развивающие: развивать умения анализировать, сравнивать, обобщать и делать выводы, составлять уравнения химических реакций;

воспитательные: содействовать формированию научного мировоззрения.

Тип урока: комбинированный.

Ход работы

1.Организационно- мотивационный этап.

Психологический настрой на урок.

Настроение бодрое рабочее у всех.

На уроке ждет нас радость и успех!

В каждом деле нам нужны терпение, удача.

И тогда получим мы знания в придачу!

2. Актуализация знаний.

Ребята мы с вами изучили 4 класса неорганических веществ.

Назовите классы.

А сейчас нам предстоит интересная работа.

Деление на группы.

По классам веществ: соли, оксиды, кислоты и основания.

Первое задание называется «Собери рюкзак»

План характеристики вещества:

1.Определение

2.Классификация

3.Примеры

      А. Оксиды – это…

      В. Кислоты – это…

      С. Основания – это…

      Д. Соли – это…

Второе задание «Водопад веществ»

Распределите вещества по классам 

Al2O3, Mg(NO3)2, h3SO4,CO2, Ca(OH)2, Na2O, h3CO3, Mg, K2O,  NaCl, KNO3, h3SiO3, MgO,   Na2SO4,N2O5, NaOH, Ca, ZnCl2, CaCO3, Cl2O7, HCL, AL(OH)3, C, ZnSO4, AL2(SO4)3, h3SO3,  Mg(OH)2, SiO2

Третье задание «В пещере колдунов»

Вместо пропусков вставьте формулы веществ и нужные коэффициенты

MgO + …….. = MgCl2 + h3O

……..+ h3SO4 = ZnSO4 + h3

NaOH + HCl = …….+ h3O

3.Изучение нового материала.

Генетические связи — это связи между разными классами, основанные на их взаимопревращениях.

Генетический ряд – ряд веществ – представителей разных классов, являющихся соединениями одного химического элемента, связанных взаимопревращениями и отражающих превращения данных веществ. В основу этих рядов положен один и тот же элемент.

Какие виды генетических рядов принято выделять?

Среди металлов можно выделить две разновидности рядов:

а) Генетический ряд, в котором в качестве основания выступает щёлочь. Этот ряд можно представить с помощью следующих превращений:

металл →основный оксид → щёлочь → соль

например, генетический ряд калия K → K2O → KOH→ KCl

б) Генетический ряд, где в качестве основания выступает нерастворимое основание, тогда ряд можно представить цепочкой превращений:

металл → основный оксид → соль→ нерастворимое основание →основный оксид → металл

например: Cu→ CuO → CuCl2 → Cu(OH)2 → CuO → Cu

Среди неметаллов также можно выделить две разновидности рядов:

а) Генетический ряд неметаллов, где в качестве звена ряда выступает растворимая кислота. Цепочку превращений можно представить в следующем виде: неметалл → кислотный оксид → растворимая кислота → соль.

Например: P→ P2O5 → h4PO4 →Na3PO4

б) Генетический ряд неметаллов, где в качестве звена ряда выступает нерастворимая кислота : неметалл → кислотный оксид → соль→ кислота → кислотный оксид → неметалл

Например: Si→ SiO2 → Na2SiO3 → h3SiO3→ SiO2 → Si

Групповая работа.

Изучив дополнительный материал к уроку составить кластер соленые озера Казахстана.(10 мин)

Взаимообмен информацией 6 мин

Д\з

Из данных веществ составьте генетический ряд, используя все формулы. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить эту цепочку превращений:

I вариант: ZnSO4, Zn, ZnO, Zn, Zn(OH)2

II вариант: Na2SO4, NaOH, Na, Na2O

Итоги урока. Рефлексия.

Если Вы являетесь автором этой работы и хотите отредактировать, либо удалить ее с сайта — свяжитесь, пожалуйста, с нами.

«Генетический ряд металлов и неметаллов».

8 класс.

Тема: Генетический ряд металлов и неметаллов. Задачи: 1. сформировать представление о генетическом ряде, как группе веществ связанных последовательными   превращениями   и   имеющих   общность   по   составу,   о генетической связи, как возможности получения одних веществ из других на основе химических свойств; 2. повторить и систематизировать знания учащихся о классификации веществ, об их составе и свойствах; 3. научить   определять   генетически   связанные   вещества   среди   других   веществ, составлять   генетические   ряды   и   записывать   уравнения,   которые   иллюстрируют взаимосвязь веществ в генетических рядах; 4. продолжить развитие умений анализа, синтеза, умения обобщать и делать выводы; 5. совершенствовать способности учащихся к самоанализу и самооценке. Мотивация и целеполагание: «Знание некоторых принципов легко  возмещает незнание некоторых фактов» Клод Адриан Гельвеций Обращаемся к высказыванию и задаем вопрос: «Как вы понимаете это высказывание Известно вещество состава  SeO3, какими химическими свойствами будет обладать Для этого определяем классификационную группу, к которой принадлежит данное     К. А. Гельвеция?»     данное вещество?     вещество, затем определяем химические свойства вещества. Изучение нового материала:    Давайте вспомним классификацию веществ (см. схему 1):    Зная эту классификацию можно составить генетический ряд металлов и неметаллов. Генетический   ряд   металлов   отражает   взаимосвязь   веществ   разных   классов,   в   основу которой положен один и тот же металл.      Различают   две   разновидности   генетического   ряда   металлов.   В   основе   первой разновидности выступает генетический ряд, в котором в качестве гидроксида выступает щёлочь. Этот ряд может быть представлен следующей цепочкой: металл   основный оксид → Например, генетический ряд кальция: Ca          Другая   разновидность   генетического   ряда   металлов   представлена   рядом,   где   в качестве   гидроксида   представлено   нерастворимое   основание.   Этот   ряд   представлен  основание (щёлочь)   → CaCl2.  → CaO   → Ca(OH)2  →  соль. → → →  соль  → →  основание   → CuO   → CuCl2   → Cu(OH)2   основный оксид   основный оксид   → Cu.   следующей цепочкой: металл  металл. Например, генетический ряд меди: Cu      Генетический   ряд   неметаллов   отражает   взаимосвязь   веществ   разных   классов,   в основу   которой   положен   один   и   тот   же   неметалл.   Здесь   также   можно   выделить   две разновидности. В первом генетическом ряде в качестве гидроксида выступает растворимая кислота и цепочка превращений имеет общий вид: неметалл   кислота →  → Na2SO3.   Другая  → SO2  разновидность   генетического   ряда   неметаллов   отличается   тем,   что   в   ней   в   качестве гидроксида выступает нерастворимая кислота. Тогда цепочка превращений будет иметь вид: неметалл   неметалл. Например, генетический ряд кремния: Si    соль.   Например,   генетический   ряд   серы:    кислотный оксид   → h3SiO3   → SiO2  →  кислота   → Na2SiO3  →  → h3SO3   кислотный оксид   кислотный оксид   соль  →  → SiO2  →  → Si.   → CuO  → → → S  → Обобщение и систематизация знаний:    Тест с последующей проверкой. Часть А. (задания с одним  правильным вариантом ответа) 1. Генетический ряд  металла – это: а) вещества, образующие ряд на основе одного металла           б) вещества, образующие ряд на основе одного неметалла           в) вещества, образующие ряд на основе металла или неметалла           г) вещества из разных классов веществ, связанных превращениями 2. Определить вещество «Х» из схемы превращения:  C        а) CO2          б) CO          в) CaO      г) O2 3. Определить вещество «Y» из схемы превращения: Na         а) Na2O      б) Na2O2      в) h3O      г) Na → → → 4. В схеме превращения: CuCl2   A  → →  X   CaCO 3: → →  Y  NaOH А и В являются:  а) CuO и Cu(OH)2         б) CuSO4 и Cu(OH)2 в) CuCO3 и Cu(OH)2     г) Cu(OH)2  и CuO  B  Cu формулами промежуточных продуктов  5. Конечным продуктом в цепочке превращений на основе соединений углерода:       CO2   →  X1   X→ 2   NaOH →             а) карбонат натрия     б) гидрокарбонат натрия             в) карбид натрия         г) ацетат натрия 6. Элементом «Э», участвующим в цепочке превращений:  Э→ 2О5   Na→ 3ЭO4       Э   а) N        б) Mn       в) P      г) Cl  Н→ 3ЭО4  Часть В.  (задания с 2­мя и более правильными вариантами ответа) 1. Установите соответствие между формулами исходных веществ и продуктов  реакции:      Формулы исходных веществ              Формулы продуктов 1. Fe + Cl2                                                     A) FeCl2 2. Fe + HCl                                                    Б) FeCl3 3. FeO + HCl                                                 В) FeCl2 + h3 4. Fe2O3 +HCl                                                Г) FeCl3 + h3                                                                    Д) FeCl2 + h3O Е) FeCl3 + h3O 2. Раствор сульфата меди (II) взаимодействует: а) гидроксид калия (раствор) б) железом в) нитратом бария (раствор) г) оксидом алюминия д) оксидом углерода(II) е) фосфатом натрия (раствор) Часть С. (с развернутым вариантом ответа) 1. Осуществить схему превращения веществ: →  BaSO 4 FeS  SO→ 2   SO→ 3   H→ 2SO4  →  MgSO 4  Закрепление и контроль знаний:    1. Зная, что барий – металл, составьте генетический ряд его соединений, дайте названия его членам, укажите классы, к которым они относятся.  Запишите уравнения химических реакций,   с   помощью   которых   можно   осуществить   генетические   переходы   внутри составленного вами ряда. Ответ: Ba  (Барий, металл; оксид бария, оксиды; гидроксид бария, основания; нитрат бария, соли). 1) Ba + O2 = 2BaO 2) BaO + h3O = Ba(OH)2 3) Ba(OH)2 + 2HNO3 = Ba(NO3)2 + 2h3O  Ba(OH)  Ba(NO  BaO  3)2  → → → 2  2.   Зная,   что   углерод   –   неметалл,   составьте   генетический   ряд   его   соединений,   дайте название   его   членам,   укажите   классы   веществ,   к   которым   они   относятся,   запишите уравнения   химических   реакций,   с   помощью   которых   можно   осуществить   генетические переходы внутри составленного вами ряда. Ответ: C  (углерод,   неметалл;   оксид   углерода   (IV),   оксид;   угольная   кислота,   кислоты,   карбонат натрия, соли). 1) C + O2 = CO2 2) CO2 + h3O = h3CO3 3) h3CO3 + 2NaOH = Na2CO3 + 2h3O  Na→ 2CO3  H→ 2CO3   CO→ 2  3. Из приведенного перечня выпишите формулы веществ, составляющих генетический ряд фосфора:  Na,  Na2SO4,  P2O5,  AlCl3,  S,  h4PO4,  K3PO4,  N2,  KOH,  P,  MgO.  Составьте схему взаимосвязи членов генетического ряда, дайте им названия и укажите классы, к которым они относятся. Запишите уравнения химических реакций согласно генетическим переходам внутри ряда. Ответ: P  (Фосфор, неметалл; оксид фосфора (V), оксиды, фосфорная кислота, кислоты, фосфат калия, соли). 1) 4P + 5O2 = 2P2O5  H→ 3PO4   K→ 3PO4  P→ 2O5 2) P2O5 + 3h3O = 2h4PO4 3) h4PO4 + 3KOH = K3PO4 + 3h3O 4. Из предложенного перечня выпишите формулы веществ, составляющих генетический ряд магния: Ca, HCl, MgO, MgCl2, HNO3, C, Cu(OH)2, Mg, Cl2, Mg(OH)2, KOH . Составьте схему   взаимосвязи   членов   генетического   ряда   магния,   дайте   им   названия   и   укажите классы,   к   которым   они   относятся.   Запишите   уравнения   химических   реакций   согласно генетическим переходам внутри ряда. Ответ: Mg  (Магний,  металл,  оксид  магния, оксиды; гидроксид  магния, основания,  хлорид  магния, соли). 1) 2Mg + O2 = 2MgO 2) MgO + h3O = Mg(OH)2 3) Mg(OH)2 + 2HCl = MgCl2 + 2h3O  → Mg(OH)2   → MgCl2  → MgO   SO→ 3 + h3O   Ba(OH) 5.  Определите, какие продукты X, Y образуются в результате следующих превращений:  SO→ 2  а) S  → б) Ba  в) A + B   X + Y. Ответ: BaSO4, h3O  A;→ 2 + HCl   BaO  →  B;→ →  → P2O5 + h3O   → CaO + h3O  6. Определите вещества X, Y, которые образуются в результате следующих превращений: а) P  б) Ca  в) A + B  Ответ: Ca3(PO4)2 , h3O.  → A;  → B;  → X + Y.  CuO  → →  CuCl 2.  Cu(NO  SO→ 3   SO→ 2  →  Na→ 2SO4  H→ 2SO4  → 3)2   Cu(OH) 2  7. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие  превращения: S  Cu  Ответ: 1) S + O2 = SO2 2) 2SO2 + O2 = 2SO3 3) SO3 + h3O = h3SO4 4) h3SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2h3O 1) 2Cu + O2 = 2CuO 2) CuO + 2HNO3 = Cu(NO3)2 + h3O ↓ 3) Cu(NO3)2 + 2NaOH = Cu(OH)2 4) Cu(OH)2 + 2HCl = CuCl2 + 2h3O  + 2NaNO 3 8. С какими из перечисленных веществ будет реагировать соляная кислота: медь, оксид  меди (II), оксид углерода (IV), алюминий, гидроксид натрия, магний? Напишите уравнения  соответствующих реакций. Ответ: CuO + 2HCl = CuCl2 + h3O 2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3h3↑ HCl + NaOH = NaCl + h3O Mg + 2HCl = MgCl2 + h3↑  ;→  ;→  ;→ 9.  Закончите уравнения возможных химических реакций: NaOH + CO2  HCl + Al2O3  h3SO4 + SiO2   ;→ Ca(OH)2   ;→ Ca(OH)2 + CuO   .→ Cu(OH)2 + HNO3  Ответ: 2NaOH + CO2 = Na2CO3 + h3O; 6HCl + Al2O3 = 2AlCl3 + 3h3O; h3SO4 + SiO2 ≠; Ca(OH)2 ≠; Ca(OH)2 + CuO ≠; Cu(OH)2 + 2HNO3 = Cu(NO3)2 + 2h3O . 10. Даны следующие вещества: оксид бария, серная кислота, вода, оксид меди (II). Как, используя эти вещества,  получить гидроксид бария, сульфат бария, сульфат меди (II). Напишите соответствующие уравнения реакций. Ответ:  1) BaO + h3O = Ba(OH)2  + ↓ h3O 2) BaO + h3SO4 = BaSO4 3) CuO + h3SO4 = CuSO4 + h3O. Рефлексия и подведение итогов:    Какова ваша самооценка уровня усвоения материала по изученной теме? Почему?    а) высокая; б) средняя; в) низкая. Домашнее задание:    I уровень: §43, упр. 2 ­ 4;    II уровень: тоже + упр. 5.

Генетическая связь веществ. Генетическая связь между основными классами неорганических веществ. Что такое генетическая связь

Генетическая связь — это связь между веществами разных классов, основанная на их взаимопревращениях и отражающая единство их происхождения, т. е. генезис веществ. Из простых веществ можно получить сложное вещество.С сложного вещества можно получить простые вещества.

Генетическая связь отражается в генетических рядах.

Характерные признаки генетических рядов:

1. Все вещества этого ряда должны быть образованы одним химическим элементом.

2. Вещества, образованные одним и тем же элементом, должны принадлежать к различным классам, то есть отражать разные формы его существования.

3. Вещества, образующие генетический ряд одного элемента, должны быть связаны взаимопревращениями. По этому признаку можно различать полные и неполные генетические ряды.

Среди металлов можно выделить две разновидности рядов:

1. Генетический ряд, в котором в качестве основания выступает щёлочь. Этот ряд можно представить с помощью следующих превращений:

металл→основный оксид→щёлочь→соль (Например: K→K 2 O→KOH→KCl)

2Генетический ряд металлов, которым соответствуют нерастворимые основания. В данном ряде больше генетических связей, т.к. он более полно отражает идею прямых и обратных превращений (взаимных).

металл → основной оксид → соль → основание → основной оксид → металл.

(Например Cu → CuO → CuCl 2 → Cu (OH) 2 → CuO → Cu.)

Среди неметаллов также можно выделить две разновидности рядов:

1. Генетический ряд неметаллов, где в качестве звена ряда выступает растворимая кислота.

неметалл→кислотный оксид→растворимая кислота→соль

(Например: P→P 2 O 5 →H 3 PO 4 →Са 3 (PO 4) 2)

2. Генетический ряд неметаллов, где в качестве звена ряда выступает нерастворимая кислота:

неметалл→кислотный оксид→соль→кислота→кислотный оксид→неметалл

Например: Si→SiO 2 →Na 2 SiO 3 →H 2 SiO 3 →SiO 2 →Si

(можно рассматривать ряд как с одной, так и с другой стороны)

Квантово — механическая модель атома.уравнения де Бройля и Шредингера, принцип неопределенности Гейзенберга. Атомнаяорбиталь. квантовые числа

В основу КММ положена квантовая теория атома, согласно которой электрон обладает как свойствами частицы, так и свойствами волны. Другими словами, о местоположении электрона в определенной точке можно судить не точно, а с определенной долей вероятности. Поэтому в КММ орбиты Бора заменили орбиталями (эдакие «электронные облака» — области пространства в которых существует вероятность пребывания электрона).

Главное квантовое число n

Описывает:

· среднее расстояние от орбитали до ядра;

· энергетическое состояние электрона в атоме.

Чем больше значение n, тем выше энергия электрона и больше размер электронного облака. Если в атоме несколько электронов с одинаковым n, то они образуют электронные облака одинакового размера — электронные оболочки .

Орбитальное квантовое число l (азимутальное)

Описывает форму орбитали , которая зависит от n.

Орбитальное число l может принимать целочисленные значения в диапазоне от 0 до n-1. Например, при n=2: l=0 l=1
Орбитали, имеющие одинаковое n, но разные l называют энергетическими подуровнями и обозначают буквами латинского алфавита:

Магнитное квантовое число m

Генетическая связь – это связь между веществами, которые относятся к разным классам.

Основные признаки генетических рядов:

1. Все вещества одного ряда должны быть образованы одним химическим элементом.

2. Вещества, образованные одним и тем же элементом, должны принадлежать к различным классам химических веществ.

3. Вещества, образующие генетический ряд элемента, должны быть связаны между собой взаимопревращениями.

Таким образом, генетическим называют ряд веществ, которые представляют разные классы неорганических соединений, являются соединениями одного и того же химического элемента, связаны взаимопревращениями и отражают общность происхождения этих веществ.

Для металлов выделяют три ряда генетически связанных веществ, для неметаллов — один ряд.

1. Генетический ряд металлов, гидроксиды которых являются основаниями (щелочами):

металл основный оксид основание (щелочь) соль.

Например, генетический ряд кальция:

Ca → CaO → Ca(OH) 2 → CaCl 2

2. Генетический ряд металлов, которые образуют амфотерные гидроксиды:

соль

металл амфотерный оксид (соль) амфотерный гидроксид

Например: ZnCl 2

Zn → ZnO → ZnSO 4 → Zn(OH) 2
(H 2 ZnO 2)
Na 2 ZnO 2

Оксид цинка с водой не взаимодействует, поэтому из него сначала получают соль, а затем гидроксид цинка. Так же поступают, если металлу соответствует нерастворимое основание.

3. Генетический ряд неметаллов (неметаллы образуют только кислотные оксиды):

неметалл кислотный оксид кислота соль

Например, генетический ряд фосфора:

P → P 2 O 5 → H 3 PO 4 → K 3 PO 4

Переход от одного вещества к другому осуществляется с помощью химических реакций.

Цель: рассмотреть генетическую связь между классами неорганических и органических

веществ, дать понятие о «генетическом ряде веществ» и «генетической связи»,

закрепить умения и навыки в написании уравнений химических реакций.

Скачать:


Предварительный просмотр:

Урок №___

Тема:

Цель: рассмотреть генетическую связь между классами неорганических и органических

Веществ, дать понятие о «генетическом ряде веществ» и «генетической связи»,

Закрепить умения и навыки в написании уравнений химических реакций.

Задачи: 1 . Образовательные: совершенствовать умения в проведении лабораторных

Опытов, записи уравнений химических реакций.

2. Развивающие: закрепить и развить знания о свойствах неорганических и

Органических веществ, развить навыки работы в группах и индивидуально.

3. Воспитательные: сформировать интерес к научному мировоззрению,

Стремлению добиваться успехов в учебе.

Оборудование: мультимедийный проектор

Реактивы: спиртовка, спички, пробиркодержатель, штатив с пробирками, CuSO 4 , NaOH

Ход урока.

I. Организационный момент.

II. Объяснение нового материала.

Мы живем с Вами в мире, где в каждой клетке живого организма, в почве, воздухе, в воде происходят тысячи реакций.

Уч-ль : Ребята, а как выдумаете, в чем заключается единство и многообразие химических веществ, вовлеченных в процесс превращений? Как называется связь между веществами? Давайте вспомним с вами, кто является хранителем наследственной информации в биологии?

Уч-ся : Ген.

Уч-ль: А что такое генетическая связь?

Уч-ся: родственная.

Давайте сформулируем тему нашего урока. (Запись на доске и тетради темы урока).

А сейчас мы с Вами будем работать по плану, который есть на каждой парте:

  1. Генетический ряд металла.
  2. Генетический ряд неметалла.
  3. Закрепление знаний (тестирование в форме ЕГЭ)

Перейдем к 1-му пункту плана.

Генетической связью — называется связь между веществами разных классов,

основанная на их взаимопревращениях и отражающая единство их

Происхождения, то есть генезис веществ.

Что же означает понятие «генетическая связь»

  1. Превращение веществ одного класса соединений в вещества других классов.
  2. Химические свойства веществ
  3. Возможность получения сложных веществ из простых.
  4. Взаимосвязь простых и сложных веществ всех классов веществ.

А теперь перейдем к рассмотрению понятия генетического ряда веществ, который является частным проявлением генетической связи.

Генетическим называют ряд веществ — представителей разных классов веществ

Являющихся соединениями одного химического элемента, связанных

Взаимопревращениями и отражающими общность происхождения этих

Веществ.

Рассмотрим признаки генетического ряда веществ:

  1. Все вещества генетического ряда должны быть образованы одним химическим элементом.
  2. Вещества, образованные одним и тем же химическим элементом, должны принадлежать к разным классам (т.е. отражать разные формы существования химического элемента)
  3. Вещества, образующие генетический ряд одного химического элемента, должны быть связаны взаимопревращениями.

По этому признаку можно различать полные и неполные генетические ряды. Рассмотрим вначале генетическую связь неорганических веществ и разделим их на

2 разновидности генетических рядов:

а) генетический ряд металла

б) генетический ряд неметалла.

Перейдем ко второму пункту нашего плана.

Генетический ряд металла.

а) рассмотрим ряд меди:

Cu → CuO → CuSO 4 → Cu(OH) 2 → CuO→ Cu

Медь оксид сульфат гидроксид оксид медь

Меди(II) меди (II) меди(II) меди(II)

Металл основной соль основание основной металл

Оксид оксид

  1. 2Cu + O 2 → 2CuO
  2. CuO + H 2 SO 4 → CuSO 4 + H 2 O
  3. CuSO 4 + 2KOH → Cu(OH) 2 + K 2 SO 4
  4. Cu(OH) 2 → CuO + H 2 O
  5. CuO + C→Cu + CO

Демонстрация: частично из ряда — уравнения 3,4. (Взаимодействие сульфата меди с щелочью и после разложение гидроксида меди)

б) генетический ряд амфотерного металла на примере ряда цинка.

Zn → ZnO → ZnSO 4 → Zn(OH) 2 Na 2

ZnCl 2

  1. 2Zn + O 2 → 2ZnO
  2. ZnO + H 2 SO 4 → ZnSO 4 + H 2 O
  3. ZnSO 4 + 2KOH → Zn(OH) 2 + K 2 SO 4
  4. Zn(OH) 2 +2 NaOH→ Na 2
  5. Zn(OH) 2 + 2HCl → ZnCl 2 + 2H 2 O
  6. ZnO + 2HCl → ZnCl 2 + H 2 O

Демонстрация проведение реакций из ряда 3,4,5.

Мы рассмотрели с Вами 2 -й пункт плана. О чем гласит 3-й пункт плана?

Генетический ряд неметалла рассмотрим на примере генетического ряда фосфора.

P → P 2 O 5 → H 3 PO 4 → Ca 2 (PO 4 ) 2

Фосфор оксид фосфорная фосфат

Фосфора (v) кислота кальция

Неметалл кислотный кислота соль

Оксид

  1. 4P + 5O 2 → 2P 2 O 5
  2. P 2 O 5 + 3H 2 O → 2H 3 PO 4
  3. 2H 3 PO 4 + 3Ca → Ca 3 (PO 4 ) 2 + 3H 2

Итак, мы рассмотрели с вами генетические ряды металла и неметалла. А как вы думаете, в органической химии используется понятие генетической связи и генетического ряда? Конечно, используется, но в основу генетического ряда в органической химии (химии углеродных соединений) составляют соединения с одинаковым числом атомов углерода в молекуле. Например:

C 2 H 6 →C 2 H 4 → C 2 H 5 OH→CH 3 CHO → CH 3 — COOH →CH 2 Cl — COOH →NH 2 CH 2 COOH

Этан этен этанол этаналь уксусная кислота хлорэтановая кислота аминоэтановая к-та

алкан алкен алканол алканаль карбоновая кислота хлоркарбоновая кислота аминокислота

  1. C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2
  2. C 2 H 4 + H 2 O → C 2 H 5 OH
  3. C 2 H 5 OH + [O] → CH 3 CHO + H 2 O
  4. CH 3 CHO + [O] → CH 3 COOH
  5. CH 3 COOH + Cl 2 → CH 2 Cl — COOH
  6. CH 2 Cl — COOH + NH 3 → NH 2 CH 2 — COOH + HCl

Мы с вами рассмотрели генетическую связь и генетические ряды веществ и теперь нам необходимо закрепить знания по 5-му пункту плана.

III. Закрепление знаний, умений и навыков.

Тестирование по ЕГЭ

Вариант 1.

Часть А.

А)CO 2 б)CO в)CaO г)O 2

  1. В схеме превращения: CuCl 2 2 б)CuSO 4 и Cu(OH) 2

CO 2 → X 1 → X 2 → NaOH

А)N б) Mn в)P г)Cl

Часть В.

  1. Fe + Cl 2 A) FeCl 2
  2. Fe + HCl Б) FeCl 3
  3. FeO + HCl В) FeCl 2 + H 2
  4. Fe 2 O 3 +HCl Г)FeCl 3 + H 2

Д) FeCl 2 + H 2 O

Е) FeCl 3 + H 2 O

а) гидроксид калия (раствор)

б) железом

в) нитратом бария (раствор)

г) оксидом алюминия

д) оксидом углерода(II)

е) фосфатом натрия (раствор)

Часть С.

Вариант 2.

Часть А.

а) вещества, образующие ряд на основе одного металла

Б) вещества, образующие ряд на основе одного неметалла

В) вещества, образующие ряд на основе металла или неметалла

Г) вещества из разных классов веществ, связанных превращениями

  1. 3 (PO 4 ) 2

А)Ca б)CaO в)CO 2 г)H 2 O

  1. В схеме превращения: MgCl 2 2 б)MgSO 4 и Mg(OH) 2
  1. Конечным продуктом в цепочке превращений на основе соединений углерода:

CO 2 → X 1 → X 2 → NaOH

  1. Элементом «Э», участвующим в цепочке превращений:

А)N б) S в)P г)Mg

Часть В.

  1. Установите соответствие между формулами исходных веществ и продуктов реакции:

Формулы исходных веществ Формулы продуктов

  1. NaOH+ CO 2 A) NaOH + H 2
  2. NaOH +CO 2 Б) Na 2 CO 3 + H 2 O
  3. Na + H 2 O В) NaHCO 3
  4. NaOH + HCl Г) NaCl + H 2 O

б) кислородом

в) хлоридом натрия (раствор)

г) оксидом кальция

е) серной кислотой

Часть С.

  1. Осуществить схему превращения веществ:

IV. Подведение итогов урока.

Д/з: §25, упр.3, 7*

Тестирование по теме «Генетическая связь между классами неорганических и органических веществ»

Вариант 1.

Часть А. (Задания с одним правильным вариантом ответа)

  1. Генетический ряд металла — это:

а) вещества, образующие ряд на основе одного металла

Б) вещества, образующие ряд на основе одного неметалла

В) вещества, образующие ряд на основе металла или неметалла

Г) вещества из разных классов веществ, связанных превращениями

  1. Определить вещество «Х» из схемы превращения: C → X → CaCO 3

А)CO 2 б)CO в)CaO г)O 2

  1. Определить вещество «Y» из схемы превращения: Na → Y→NaOH

А)Na 2 O б)Na 2 O 2 в)H 2 O г)Na

  1. В схеме превращения: CuCl 2 → A → B→ Cu формулами промежуточных продуктов А и В являются: а)CuO и Cu(OH) 2 б)CuSO 4 и Cu(OH) 2

В)CuCO 3 и Cu(OH) 2 г)Cu(OH) 2 и CuO

  1. Конечным продуктом в цепочке превращений на основе соединений углерода:

CO 2 → X 1 → X 2 → NaOH

А)карбонат натрия б)гидрокарбонат натрия

В)карбид натрия г)ацетат натрия

  1. Элементом «Э», участвующим в цепочке превращений:

Э → Э 2 О 5 → Н 3 ЭО 4 → Na 3 ЭO 4

А)N б) Mn в)P г)Cl

Часть В. (Задания с 2-мя и более правильными вариантами ответа)

  1. Установите соответствие между формулами исходных веществ и продуктов реакции:

Формулы исходных веществ Формулы продуктов

1)Fe + Cl 2 A) FeCl 2

2)Fe + HCl Б) FeCl 3

3)FeO + HCl В) FeCl 2 + H 2

4)Fe 2 O 3 +HCl Г)FeCl 3 + H 2

Д) FeCl 2 + H 2 O

Е) FeCl 3 + H 2 O

  1. Раствор сульфата меди (II) взаимодействует:

а) гидроксид калия (раствор)

б) железом

в) нитратом бария (раствор)

г) оксидом алюминия

д) оксидом углерода(II)

е) фосфатом натрия (раствор)

Часть С. (С развернутым вариантом ответа)

  1. Осуществить схему превращения веществ:

FeS →SO 2 → SO 3 → H 2 SO 4 → MgSO 4 → BaSO 4

Тестирование по теме «Генетическая связь между классами неорганических и органических веществ»

Вариант 2.

Часть А. (Задания с одним правильным вариантом ответа)

  1. Генетический ряд неметалла — это:

а) вещества, образующие ряд на основе одного металла

Б) вещества, образующие ряд на основе одного неметалла

В) вещества, образующие ряд на основе металла или неметалла

Г) вещества из разных классов веществ, связанных превращениями

  1. Определить вещество «Х» из схемы превращения: P → X → Ca 3 (PO 4 ) 2

А)P 2 O 5 б) P 2 O 3 в)CaO г)O 2

  1. Определить вещество «Y» из схемы превращения: Ca → Y→Ca(OH) 2

А)Ca б)CaO в)CO 2 г)H 2 O

  1. В схеме превращения: MgCl 2 → A → B→ Mg формулами промежуточных продуктов А и В являются: а)MgO и Mg(OH) 2 б)MgSO 4 и Mg(OH) 2

В)MgCO 3 и Mg(OH) 2 г)Mg(OH) 2 и MgO

  1. Конечным продуктом в цепочке превращений на основе соединений углерода:

CO 2 → X 1 → X 2 → NaOH

А) карбонат натрия б)гидрокарбонат натрия

В) карбид натрия г)ацетат натрия

  1. Элементом «Э», участвующим в цепочке превращений:

Э → ЭО 2 →ЭО 3 → Н 2 ЭО 4 → Na 2 ЭO 4

А)N б) S в)P г)Mg

Часть В. (Задания с 2-мя и более правильными вариантами ответа)

  1. Установите соответствие между формулами исходных веществ и продуктов реакции:

Формулы исходных веществ Формулы продуктов

1)NaOH+ CO 2 A) NaOH + H 2

2)NaOH +CO 2 Б) Na 2 CO 3 + H 2 O

3)Na + H 2 O В) NaHCO 3

4)NaOH + HCl Г) NaCl + H 2 O

2. Соляная кислота не взаимодействует:

а) гидроксид натрия (раствор)

б) кислородом

в) хлоридом натрия (раствор)

г) оксидом кальция

д) перманганатом калия (кристаллический)

е) серной кислотой

Часть С. (С развернутым вариантом ответа)

  1. Осуществить схему превращения веществ:

CuS →SO 2 → SO 3 → H 2 SO 4 → CaSO 4 → BaSO 4

План работы на уроке:

  1. Определение понятий: «генетическая связь», «генетический ряд элемента»
  2. Генетический ряд металла.
  3. Генетический ряд неметалла.
  4. Генетическая связь органических веществ.
  5. Закрепление знаний (тестирование в форме ЕГЭ)

План работы на уроке:

  1. Определение понятий: «генетическая связь», «генетический ряд элемента»
  2. Генетический ряд металла.
  3. Генетический ряд неметалла.
  4. Генетическая связь органических веществ.
  5. Закрепление знаний (тестирование в форме ЕГЭ)

План работы на уроке:

  1. Определение понятий: «генетическая связь», «генетический ряд элемента»
  2. Генетический ряд металла.
  3. Генетический ряд неметалла.
  4. Генетическая связь органических веществ.
  5. Закрепление знаний (тестирование в форме ЕГЭ)

План работы на уроке:

  1. Определение понятий: «генетическая связь», «генетический ряд элемента»
  2. Генетический ряд металла.
  3. Генетический ряд неметалла.
  4. Генетическая связь органических веществ.
  5. Закрепление знаний (тестирование в форме ЕГЭ)
Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com


Подписи к слайдам:

Тема урока: « Генетическая связь между классами неорганических соединений » МОУ СОШ №1 Учитель химии: Фадеева О. С. с.Грачевка Ставропольского края, 2011 год.

Тема урока «Генетическая связь между классами неорганических соединений»

План работы на уроке: 1.Определение понятий «генетическая связь»!, «генетический ряд элемента» 2. Генетический ряд металла 3. Генетический ряд неметалла 4. Генетическая связь органических веществ 5.Закрепление знаний (тестирование ЕГЭ)

Генетической связью – называется связь между веществами разных классов, основанная на их взаимопревращениях и отражающая единство их происхождения.

Что означает понятие «генетическая связь»? 1. Превращение веществ одного класса соединения в вещества других классов; 2. Химические свойства веществ; 3. Возможность получения сложных веществ из простых; 4. Взаимосвязь простых и сложных веществ всех классов неорганических соединений.

Генетический называют ряд веществ представителей разных классов веществ являющихся соединениями одного химического элемента, связанных взаимопревращениями и отражающими общность происхождения этих веществ.

Признаки которые характеризуют генетический ряд: Вещества разных классов; Разные вещества образованные одним химическим элементом, т.е. представляют собой разные формы существование одного элемента; Разные вещества одного химического элемента связаны взаимопревращениями.

Генетический ряд меди

Генетический ряд фосфора

Тестирование по теме «Генетическая связь между классами неорганических и органических веществ» Вариант 1. Часть А. (Задания с одним правильным вариантом ответа) 1. Генетический ряд металла – это: а) вещества, образующие ряд на основе одного металла б) вещества, образующие ряд на основе одного неметалла в) вещества, образующие ряд на основе металла или неметалла г) вещества из разных классов веществ, связанных превращениями 2. Определить вещество «Х» из схемы превращения: C → X → CaCO 3 а) CO 2 б) CO в) CaO г) O 2 3. Определить вещество « Y » из схемы пре в ращения: Na → Y → NaOH а) Na 2 O б) Na 2 O 2 в) H 2 O г) Na 4. В схеме превращения: CuCl 2 → A → B → Cu формулами промежуточных продуктов А и В являются: а) CuO и Cu (OH) 2 б) CuSO 4 и Cu (OH) 2 в) CuCO 3 и Cu (OH) 2 г) Cu (OH) 2 и CuO 5. Конечным продуктом в цепочке превращений на основе соединений углерода: CO 2 → X 1 → X 2 → NaOH а)карбонат натрия б)гидрокарбонат натрия в)карбид натрия г)ацетат натрия 6. Элементом «Э», участвующим в цепочке превращений: Э → Э 2 О 5 → Н 3 ЭО 4 → Na 3 Э O 4 а) N б) Mn в) P г) Cl

Часть В. (Задания с 2-мя и более правильными вариантами ответа) Установите соответствие между формулами исходных веществ и продуктов реакции: Формулы исходных веществ Формулы продуктов 1)Fe+ Cl 2 A) FeCl 2 2)Fe +HCl Б)FeCl 3 3) FeO + HCl В) FeCl 2 + H 2 4) Fe 2 O 3 + HCl Г) FeCl 3 + H 2 Д) FeCl 2 + H 2 O Е) FeCl 3 + H 2 O 2. Раствор сульфата меди (II) взаимодействует: а) гидроксид калия (раствор) б) железом в) нитратом бария (раствор) г) оксидом алюминия д) оксидом углерода (II) е) фосфатом натрия (раствор) Часть С. (С развернутым вариантом ответа) Осуществить схему превращения веществ: Fe S →SO 2 → SO 3 → H 2 SO 4 → MgSO 4 → BaSO 4

Тестирование по теме «Генетическая связь между классами неорганических и органических веществ» Вариант 2. Часть А. (Задания с одним правильным вариантом ответа) 1.Генетический ряд неметалла – это: а) вещества, образующие ряд на основе одного металл б) вещества, образующие ряд на основе одного неметалла в) вещества, образующие ряд на основе металла или неметалла г) вещества из разных классов веществ, связанных превращениями 2.Определить вещество «Х» из схемы превращения: P → X → Ca 3(PO 4)2 а) P 2 O 5 б) P 2 O 3 в) CaO г) O 2 3.Определить вещество « Y » из схемы превращения: Ca → Y → Ca (OH) 2 а) Ca б) CaO в) CO 2 г) H 2 O 4.В схеме превращения: MgCl 2 → A → B → Mg формулами промежуточных продуктов А и В являются: а) MgO и Mg (OH) 2 б) MgSO 4 и Mg (OH) 2 в) MgCO 3 и Mg (OH) 2 г) Mg (OH) 2 и MgO 5.Конечным продуктом в цепочке превращений на основе соединений углерода: CO 2 → X 1 → X 2 → NaOH а) карбонат натрия б)гидрокарбонат натрия в) карбид натрия г)ацетат натрия 6.Элементом «Э», участвующим в цепочке превращений: Э → ЭО 2 →ЭО 3 → Н 2 ЭО 4 → Na 2 Э O 4 а) N б) S в) P г) Mg

Часть В. (Задания с 2-мя и более правильными вариантами ответа) 1. Установите соответствие между формулами исходных веществ и продуктов реакции: Формулы исходных веществ Формулы продуктов 1)NaOH+ CO 2 A) NaOH + H 2 2)NaOH +CO 2 Б) Na 2 CO 2 + H 2 O 3) Na + H 2 O В) NaHCO 3 4) NaOH + HCl Г) NaCl + H 2 O 2. Соляная кислота не взаимодействует: а) гидроксид натрия (раствор) б) кислородом в) хлоридом натрия (раствор) г) оксидом кальция д) перманганатом калия (кристаллический) е) серной кислотой Часть С. (С развернутым вариантом ответа) 1. Осуществить схему превращения веществ: CuS →SO 2 → SO 3 → H 2 SO 4 → CaSO 4 → BaSO 4

Домашнее задание учебник § 25, упр.3,7

Материальный мир, в котором мы живем и крохотной частичкой которого мы являемся, един и в то же время бесконечно разнообразен. Единство и многообразие химических веществ этого мира наиболее ярко проявляется в генетической связи веществ, которая отражается в так называемых генетических рядах. Выделим наиболее характерные признаки таких рядов:

1. Все вещества этого ряда должны быть образованы одним химическим элементом. Например, ряд, записанный с помощью следующих формул:

2. Вещества, образованные одним и тем же элементом, должны принадлежать к различным классам, т. е. отражать разные формы его существования.

3. Вещества, образующие генетический ряд одного элемента, должны быть связаны взаимопревращениями. По этому признаку можно различать полные и неполные генетические ряды.

Например, приведенный выше генетический ряд брома будет неполным, незавершенным. А вот следующий ряд:

уже можно рассматривать как полный: он начинается простым веществом бромом и им же заканчивается.

Обобщая сказанное выше, можно дать следующее определение генетического ряда:

Генетическая связь — понятие более общее, чем генетический ряд, являющийся пусть и ярким, но частным проявлением этой связи, которая реализуется при любых взаимных превращениях веществ. Тогда, очевидно, под это определение подходит и первый приведенный в тексте параграфа ряд веществ.

Для характеристики генетической связи неорганических веществ мы рассмотрим три разновидности генетических рядов: генетический ряд элемента-металла, генетический ряд элемента-неметалла, генетический ряд элемента-металла, которому соответствуют амфотерные оксид и гидроксид.

I. Генетический рад элемента-металла. Наиболее богат веществами ряд металла, у которого проявляются разные степени окисления. В качестве примера рассмотрим генетический ряд железа со степенями окисления +2 и +3:

Напомним, что для окисления железа в хлорид железа (II) нужно взять более слабый окислитель, чем для получения хлорида железа (III):

II. Генетический ряд элемента-неметалла. Аналогично ряду металла более богат связями ряд неметалла с разными степенями окисления, например генетический ряд серы со степенями окисления +4 и +6:

Затруднение может вызвать лишь последний переход. Если вы выполняете задания такого типа, то руководствуйтесь правилом: чтобы получить простое вещество из окисленного соединения элемента, нужно взять для этой цели самое восстановленное его соединение, например летучее водородное соединение неметалла. В нашем примере:

По этой реакции в природе из вулканических газов образуется сера.

Аналогично для хлора:

III. Генетический ряд элемента-металла, которому соответствуют амфотерные оксид и гидроксид, очень богат связями, так как они проявляют в зависимости от условий то свойства кислоты, то свойства основания. Например, рассмотрим генетический ряд алюминия:

В органической химии также следует различать более общее понятие — «генетическая связь» и более частное понятие — «генетический ряд». Если основу генетического ряда в неорганической химии составляют вещества, образованные одним химическим элементом, то основу генетического ряда в органической химии (химии углеродных соединений) составляют вещества с одинаковым числом атомов углерода в молекуле. Рассмотрим генетический ряд органических веществ, в который включим наибольшее число классов соединений:

Каждой цифре соответствует определенное уравнение реакции:


Под определение генетического ряда не подходит последний переход — образуется продукт не с двумя, а с множеством углеродных атомов, но зато с его помощью наиболее многообразно представлены генетические связи. И наконец, приведем примеры генетической связи между классами органических и неорганических соединений, которые доказывают единство мира веществ, где нет деления на органические и неорганические вещества. Например, рассмотрим схему получения анилина — органического вещества из известняка — неорганического соединения:

Воспользуемся возможностью повторить названия реакций, соответствующих предложенным переходам:

Вопросы и задания к § 23


  • Сформировать понятие о генетической связи и генетическом ряде.
  • Рассмотреть генетические ряды металлов и неметаллов.
  • Выяснить генетическую связь между классами неорганических соединений.
  • Продолжить формировать умения пользоваться таблицей растворимости и периодической системой Д.И.Меделеева для прогнозирования возможных химических реакций, а также применять полученные знания по темам свойства классов веществ.
  • Повторить основные классы неорганических соединений и их классификацию.
  • Развивать познавательный интерес к предмету, умение быстро и четко отвечать на вопросы.
  • Продолжать формировать умения логически мыслить, работать с учебником, работать с полученной информацией.
  • Закрепить и систематизировать знания по данной теме.

Оборудование: Периодическая система Д.И. Менделеева, кодоскоп, таблица “Кислоты”, схема “Генетическая связь”, карточки для игры “Конвейер”, “Творческое задание”.

Реактивы: В штативах 3 пробирки с растворами HCI, NaCI, NaOH, универсальная индикаторная бумажка. На столе учителя: Na, H 2 O кристаллизаторе, фенолфталеин, H 2 SO 4 .

Класс разбит на 4 микрогруппы: “Оксиды”, “Кислоты”, “Соли”, “Основания”.

Ход урока

I. Организационный момент.

1. Дисциплина.
2. Готовность класса к уроку.
3. Постановка цели урока, мотивация.

II. Основная часть.

1. Целевая установка урока

Другого ничего в природе нет
Ни здесь, ни там в космических глубинах.
Все – от песчинок малых – до планет
Из элементов состоит единых.

Как формула, как график трудовой,
Строй менделеевской системы строгой,
Вокруг тебя творится мир живой,
Входи в него руками трогай.

Сегодня мы собрались здесь, чтобы подвергнуть испытанию лучших восьмиклассников нашей школы и ответить на вопрос: “Достойны ли они, стать гражданами великой химической страны?” Страна эта древняя и волшебная, хранящая множество загадок. Отгадать многие из них еще не удавалось ни одному человеку. Лишь самым, умным, смелым и настойчивым эта страна приоткрывает свои тайны. Итак, начнем!

Итак, изучив тему “Важнейшие классы неорганических соединений” вы получили представление о том, что неорганические соединения многообразны и взаимосвязаны. На уроке мы с вами рассмотрим небольшие фрагменты взаимопревращений веществ, вспомним классификацию неорганических веществ, поговорим о единстве и многообразии химических веществ.

Задача нашего урока – обобщить сведения о веществах, об отдельных классах неорганических соединений и их классификации в целом, закрепить знания о генетических рядах, генетической связи, взаимодействии вещества разных классов, научиться умению применять знания на практике.

Запишите в тетрадях тему нашего урока “Генетическая связь между неорганическими соединениями”.

Но, сначала скажите о каких веществах идет речь (название, формула)?

  1. На суку сидит сова,
    Выдыхает _____________________________
  2. Сапоги мои того,
    Пропускают ___________________________
  3. Его все знают,
    В магазине покупают,
    Без него не сваришь ужин —
    В малых дозах в блюдах нужен ___________
  4. Флакон с веществом, обычно имеется в каждой квартире,
    С рожденья ребенок любой с ним знаком,
    Едва лишь покинет он с мамой роддом,
    Ею искупают в ванночке с _________
  5. Что за чудо посмотри,
    По доске он проезжает,
    За собой след оставляет. ____________________
  6. Если нет у вас для теста разрыхлителя
    вы вместо него.
    Положите в пироги. ________________________

Переведите с химического языка на

  1. Не все то аурум, что блестит.
  2. Куй феррум, пока горячо.
    _____________________________________________________________
  3. Слово – аргентум, а молчание – аурум.
    _____________________________________________________________
  4. 5.Купрумного гроша не стоит.
    _____________________________________________________________
  5. Стойкий станумный солдатик.
    _____________________________________________________________
  6. С тех пор много Н 2 О утекло.
    _____________________________________________________________

Все эти вещества относятся, к какому то классу неорганических веществ. Ответьте на вопрос:

– Как распределяются по классам на основе состава и свойств неорганические вещества?
– Назовите известные вам классы неорганических соединений

По микрогруппам:

– Дайте определения.
Ученики дают определения веществам.

Классификация данных классов веществ.
Ученики дают ответы.

На слайде:

Из предложенного перечня неорганических соединений выберите формулы:
1 группа – оксиды,
2 группа – кислоты,
3 группа – соли.
4 группа – основания.

Назовите эти вещества.

Ученики выполняют задание в тетрадях по микрогруппам.

Правильный ответ:

А теперь поиграем с вами в игру “крестики – нолики”.

Слайд 19. Приложения 1.

Распределите вещества, формулы которых приведены в таблице по классам. Из букв, соответствующим правильным ответам, получите фамилию великого русского ученого

Формулы Оксиды Кислоты Основания Соли
K 2 O М А Ш А
H 2 CO 3 П Е Т Р
P 2 O 5 Н И М А
CuSO 4 П О С Д
Ca(OH) 2 Л И Е С
Fe(NO 3) 3 А Н У Л
SO 2 Е Л З А
H 3 PO 4 Н Е Л С
Na 3 PO 4 Ч У М В

Ответ: Менделеев.

Проблемное задание.

Могут ли разные классы неорганических соединений взаимодействовать друг с другом?

Выделить признаки генетического ряда:

Ca Ca(OH) 2 CaCO 3 CaO CaSO 4 CaCl 2 Ca ?

  1. вещества разных классов;
  2. разные вещества образованы одним химическим элементом;
  3. разные вещества одного химического элемента связаны взаимопревращениями.

Между классами существует важная связь, которую называют генетической («генезиз» по-гречески обозначает «происхождение»). Эта связь заключается в том, что из веществ одного класса можно получить вещества других классов.

Генетическим называют ряд веществ – представителей разных классов неорганических соединений, являющихся соединениями одного и того же химического элемента, связанного взаимопревращениями и отражающего общность происхождения этих веществ.

Генетический ряд отражает взаимосвязь веществ разных классов, в основу которых положен один и тот же химический элемент.

Генетическая связь – связь между веществами разных классов, образованных одним химическим элементом, связанных взаимопревращениями и отражающая единство их происхождения.

Существует два основных пути генетических связей между веществами: один из них начинается металлами, другой – неметаллами.
Среди металлов также можно выделить две разновидности рядов:

1. Генетический ряд, в котором в качестве основания выступает щелочь. Этот ряд можно представить с помощью следующих превращений:

металл—основный оксид—щелочь–соль

Например: K—K 2 O—KOH—KCl.

2 . Генетический ряд, где в качестве основания выступает нерастворимое основание, тогда ряд можно представить цепочкой превращений:

металл—основный оксид—соль—нерастворимое основание—основный оксид—металл.

Например: Cu—CuO—CuCl 2 —Cu(OH) 2 —CuO—>Cu

Среди неметаллов также можно выделить две разновидности рядов:
1 . Генетический ряд неметаллов, где в качестве звена ряда выступает растворимая кислота.

Цепочку превращений можно представить в следующем виде:
неметалл—кислотный оксид—растворимая кислота—соль.

Например:
P—P 2 O 5 —H 3 PO 4 —Na 3 PO 4 .
2 . Генетический ряд неметаллов, где в качестве звена ряда выступает нерастворимая кислота:
неметалл—кислотный оксид—соль—кислота—кислотный оксид–неметалл

Например: Si—SiO 2 —Na 2 SiO 3 —H 2 SiO 3 —SiO 2 —Si.

Осуществить превращения по микрогруппам.

Физкультминутка “Рыжий кот”.

Решение задачи.

Однажды Юх проводил эксперименты по измерению электропроводности растворов разных солей. На его лабораторном столе стояли химические стаканы с растворами KCl, BaCl 2 , K 2 CO 3 , Na 2 SO 4 и AgNO 3 . На каждом стакане была аккуратно приклеена этикетка. В лаборатории жил попугай, клетка которого запиралась не очень хорошо. Когда Юх, поглощенный экспериментом, оглянулся на подозрительный шорох, он с ужасом обнаружил, что попугай, грубо нарушая правила техники безопасности, пытается пить из стакана с раствором BaCl 2 . Зная, что все растворимые соли бария чрезвычайно ядовиты, Юх быстро схватил со стола стакан с другой этикеткой и насильно влил раствор в клюв попугаю. Попугай был спасен. Стакан с каким раствором был использован для спасения попугая?

BaCl 2 + Na 2 SO 4 = BaSO 4 (осадок) + 2NaCl (сульфат бария настолько малорастворим, что не способен быть ядовитым, как некоторые другие соли бария).

Демонстрационный эксперимент. Учитель показывает в пробирках образцы:

1 – кусочек кальция, 2 – негашеная известь, 3 – гашеная известь, 4 – гипс задает вопрос:

“Что общего между этими образцами?” и записывает цепочку из формул представленных образцов.

Ca CaO Ca(OH) 2 CaSO 4

Хорошо, ребята! Подумайте, как с помощью химических реакций можно перейти от простого вещества к сложному, от одного класса соединений к другим. Давайте проведем эксперимент, доказывающий присутствие атомов меди в разных ее соединениях. По ходу эксперимента запишите цепочку превращений. Назовите типы химических реакций.

Работа выполняется по инструктивной карте.

Соблюдайте правила техники безопасности!

Инструктивная карта.

Лабораторная работа: “Практическое осуществление цепочки химических превращений”.

Проверьте наличие оборудования и реактивов на рабочих местах.

Оборудование: штатив для пробирок, спиртовка, спички, зажим для пробирок, тигельные щипцы.

Реактивы и материалы: раствор соляной кислоты (1:2), медная проволока, железный гвоздь или скрепка, нитки.

Выполнение работы.

Проведите реакции, в которых осуществляются химические превращения.

Медная проволока оксид меди(II) хлорид меди(II) медь

Прокаливайте медную проволоку, удерживая ее тигельными щипцами, в верхней части пламени спиртовки (1–2мин). Что наблюдаете?

Аккуратно удалите черный налет с проволоки и поместите его в пробирку. Отметьте цвет вещества.

Прилейте в пробирку в пробирку 1 мл раствора соляной кислоты (1:2). Для ускорения реакции слегка нагрейте ее содержимое. Что наблюдаете?

Осторожно (почему?) погрузите в пробирку с раствором железный гвоздь (скрепку).

Через 2–3 мин извлеките гвоздь из раствора и опишите произошедшие с ним изменения.

Образованием какого вещества они вызваны?

Опишите и сравните цвет образовавшегося и исходного растворов.

Приведите рабочее место в порядок.

Внимание! Раствор с оксидом меди нагревать очень осторожно, держа пробирку высоко над пламенем спиртовки.

III. Заключение.

Учитель. Понятия “оксид”, “кислота”, “основание”, “соль” образуют систему, находящуюся в тесной взаимосвязи, она раскрывается при получении веществ одного класса из веществ другого класса. Она проявляется в процессе взаимодействия веществ и активно используется в практической деятельности человека. Как вы думаете, ребята, достигли мы цели, которую ставили в начале урока?

V. Домашнее задание.

Слайды 30, 31.

VI. Подведение итогов урока, оценивание, рефлексия.

Учитель. Ребята, пришло время подводить итоги. Чему вы сегодня научились, что узнали нового, что вы делали на уроке?

Ученики дают ответы.

Урок химии «Генетические ряды железа» – УчМет

ПЛАН-КОНСПЕКТ УРОКА
Генетические ряды железа Fe2+ и Fe3+ .

ФИО (полностью)

Овчинникова Светлана Михайловна

Место работы

государственное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 2 с. Обшаровка Приволжского района Самарской области

Должность

Учитель высшей категории

Предмет

Химия

Класс

9

Тема и номер урока в теме

Неметаллы. № 19

Базовый учебник

Габриелян О.С. М.,Дрофа, 2010 г.

Цель урока:

  • Повторить строение атома железа исходя из его положения в Периодической Системе Д.И.Менделеев.

  • Познакомиться с соединениями II и III-валентного железа; совершенствовать свои знания в умении составлять уравнения реакций с участием всех классов неорганических веществ.

Задачи:

Обучающие: (формирование познавательных УУД):

  • продолжить формирование понятий ;

  • продолжить формирование умений и навыков при работе с химическими реактивами.

Воспитательные: (формирование коммуникативных и личностных УУД)

  • содействовать формированию у учащихся умения совместной работе в группе при рациональном разделении труда, умения внимательно слушать учителя и друг друга;

  • содействовать формированию у учащихся умения осознавать собственную учебную деятельность, осуществлять самоконтроль;

  • содействовать формированию у учащихся устойчивого интереса к изучению химии;

Развивающие: (формирование регулятивных УУД)

  • развитие речи,

  • коммуникативных способностей,

  • развитие умения логически излагать свои мысли,

  • развитие познавательного интереса учащихся.

Тип урока: Урок изучения нового материала.

Формы работы учащихся

  • Индивидуальная

  • самостоятельная работа с текстом учебника;

  • сотрудничество с учителем

  • прохождение теста.

Необходимое техническое оборудование

ПСХЭ, компьютер, мультимедийный проектор, Коллекция «Минералы».

Эпиграфом к нашему уроку будет высказывание выдающегося писателя О.Генри:

Слайд 1.

« В жизни есть некоторые вещи, которые непременно должны существовать вместе».

Сегодня на уроке мы должны:

  1. Повторить строение атома железа исходя из его положения в Периодической Системе Д.И.Менделеев.

  2. Познакомиться с соединениями II и III-валентного железа; совершенствовать свои знания в умении составлять уравнения реакций с участием всех классов неорганических веществ.

На сегодняшнем уроке мы продолжаем рассматривать один из самых интересных химических элементов,- железо, соединения которого известны с глубокой древности.

Слайд 2.

Итак, тема нашего урока:

«Железо и его генетический ряд».

Удивительно, что мы носим в себе горный хрусталь, черный агат, серу спичечной коробки. Удивительно, что в нас перемешаны крупицы доломитовых гротов, пыль меловых гор и что каждый из этих элементов – необходимая составная часть нашего организма. Но то, что мы носим в себе железо, настоящий тяжелый металл, в таком количестве, из которого можно сделать вязальную спицу, и что из этих трех граммов железа зависит наша возможность существования больше, чем от всех машин, вместе взятых, что без этой вязальной спицы в нашем теле мы не сможем прожить ни одной секунды, это — самое странное.

Итак, железо.

Слайд 3.

  1. Давайте дадим общую характеристику железа на основании его положения в П.С. Д.И.Менделеева.

  2. Каково же строение атома этого необыкновенного элемента.

Слайд 4.

Железо элемент побочной подгруппы VIII группы и IV периода

Периодической системы Д.И.Менделеева.

В отличие от элементов главных подгрупп в атоме железа заполняется не последний, а предпоследний энергетический уровень. При этом электроны добавляются на 3-й d подуровень, поэтому атомы железа при химических реакциях могут отдавать не только 2 электрона с последнего уровня, но и электрон с 3 d подуровня проявляя при этом степень окисления +3.

Проявляя степень окисления +2 и +3 железо образует два ряда соединений и по восстановительной способности уступает многим другим металлам.

Соединения железа, а что они из себя представляют.

Слайд 5.

FeO(II)-твердое, тугоплавкое вещество черного цвета, растворяется в разбавленных кислотах образуя соли железа двухвалентного, в кислотах окислителях соли железа трехвалентного.

Fe(OH)2-порошок белого цвета, не растворяется в воде. Окисляется в Fe(OH)3, разлагается при нагревании.

Fe2O3 – порошок бурого цвета, не растворяется в воде, проявляет амфотерные свойства.

Fe(OH)3– твердое вещество, красно-бурого цвета, не растворим в воде, еще более слабое основание, чем Fe(OH)2. Амфотерен.

Можно так рассматривать соединения железа, а можно их систематизировать, и поможет нам в этом Генетический ряд.

Слайд 6.

Что такое генетический ряд?

Я обращаю ваше внимание на генетический ряд железа, с которым мы познакомимся.

Мы с вами разобрали генетическую связь и на слайдах и на схемах уравнений реакций. А теперь вы должны будете схемы уравнений реакций превратить в уравнения химических реакций.

Обратите внимание ребята на вещества, которые остались за пределами генетического ряда.

Как вы думаете, что это за вещества? Ну конечно же, это качественные реактивы на катионы железа II и III валентного.

Слайд 7. Опыт.

Качественной реакцией на катион железа II является выпадение темно-синего осадка турнбулевой синей под действием гексацианоферрата калия красной кровяной соли.

Реактивом на катион железа III является гексацианоферрат два калия- желтая кровяная соль или растворы роданидов аммония или калия. В первом случае образуется темно-синий осадок берлинской лазури, а во втором малодиссоциирующее вещество

роданид железа кроваво красного цвета.

А генетический ряд Fe(III) будет вашим домашним заданием, кроме этого

Стр.

Обращаю ваше внимание на дополнительную литературу по данной теме.

1. Книга 1 «Химия жизни» В этой книге вы можете прочитать

дальнейший мой рассказ о влиянии железа на наш с вами

организм.

2. Книга №2 расскажет о минералах, о горных породах в состав

которых входит железо.

3. Железо обнаружено на луне, причем в лунном грунте оно

присутствует в самородном состоянии, неокисленном

состоянии, что объясняется отсутствие атмосферы, об этом вы

можете прочитать в книге № 3

Продолжим нашу работу.

Как мы выяснили, очень часто железо встречается в виде соединений. Среди них большое значение имеют такие минералы как;

Слайд 8.

Бурый железняк- Fe(OH)3-наиболее доступной первобытным людям железной рудой явился именно бурый железняк, отлагающийся повсеместно в болотах; отсюда и название этих отложений: болотная руда.

Красный железняк –Fe2O3;

Магнитный железняк- Fe3O4-минерал, несколько напоминающий по внешнему виду самородное железо.Куски природного магнитного железняка не только притягиваются магнитом, но и сами являются магнитами.

У вас на столах образцы разных минералов, найдите среди них минералы, содержащие железо.

По каким признакам вы их узнали?

Мы сегодня с вами познакомились с соединениями железа и напрашивается вопрос

А зачем, с какой целью мы это изучаем?

Чтобы узнать о применении соединений железа в настоящее время.

  1. Какие области применения соединений железа вам известны?

  2. Кто может назвать?

  3. Откройте учебник стр.____ абзац______

Дополните!

Слайд 9.

Железо стимулирует функцию кроветворных органов, входит в состав гемоглобина и других сложных белков живых организмов.

Очень широко применяется как конструкционный материал.

Его соединения использую в органическом синтезе при очистке воды и окраске тканей.

Крупинка железа! Насколько она дороже для нас всего золота и всех бриллиантов мира! Золотое кольцо на пальце, сверкающий бриллиант на шее…Сколько жизней погублено, сколько людей принесено им в жертву!

А наша жизнь течет мириадами кровяных шариков с железом по кровеносным сосудам, причем в каждом шарике всего один гран железа, а во всех вместе ( а их миллиарды!) всего каких нибудь 3 грамма, нужных для одной вязальной спицы, и все-таки эта кучка железной пыли дороже и ценнее для нас, чем все золото мира, чем алмазные копи Сибири и Африки, потому что она дарит нам кровь, дает дыхание, дает тепло и радость жизни!

Общим итогом нашей совместной работы являются ваши оценки.

Я благодарю вас за прекрасное общение, вы мне очень понравились, вы очень работоспособны.

Я желаю вам успехов в изучении химии!

У нас осталось с вами время, и мне хотелось бы знать степень усвоения данного материала.

Тесты.

Всего вам доброго!

Ионный канал, калий | Изучайте науку в Scitable

Аккерман, М. Дж. Сердечные каналопатии: это в генах. Nature Medicine 10 , 463–464 (2004). doi: 10.1038/nm0504-463.

Дойл, Д. А., Мораис Кабрал, Дж. и др. . Строение калиевого канала: молекулярные основы K+ проводимость и селективность. Наука 280, 69–77 (1998). doi: 10.1126/наука.280.5360.69.

Хилле, Б. Ионный Каналы возбудимых мембран. Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates, 2001).

Ходжкин, А. Л. и Хаксли, А. Ф. Течения, переносимые ионы натрия и калия через мембрану гигантского аксона Лолиго. Journal of Physiology 116, 449–472 (1952a).

Ходжкин А. Л. и Хаксли А. Ф. Компоненты мембранная проводимость гигантского аксона Лолиго. Журнал физиологии 116, 473–496 (1952б).

Ходжкин А. Л. и Хаксли А. Ф. Двойной эффект мембранный потенциал на натриевую проводимость гигантского аксона Лолиго. Journal of Physiology 116, 497–506 (1952c).

Ходжкин, А. Л. и Хаксли, А. Ф. Количественный описание мембранного тока и его применение к проводимости и возбуждение в нерве. Журнал Физиология 117, 500–544 (1952г).

Ходжкин, А. Л. и Хаксли, А. Ф.Распространение электрических сигналы по гигантским нервным волокнам. Производство Королевского общества B: Biological Science 140, 177–183 (1952e).

Ходжкин, А. Л. и Хаксли, А. Ф. Движение натрия и ионов калия при нервной деятельности. Холод Симпозиумы Спринг-Харбор по количественной биологии 17, 43–52 (1952f).

Ходжкин, А. Л., Хаксли, А. Ф. и др. . Измерение вольтамперных отношений в мембране гигантский аксон Лолиго. Журнал Физиология 116, 424–48 (1952).

Лай, Х.К. и Ян, Л.Ю. Распространение и таргетинг потенциалзависимых ионных каналов нейронов. Природа Обзоры Неврология 7, 548–62 (2006). дои: 10.1038/nrn1938.

Характеристика гена потенциалзависимого калиевого канала человека, KCNA7, гена-кандидата для наследственных заболеваний сердца, и его исключение как причины прогрессирующей семейной блокады сердца I (PFHBI)

Последовательность кДНК KCNA7 была депонирована в GenBank инвентарный номерAF315818. Кодирующая область кодирует белок из 456 аминокислотных остатков, содержащий цитоплазматические N- и C-концы, центральный ядерный домен, состоящий из шести трансмембранных сегментов (S1–S6), и характерную поровую петлю, P-область (рис. 1a и рис. 1b). ). Последовательность кДНК KCNA7 была недавно депонирована в GenBank (AJ310479; 12 февраля 2001 г. ), и последовательность этой записи точно совпадает с приведенной здесь последовательностью кДНК, за исключением двух замен. Мы определили, что один интрон прерывает кодирующую область KCNA7 (обозначена перевернутой стрелкой на рисунке 1а).Весь N-конец, трансмембранный сегмент S1 и проксимальная часть внешней петли S1-S2 кодируются верхним экзоном, в то время как нижний экзон кодирует область, простирающуюся от петли S1-S2 до С-конца. Последовательность интрон-экзонных соединений KCNA7 и kcna7 показана на рисунке 1b. Интрон человека имеет длину 1153 п.н. и меньше, чем у мыши (1929 п.н.). Таким образом, как KCNA7 , так и kcna7 содержат один консервативный интрон в кодирующей области, особенность, которая отличает эти гены от всех других членов подсемейства Kv1- Shaker млекопитающих, которые имеют кодирующие области без интронов. 8,11 Поскольку этот интрон отсутствует в гене Drosophila Shaker , 12 он, вероятно, возник после расхождения мух и млекопитающих.

Рисунок 1a

Сравнение нуклеотидной и выведенной аминокислотной последовательностей человеческого KCNA7 и мышиного kcna7 . Указаны шесть предполагаемых трансмембранных доменов (от S1 до S6) и порообразующая область (P-область). Показаны потенциальные сайты для фосфорилирования тирозинкиназой (TY-K) и протеинкиназой (PKC).Стрелка (▾) указывает на положение единственного интрона, расположенного между S1 и S2. Различия между последовательностями аминокислот человека и мыши выделены жирным шрифтом и подчеркнуты. Два полиморфизма в гене человека обозначены (*) в положениях нуклеотидов 566 C : G и 1253 T : C кодирующей последовательности KCNA7 . Показанная последовательность kcna7 мыши была скорректирована в нескольких положениях на основе выравнивания между опубликованной последовательностью кДНК (AF032099), геномной последовательностью мыши (AC073711) и последовательностями EST мыши.Отсутствующая буква «G» в позиции 29 в AF032099 выделена жирным шрифтом и подчеркнута. Экзон-интронные соединения человеческого KCNA7 и мышиного kcna7 . Верхняя. Сравнение геномной последовательности KCNA7 человека (AA008687) с геномной последовательностью kcna7 мыши (AC073711). Показаны донорные и акцепторные сайты сплайсинга, которые образуют границы интрона 1153 bp человека и интрона 1929 bp мыши, с консенсусными последовательностями gt/ag , выделенными жирным шрифтом и подчеркнутыми.Нижний. Часть расширенной интронной последовательности KCNA7 с указанными положениями интронных праймеров C в обратном (Crev) и D прямом (Dfor).

Интересно, что выведенный N-конец, кодируемый KCNA7 , отличается от такового в опубликованной последовательности кДНК kcna7 (AF032099), первые 10 остатков канала K + ( KCNA7 90PR004) (ME KCNA7 90PR004) заменяется 88 остатками в мышином K + -канале ( kcna7 ). 7 При исследовании мы обнаружили ошибку в опубликованной последовательности кДНК kcna7 ; «G» (GCCCTGC G GCTGCTGCG) в положении 29 в кодирующей области (рис. 1а) отсутствует в опубликованной последовательности (положение 264), что приводит к сдвигу кадра. Этот нуклеотид присутствует в геномных последовательностях человека и мыши, а также в трех EST мыши (AA021711, AI322534, AI324179), что подтверждает наблюдение, что опубликованная последовательность AF032099 неверна.Основываясь на выравнивании с геномной последовательностью kcna7 и EST мыши, другие ошибки были обнаружены в AF032099, и на рисунке 1a мы отображаем выравнивание KCNA7 с исправленной последовательностью kcna7 . Используя полученные аминокислотные последовательности, K + -каналы двух видов высококонсервативны (> 95%), имеется 22 замены, а у мыши также имеется дополнительный остаток (пролин) во внешней петле, связывающей S1. –S2 сегменты.

Для определения биофизических и фармакологических свойств скорректированного канала kcna7 мы гетерологически экспрессировали конструкцию в клетках COS-7 и исследовали токи методом пэтч-кламп (рис. 2).Канал зависит от напряжения (V 1/2 = -8 мВ), быстро активируется (τ=5,8±0,3 мс при 30 мВ) и медленно деактивируется, с кинетикой, напоминающей сверхбыстро активирующийся выпрямитель с задержкой K + канал, I Kur , в предсердных миоцитах человека. 13,14 вроде I KUR , KCNA7 блокируется классическими блокаторами канала K + 4-AP ( K D = 150 ± 20 мкМ) и чай ( k d =80±5 мМ), антиаритмическими препаратами амиодароном ( K d =35±мкМ), флекаинидом ( K d =8±мкМ) и хинидином ( K

4 d =15±2 мкМ).Антагонист кальциевых каналов L-типа верапамил вызывал блокаду, зависящую от времени ( K d =16±1,5 мкМ), предполагая блокировку открытых каналов, как это было описано для Kv1.5/KCNA5, 15 других клонированных канал сообщил, что вносит свой вклад в ток I Kur . 16 Соталол, тертиапин, харибдотоксин, маргатоксин и токсин ШК не влияли на канал. Учитывая >95% идентичность аминокислотной последовательности между мышиными и человеческими гомологами, особенно в гидрофобном домене, весьма вероятно, что свойства KCNA7 будут идентичны свойствам kcna7 .Поскольку считается, что макроскопический ток сердца I Kur состоит из kcna5/KCNA5 и другого канала K + , 14 , мы предполагаем, что kcna7 / KCNA7 могут составлять по крайней мере часть этого канала. либо в виде гомотетрамера, либо в виде гетеромультимера с kcna5/KCNA5 .

Рисунок 2

Биофизические и фармакологические свойства kcna7 . ( a ) Семейство kcna7 токов.Тестовый потенциал меняли от -60 до 60 мВ с шагом 10 мВ каждые 10 с. ( b ) Пик K + зависимость проводимости-напряжения для токов, показанных на (а). Линия, проведенная через точки, аппроксимирована уравнением Больцмана (V 1/2  = −8 мВ). ( c ) Медленная инактивация в импульсе 2000 мс (деполяризующий импульс до 40 мВ каждые 10 с). ( d ) Сдвиг реверсивного потенциала. Токи в 200-мс линейном изменении напряжения от -120 мВ до 40 мВ, применяемые каждые 10 с в нормальном растворе и растворе Рингера калия.( e–h ) Блокировка тока 4-аминопиридином (4-AP), флекаинидом, верапамилом и амиодароном (200  мс деполяризующий импульс до 40  мВ каждые 10  с).

Для подтверждения присутствия мРНК KCNA7 в сердце взрослого человека были проведены исследования ОТ-ПЦР с использованием KCNA7 -специфических праймеров. Продукты ПЦР были получены с праймерами A, B, E, F и G, лежащими в пределах кодирующих областей (см. примеры с праймерами B и F на рис. 3), и, как и ожидалось, продукты для двух наборов праймеров не были получены (C и D) охватывающих экзон-интронные соединения (данные не показаны).Эти результаты доказывают, что KCNA7 экспрессируется в сердце взрослого человека, и, что важно, также подтверждают организацию генов, полученную с помощью методов in silico .

Рисунок 3

ОТ-ПЦР-анализ KCNA7 с использованием наборов праймеров B и F для тотальной РНК и мРНК сердца взрослого человека.

Биоинформационные в силико картографические данные размещены KCNA7 на BAC BC52309, с относительным порядком пятигенов на 19 квартале: ( CEN ) — KCNN4 KCNA7 GYS1 HRC KCN C3-(тел) (рисунок 4).Интересно, что эти данные помещают KCNA7 между маркерами D19S596 и D19S604 , в пределах локуса PFHB1 4 cM, определяемого D19S606 и D19S864 , таким образом, позиция, связанная с этим геном для заболевания.

Рисунок 4

Идеограмма генетической и физической карт хромосомы 19q, изображающая положение KCNA7 относительно микросателлитных маркеров, охватывающих локус PFHB1 и другие гены в этой области (не в масштабе).Электронное размещение генов или генетических маркеров на клонах показано горизонтальной линией. Используются названия клонов LLNL, а генетические расстояния взяты из Genemap99 NCBI (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genemap99/). Было показано, что D19S879 , KCNA7 и GYSI находятся в одном и том же BAC, BC52309 (инвентарный номер GenBank AC008687). Соответствующие последовательности мРНК были извлечены из GenBank с использованием следующих номеров доступа (в скобках): K + кальций-активируемый канал средней/малой проводимости, подсемейство N, член 4 ( KCNN4 ; NM_002250), гликогенсинтаза 1 ( GYS1 ; NM_002103), богатый гистидином кальций-связывающий белок C ( HRC ; M), K + — потенциалзависимый канал, родственное Shaw подсемейство, член 3 ( KCNC3 ; NM_00497).сМ = сантиморганов.

Хромосомное расположение KCNA7 в локусе PFHB1, его экспрессия в сердце человека и его функциональное сходство с I Kur , присутствующим в предсердных миоцитах, укрепляют его кандидатуру в качестве PFHBI -каузативного гена. Используя наборы праймеров, описанные в таблице 1, кодирующую область KCNA7 подвергали скринингу на наличие предполагаемых патогенных мутаций у выбранных членов семьи, пораженных PFHBI . ПЦР-SSCP-анализ и прямое секвенирование ДНК не выявили каких-либо патогенных мутаций в кодирующих областях у протестированных больных.Однако в экзоне 2 были обнаружены два однонуклеотидных полиморфизма (SNP), оба из которых привели к аминокислотным изменениям (рис. 1а). Эти полиморфизмы были депонированы в dbSNP NCBI под номерами доступа. AF315818-566 и AF315818-1253. Первый из них (C : G в нуклеотиде 566 KCNA7 ) во внешней петле S1–S2 заменяет пролин на аргинин в кодоне 189, а второй (T : C в нуклеотиде 1253 KCNA7 ) в C- endus заменяет метионин на треонин в кодоне 418.Частоты аллелей для этих SNP, определенные в общей популяции африканеров Южной Африки, составляли 0,62 : 0,38 для полиморфизма нуклеотидов 566 C : G соответственно и 0,7 : 0,3 для полиморфизма нуклеотидов 1253 T : C соответственно.

Поскольку как семейства PFHBI, так и ICCD демонстрируют признаки феномена генетической антиципации, 5,6 патологическая экспансия триплетного повтора у пораженных индивидуумов может способствовать фенотипу заболевания. Ранее было показано, что экспансия нестабильного триплетного повтора либо в кодирующей, либо в некодирующей последовательности гена может быть ответственна за генетические нарушения, проявляющие антиципацию. 17 Поиски In silico , охватывающие 5′-UTR, 3′-UTR и кодирующие области KCNA7 в последовательностях AC008687, однако, не выявили никаких триплетных повторов. Ген HRC является другим правдоподобным позиционным кандидатом для локуса PFHB1 благодаря его экспрессии в кардиальном просвете саркоплазматического ретикулума, где он может играть роль в гомеостазе ионов кальция. 4,6 Текущие исследования показали, что патологическая экспансия двух триплетных повторов (GAT) n и (GAG) n в экзоне 1 этого гена была исключена как возможная причина PFHB1 (наши неопубликованные результаты) и ICCD . 6

В заключение, несмотря на доказательства того, что KCNA7 картируется в пределах локуса PFHB1, экспрессируется в сердце и обладает свойствами каналов I Kur , в кодирующей области или сайтах сплайсинга не было идентифицировано никаких патогенных мутаций, которые могли бы Показано, что они являются причиной этого нарушения сердечной проводимости. Тем не менее, представленный здесь набор данных по характеристике KCNA7 человека, предоставлению скорректированной последовательности кДНК мыши и электрофизиологических свойств канала мыши обеспечивает важный ресурс для исследований, связанных с этим привлекательным геном-кандидатом в других генетических сердечных заболеваниях, таких как ICCD.

Пока этот отчет находился на рассмотрении, был опубликован другой отчет о характеристике KCNA7 (Кашуба В., Кваша С., Протопопов А. и др. ) ген, член семейства генов потенциалзависимых калиевых каналов Gene 2001; 268: 115–122

Frontiers |

Введение

Мерцательная аритмия (ФП) является наиболее распространенной устойчивой сердечной аритмией и характеризуется неорганизованной быстрой электрической активацией верхних камер сердца. Он поражает почти 2% населения в целом, и его заболеваемость увеличивается с возрастом. Даже если сама по себе аритмия не приводит к внезапной смерти, она связана с повышенной смертностью и увеличением риска (от трех до пяти раз) тромбоэмболического инсульта и сердечной недостаточности. Сопутствующими сопутствующими заболеваниями и факторами риска являются сердечно-сосудистые заболевания, эндокринные и метаболические нарушения, а также респираторные заболевания и факторы образа жизни (ожирение, курение и алкоголизм…) (Kornej et al., 2020). Однако в 30% случаев аритмия проявляется у бессимптомных субъектов, не затронутых какой-либо из предшествующих патологий.Эта форма ФП известна как «одинокая ФП» и связана с изменениями генома, провоцирующими вспышку аритмических эпизодов (Chugh et al., 2014). Обширные исследования изучали связь фибриллярных событий с генетической предрасположенностью, возлагая ответственность за возникновение такой патологии на наследственность (Fatkin et al., 2007; Fox et al. , 2004; Andreasen et al., 2015; Feghaly et al. , 2018; Рагаб и др., 2020). Роль генетических мутаций, затрагивающих гены, кодирующие белковые структуры ионных каналов, в генезе аритмий стала предметом интенсивных исследований в последние несколько десятилетий.

В частности, многие исследования были сосредоточены на влиянии генетических мутаций, влияющих на гены, кодирующие калиевые каналы и вызывающих серьезные формы аритмии. В этих работах некоторые из мутаций имели разные фенотипы, такие как синдромы удлиненного и короткого интервала QT, внезапная смерть, синдром Бругада, брадикардия, а также семейная ФП (Chen et al., 2003; Hong et al., 2005b; Lundby et al. al., 2007; Das et al., 2009; Bartos et al., 2011, 2013; Hattori et al., 2012; Henrion et al., 2012; Christophersen et al., 2013; Ки и др., 2014; Ван и др., 2014 г.; Стеффенсен и др., 2015). Фактически быстрые и медленные выпрямляющие калиевые токи являются основными компонентами фазы реполяризации в электрофизиологии кардиомиоцитов (Rudy, 2009). Следовательно, генетические дефекты, нарушающие нормальную функцию этих каналов, могут приводить к аномальной проводимости токов, что, в свою очередь, может отражаться в укорочении или удлинении продолжительности потенциала действия при 90% реполяризации (APD 90 ), известном как про -аритмический (Chen et al., 2003; Хонг и др., 2005а; Кристоферсен и др., 2013). В этой связи было продемонстрировано, что компьютерное моделирование является ценным инструментом для описания патофизиологии ФП и воспроизведения динамики вспышек ФП (Dössel et al., 2012). Некоторыми из последних редких вариантов, описанных в литературе и влияющих на быстрый компонент калиевых каналов, являются T895M, T436M и KCNE3-V17M. Первые две мутации были обнаружены и охарактеризованы Hayashi et al. (2015), и затронул ген KCNh3 (hERG), который кодирует α-субъединицу комплекса каналов Kv11.1, лежащий в основе тока I Kr . Третья мутация была экспериментально исследована Lundby et al. (2008) и нарушил ген KCNE3, отвечающий за кодирование дополнительных субъединиц каналов Kv, лежащих в основе токов I Kr и I по .

В этой работе мы исследуем эффекты трех вышеупомянутых генетических миссенс-мутаций с усилением функции, используя математические модели человеческого предсердия для воспроизведения здоровых и патологических состояний в трех различных областях сердца: правом предсердии (ПП), левом предсердии (ЛП). ) и легочной вены (ЛВ).Вычислительный подход, который мы используем, направлен на воспроизведение и характеристику динамики, вызванной мутациями на клеточном и тканевом уровнях. Поэтому параметры, связанные с ФП, были извлечены и проанализированы из моделирования отдельных клеток и тканей, чтобы оценить потенциал мутаций для создания субстрата, склонного к аритмиям.

Материалы и методы

Экспериментальные данные

Экспериментальные данные по трем выбранным мутациям появились в двух предыдущих исследованиях, найденных в литературе (Lundby et al., 2008; Hayashi et al., 2015), где одиноких пациентов с ФП с семейным анамнезом исследовали с помощью скрининга генома, чтобы найти редкие варианты в генах, связанных с ФП. В первом исследовании (Hayashi et al., 2015) сообщалось о двух генетических мутациях, T895M и T436M. Они затронули ген KCNh3, кодирующий человеческий белок heter-a-go-go, образующий α-субъединицу быстрого калиевого канала. В случае мутации KCNh3 T895M пробандом был взрослый мужчина с персистирующей ФП, перенесший процедуру аблации сердца.Экспериментальные данные показали значительно более высокие пиковые и хвостовые плотности тока и увеличение значений постоянной времени при -40 и -30 мВ. Пациент с мутацией KCNh3 T436M вместо этого страдал от персистирующей ФП и имел более высокие значения пиковой плотности тока и временных констант. Во втором исследовании (Lundby et al., 2008) мутация V17M была обнаружена у взрослого мужчины с одиночной ФП и затрагивала ген KCNE3. Этот ген отвечает за кодирование дополнительной субъединицы каналов Kv.Мутация, по сути, спровоцировала нарушение не только Kv11.1, но и комплексов каналов Kv4.3, поэтому в основном повлияла на ток, протекающий в каналах I Kr и I . Их соответствующие электрофизиологические исследования показали, что Kv11.1/KCNE3-V17M удваивает постоянную времени при -120 мВ по сравнению с Kv11.1/KCNE3, и что стационарные кривые инактивации Kv4.3/KCNE3-V17M сдвинуты на 14 мВ в сторону больше положительных потенциалов по отношению к Kv4.3/КСНЕ3. Пиковые токи как для Kv11.1, так и для Kv4.3 были сильно усилены этой мутацией.

Параметризация калиевых токов

Формулировки Ходжкина-Хаксли для калиевого тока I Kr с запаздывающим выпрямителем и переходного внешнего калиевого тока I были заимствованы у Courtemanche et al. (1998) модель. Эти уравнения были модифицированы путем добавления дополнительных параметров, чтобы воспроизвести специфические изменения в динамике каналов, вызванные действием изучаемых генетических мутаций.В частности, поведение ворот было изменено путем включения параметров в константы скорости прямой (α) и обратной (β) скорости. Величина скоростей изменялась параметрами p 0r , p 0t , p 3r и p 3t , которые являются коэффициентами масштабирования. Зависимость скоростей от напряжения модифицировали параметрами p 1r , p 1t , p 4r , p 4t , являющимися сдвигами напряжения, и параметрами p 2r , p 2t , p 5r и p 5t , которые изменяют наклон сигмовидных кривых.Параметры P 6R и P 6T и P 6T являются коэффициентами масштабирования, применяемые к I KR и I канал проводимости и, наконец, параметры P 7R и P 8R влияют на формулировку мгновенной инактивации I Кр (сдвиг напряжения и изменение наклона соответственно). Как показано в уравнениях (1)–(6), девять параметров (от p 0r до p 8r ) были включены в формулу I Kr и семь параметров (от p 0t до p 6t ). ) были включены в гейты инактивации от I до и текущий состав.

αx⁢r=p0⁢r⋅0,0003⁢V+14,1+p1⁢r1-eV+14,1+p1⁢r-5⋅p2⁢r(1)

βx⁢r=p3⁢r⋅7,3898⋅10-5⁢V-3,3328+p4⁢reV-3,3328+p4⁢r5,1237⋅p5⁢r-1(2)

IK⁢r=Cm⋅p6⁢r⋅gK⁢r⋅x⁢r⁢V-E⁢k1+eV+15+p7⁢r22,4⋅p8⁢r(3)

αo⁢i=p0⁢t18,53⁢эВ+113,7+p1⁢t10,95⋅p2⁢t(4)

βo⁢i=p3⁢t35,56⁢эВ+1,26+p4⁢t-7,44⋅p5⁢t(5)

It⁢o=Cm⋅p6⁢t⋅gt⁢o⋅o⁢i⋅o⁢a3⁢(V-E⁢k)(6)

Анализ чувствительности

Два набора предложенных параметров подверглись анализу чувствительности по одному (OAT) для оценки их влияния на интересующие результаты. Поэтому активирующий и хвостовой токи, константы времени и кривые инактивации рассчитывали для каждой мутации, изменяя один параметр за раз и изменяя его значение от 0,1 до 5 с шагом 0,1. Этот диапазон значений был выбран только для выявления тех из них, которые оказывают наибольшее влияние на электрофизиологические характеристики токов. Этот анализ актуален для определения параметров, которые необходимо подобрать для лучшего воспроизведения изменений, вызываемых мутациями в динамике каналов, значения которых не были ограничены вышеупомянутым диапазоном.Результаты анализа чувствительности показаны на дополнительных рисунках 1–3.

Оценка параметров модели

Оценка значений параметров модели проводилась с использованием генетического алгоритма (Cairns et al., 2017), реализованного на языке Python, с начальной численностью популяции 1000 особей и 20 поколений. Значения параметров могли свободно варьироваться, не ограничивая их диапазоном, используемым для анализа чувствительности. Распараллеливание было реализовано для улучшения вычислительной производительности.Генетические алгоритмы являются надежными эвристическими алгоритмами глобального поиска и продемонстрировали эффективность в поиске хороших комбинаций параметров в некоторых предыдущих проблемах репараметризации сердца (Syed et al., 2005; Bot et al., 2012; Groenendaal et al., 2015; Cairns et al. ., 2017; Смирнов и др., 2020). Основными преимуществами использования такого алгоритма являются высокая независимость от начального предположения и низкая вероятность застревания на локальном минимуме, что приведет к преждевременной сходимости к неоптимальному решению. Когда алгоритм был запущен, начальная популяция из 1000 особей была случайным образом сгенерирована из равномерного распределения выборок, создав первое поколение.Каждый человек был оценен с использованием специально разработанной фитнес-функции, и было рассчитано значение балла. Затем индивидуумы были отсортированы в зависимости от их значения оценки, и имели место процедуры «Отбор», «Кроссовер» и «Мутация». Перед окончательным моделированием были оценены различные конфигурации методов, чтобы найти наилучшее сочетание методов. Для процедуры Отбора применялся метод «Простой выбор»: родители для следующего поколения выбирались случайным образом из наиболее подходящих особей.Была реализована процедура самоадаптивного имитации бинарного кроссовера (SBX), поскольку она показала лучшую эффективность на этапе спаривания (Deb and Kumar, 1995; Deb et al., 2007): параметр η c , фактически , гарантирует разнообразие решения для потомства и адаптируется на основе показателей физической подготовки родителей. Он сокращается или расширяется, если дети имеют лучшие или худшие значения баллов соответственно. В то время как кроссоверы контролируют использование области пространства параметров для поиска наилучшего решения, мутация важна для исследования новых областей.В этом исследовании был выбран гауссовский оператор мутации со скоростью мутации, равной 0,9. Наконец, поскольку кроссовер и мутация гарантируют хорошее исследование и использование пространства поиска, элитарность казалась ненужной, чтобы гарантировать, что алгоритм не «испортит» хорошее решение. Таким образом, процент элитарности был установлен равным 0. Уменьшение размерности и, следовательно, сложности пространства поиска за счет предыдущего анализа чувствительности сыграло важную роль с точки зрения сокращения вычислительных ресурсов и сложности генетического алгоритма.Наконец, функция пригодности, используемая для оценки людей, была определена как взвешенная сумма среднеквадратичной ошибки между смоделированными и экспериментальными данными.

Предсердный потенциал действия Модель

Моделирование потенциала действия проводилось с использованием версий модели предсердных миоцитов человека, предложенной Courtemanche et al. (1998), который ранее был изменен, чтобы также включать состав активированного ацетилхолином тока К + (I КАЧ ), предложенный Grandi et al.(2011) концентрация ацетилхолина была установлена ​​на уровне 0,005 мкМ, что находится в пределах физиологического диапазона. Такой ток позволил интегрировать влияние вегетативной нервной системы, в частности ее парасимпатических раздражений, на электрофизиологию предсердий. Фактически он играет важную роль в фазе реполяризации потенциала действия, сокращая его продолжительность как при физиологических, так и при патологических состояниях (Bosch et al., 1999; Dobrev et al., 2002). Наличие мутаций было смоделировано путем включения изменений I Kr и I в , оптимизированных на уровне ионного канала.Кроме того, неоднородность предсердий учитывалась путем изменения проводимости канала с использованием масштабных коэффициентов, указанных в таблице 1, аналогично Martinez-Mateu et al. (2018). Это позволило моделировать три различных предсердных региона: правое предсердие (RA), левое предсердие (LA) и легочную вену (PV). Комбинация дикого типа и трех мутаций с тремя предсердными областями привела к 12 предсердным моделям, а именно, WT, KCNh3 T895M, KCNh3 T436M и KCNE3-V17M в трех тканях RA, LA и PV.

Таблица 1. Коэффициенты масштабирования проводимости каналов для воспроизведения неоднородностей предсердий.

Моделирование одной ячейки

Модели потенциала действия предсердий возбуждались стимулирующим током с амплитудой 20 пА/пФ и длительностью 2 мс. Обыкновенные дифференциальные уравнения модели Куртеманша с одной ячейкой решались с использованием решателя с переменным шагом по времени ode15s в MATLAB. Виртуальные клетки стимулировали в течение 60 с с частотой 1 Гц для стабилизации.Этот протокол сохранил исходную морфологию шипа и купола и значение APD 90 и гарантировал стабильное поведение модели во временном интервале, необходимом для выполнения моделирования (Martinez-Mateu et al., 2018). Затем анализировали потенциалы действия (ПД) и ионные токи, вызванные 61-м импульсом. Кроме того, были рассчитаны кривые реституции APD (APDr) и их максимальные значения наклона для изучения влияния частоты стимуляции при наличии генетических мутаций.С этой целью клеточные модели стимулировали при базовой длине цикла (БЦЛ) от 300 до 1700 мс с шагом 10 мс. Кривые APDr были построены путем построения значений APD 90 61-го импульса в зависимости от BCL.

Моделирование ткани

12 версий модели Куртеманша были включены в двумерную сетку, которая использовалась для моделирования участка ткани размерами 5 см × 5 см с продольной проводимостью 0,0022 См/см⋅пФ, коэффициентом анизотропии 0.35 и пространственное разрешение 300 мкм (Ferrer et al., 2015; Martinez-Mateu et al., 2018). Такие размеры были приняты для трех типов тканей для изучения и сравнения уязвимости к генерации повторного входа. Монодоменный формализм решался с использованием программного обеспечения Elvira (Heidenreich et al., 2010) с шагом по времени 0,01 мс (Ferrer et al., 2015; Martinez-Mateu et al., 2018). Ткани стимулировали, применяя ток возбуждения длительностью 2 мс и амплитудой 100 пА/пФ.

Способность 12 моделей инициировать спиральные волны была исследована с применением протокола перекрестного поля.Ткани стимулировали 10 планарными импульсами (S1) для стабилизации при BCL 1000 мс по нижнему краю ткани. Затем прямоугольный S2-стимул размерами 1,8 см × 2,6 см прикладывался к левому нижнему углу с различными временными интервалами S1–S2, и запускались симуляции продолжительностью 5 с. Подобные протоколы применялись для изучения уязвимости тканей в предыдущих исследованиях (Kharche et al., 2008, 2012; Loewe et al., 2014; Zulfa et al., 2016). Временная уязвимость к генерации повторного входа была количественно определена как ширина временного окна, в течение которого стимул S2, применяемый к рефрактерному хвосту 10-го S1, инициирует повторный вход, совершая по крайней мере два цикла вокруг его центра.

Кроме того, были исследованы изменения срока службы роторов. Роторы вызывались каждые 2 мс внутри уязвимого окна (VW) и классифицировались на три основные категории в зависимости от их продолжительности жизни: спиральные волны, которые сохранялись в течение всего времени моделирования (устойчивая VW), спиральные волны, которые длились от одной до 5 с, и спиральные волны длительностью менее 1 с.

Пространственная организация и временная информация о динамике ротора были исследованы путем проведения фазового анализа смоделированных сигналов AP с использованием преобразования Гильберта (Martinez-Mateu et al. , 2018, 2019). Траектория кончика ротора отслеживалась путем вычисления точек сингулярности по фазовым картам. Стабильность повторного входа количественно оценивали с точки зрения продолжительности жизни и удлинения извилистого пути наконечника в ткани. Для этого траектория кончика каждого ротора была окружена эллипсом и вычислена его площадь.

Результаты

Математическое моделирование мутаций

Параметры для настройки были выбраны из исходного набора предложенных параметров в уравнениях (1)–(6) на основе результатов ранее проведенного анализа чувствительности (см. Дополнительные рисунки 1–3).Мы выбрали параметры p 3r , p 4r , p 5r и p 6r для моделирования изменений, которые мутации KCNh3 T895M и KCNh3 T436M вызывают в токах активации и хвоста, а также в константах времени дезактивации, поскольку они были параметрами, влияющими на них больше всего (см. Дополнительный рисунок 1). Параметр p 2r , несмотря на его очевидное влияние на постоянную времени дезактивации, не учитывался, так как его изменение будет влиять и на значения постоянной времени активации, а экспериментальные данные о нем не приводились. Для мутации Kv11.1/KCNE3-V17M были выбраны параметры p 3r , p 6r и p 8r , поскольку они больше всего влияли на ВАХ и значение постоянной времени дезактивации при -120 мВ (см. Дополнительный рисунок 2). Наконец, выбранными параметрами для мутации Kv4.3/KCNE3-V17M были p 0t , p 2t , p 3t , p 5t и p 6t ; даже если некоторые из них действуют одинаково на кривые ВАХ и на стационарную инактивацию, их комбинированный эффект позволил более точно подобрать экспериментальные данные (см. Дополнительный рисунок 3).Окончательные значения параметров приведены в таблице 2. Генетический алгоритм оказался ценным инструментом для настройки значений параметров модели. Была достигнута точная подгонка динамики калиевых каналов, нарушенных эффектами мутаций, о чем свидетельствует тенденция наилучшего показателя приспособленности по поколениям на рисунке 1, которая монотонно снижается. На рис. 2, 3 показаны результаты процедуры оптимизации (темные кружки) вместе с целевыми экспериментальными данными (планки погрешностей). Данные дикого типа представлены для сравнения со здоровым случаем (черные звездочки).На рисунках 2A-F показаны активирующий ток, хвостовой ток и постоянная времени дезактивации мутаций KCNh3 T895M (синий) и KCNh3 T436M (оранжевый) соответственно. На рисунках 3A, B представлены кривая зависимости I-V и значение постоянной времени дезактивации при -120 мВ для мутации KCNE3-V17M, влияющей на канальный комплекс Kv11.1. На рисунках 3C,D показаны зависимость I-V и стационарные кривые инактивации для Kv4.3/KCNE3-V17M.

Таблица 2. Значения параметров для воспроизведения изменений, вызванных исследуемыми мутациями.

Рис. 1. Сходимость среднеквадратичного значения (pA 2 ) лучших особей в зависимости от поколения для ) Kv11.1/KCNE3-V17M и (D) мутаций Kv4.3/KCNE3-V17M.

Рис. 2. Result I Kr токи и постоянные времени, полученные с использованием параметров, оцененных с помощью процедуры оптимизации моделей КСНх3 Т895М (синий) и КСНх3 Т436М (оранжевый). Столбики погрешностей указывают на экспериментальные данные (цель), а темные кружки соответствуют результатам моделирования; результаты модели дикого типа (WT) представлены черными звездочками. (A,D) Активирующий ток. (B,E) Хвостовой ток. (C,F) Постоянная времени деактивации.

Рисунок 3. Результирующие I Kr (вверху) и I (внизу) зависимость I/V и кривые инактивации, полученные с использованием параметров, оцененных с помощью процедуры оптимизации Kv11.Мутация 1/KCNE3-V17M (фиолетовый) и мутация Kv4.3/KCNE3-V17M (зеленый). Столбики погрешностей указывают на экспериментальные данные (цель), а темные кружки соответствуют результатам моделирования; результаты модели дикого типа (WT) представлены черными звездочками. (A,C) ВАХ. (B) Постоянная времени деактивации при −120 мВ. (D) Стационарная кривая инактивации.

Влияние мутаций на характеристики AP

На рис. 4 сравниваются потенциалы действия, быстрые и транзиторные потоки калия наружу и свойства реституции трех мутаций: KCNh3 T895M, KCNh3 T436M и KCNE3-V17M (синий, оранжевый и фиолетовый соответственно) с диким типом (пунктирная линия). темные линии) в трех смоделированных тканях: RA, LA и PV (слева направо).На рисунках 4A–C показано, что три мутации привели к снижению значений APD 90 во всех трех исследуемых областях: это строго связано с более высокими амплитудами I Kr и I до (рис. 4D– Я соответственно). Кроме того, кривые реституции APD показали сглаженную тенденцию мутаций по отношению к условиям WT и сдвиг в сторону меньших значений APD (рис. 4L-N).

Рис. 4. Смоделированные эффекты мутаций KCNh3 T895M (синий), KCNh3 T436M (оранжевый) и KCNE3-V17M (фиолетовый) в человеческих одноклеточных моделях правого предсердия, левого предсердия и областей легочных вен (слева направо). правильно). (A–C) Потенциал действия. (D–F) Rapid K + ток. (G–I) Переходный внешний K + ток. (L–N) APD 90 кривая восстановления. Кривые WT в пунктирных темных линиях приведены для сравнения.

Эффекты мутации KCNh3 T436M представлены на рисунке 4 сплошными оранжевыми линиями. Пиковые значения быстрого тока K + (рис. 4D–F) увеличили его значение WT на 29% в RA и на 28% в регионах LA и PV.Индуцированный APD 90 сократился на 9% в ПП и на 13% в ЛП и ЛВ (рис. 4А-С). Как показано на рисунках 4L-N, сдвиг в сторону более низких значений APD 90 незначителен, и мутация почти не повлияла на уплощение кривой реституции; процент уменьшения максимального значения наклона составил всего 3% как в ЛП, так и в РП, в то время как в области ЛВ было обнаружено увеличение на 8%.

Мутация KCNh3 T895M индуцировала пиковое увеличение I Kr на 63% в RA, 62% в LA и 67% в PV области, как показано на панелях D-F. Последующее снижение APD 90 , показанное на рисунках 4A–C, составило 18 % при РА, 23 % при ЛА и 24 % при ИП. Эта мутация также сгладила кривую APDr и вызвала сдвиг вниз (Рисунки 4L-N). Максимальное значение наклона кривой реституции уменьшилось на 22% при РА, 13% при ЛП и 15% при ИП.

Моделирование мутации KCNE3-V17M увеличило ток I Kr (рис. 4D-F) на 113% в RA, на 33% в LA и на 76% в области PV. Амплитуда переходного внешнего тока увеличилась на 252% в RA, 254% в LA и 259% в PV (Рисунки 4G-I).Эти изменения амплитуд тока вызвали укорочение АПД 90 на 46% при ПП, 51% при ЛП и 47% при ЛВ. Кривая восстановления APD сместилась в сторону более низких значений APD, как показано на панелях L-N, и ее тенденция представляла собой выраженное уплощение. Максимальное значение наклона фактически уменьшилось на 43 % в RA, на 46 % в LA и на 28 % в PV по сравнению со случаем WT. Альтернация между ударами появлялась при РА при BCL в диапазоне от 650 до 860 мс, как показано на рисунке 4L.

Таким образом, наше моделирование показывает, что мутации KCNh3 T436M, KCNh3 T895M и KCNE3-V17M снижают APD и имеют тенденцию к уплощению APDr.

Влияние мутаций на временную уязвимость и стабильность роторов

Временная уязвимость к повторному входу и фазовый анализ позволили охарактеризовать восприимчивость к аритмии трех моделей тканей, затронутых тремя исследуемыми генетическими мутациями. Протокол перекрестного поля был сначала применен к здоровой ткани (WT), а затем к ткани, затронутой мутацией. На левой панели рисунка 5 показаны интервалы S1–S2, ведущие к двунаправленной блокировке (белый цвет), запуск ротора (оранжевый цвет) и простое распространение (серый цвет).Правые панели представляют увеличение каждого VW и показывают срок службы роторов с цветовой кодировкой: темно-оранжевый цвет представляет устойчивый VW, желтый цвет соответствует сроку службы ротора в пределах 1 и 5 с, а светло-желтый цвет соответствует сроку службы ротора менее 1 с.

Рис. 5. Временная уязвимость к генерации спиральных волн тканей (А) правого предсердия, (Б) левого предсердия и (В) тканей легочной вены в условиях WT и в присутствии KCNh3 T436M, Мутации KCNh3 T895M и KCNE3-V17M.Левые панели: блок двунаправленной проводимости (белый), генерация ротора (синий) и распространение (серый). Числа внутри синих областей (ротор) — это ширина уязвимого окна в мс. Правые панели: классификация роторов, выявленных в каждом VW, на основе их срока службы (LS): менее 1 с (желтый), от 1 до 5 с (оранжевый) и более 5 с (красный). Цифры обозначают границы.

В области RA (рис. 5A) WT и KCNh3 T436M не смогли инициировать повторный вход, в то время как мутация KCNh3 T895M была способна индуцировать ротор в узком промежутке времени (ширина: 7 мс).Почти 71 % роторов в этом интервале исчезали в крае ткани до достижения 1 с жизни, а остальные 29 % жили максимум 1,2 с. Вместо этого KCNE3-V17M показал VW шириной 35 мс и 99% индуцированных роторов, устойчивых в течение всего моделирования (устойчивый VW).

LA была областью с самой высокой устойчивой шириной VW (левая панель рисунка 5B выделена красным). Вычисленный VW в контроле имел ширину 25 мс, а 52% индуктивных роторов имели максимальный срок службы от 1 до 2,3 с. Ткань с мутацией KCNh3 T436M показала ширину VW 34 мс, 35% из которых дали роторы, которые сохранились до конца моделирования.Ткань мутации KCNh3 T895M также демонстрировала широкий интервал времени (35 мс), в течение которого ткань была более уязвима для повторных входов; за это время 51% роторов выдержали все время моделирования. Наконец, ткань с KCNE-V17M показала временную VW 30 мс, 99% из которых сохранялись более 5 с (устойчивая VW).

Ткань ЛВ (рис. 5С) наиболее уязвима для запуска ротора. Временная уязвимость тканей при наличии мутаций незначительно увеличивалась по сравнению с тканью дикого типа.В WT роторы индуцировались при стимуляции во временном интервале 31 мс, и 48% из них имели время жизни от 1 до 1,6 с. Мутация KCNh3 T436M немного увеличила ширину ВВ за 4 мс, но только 7% (первые два момента времени) вызванных повторных входов сохранялись до конца моделирования (устойчивые ВВ). 88% роторов исчезали на границе ткани до 1 с жизни. Ширина VW мутации KCNh3 T895M также составляла 35 мс, и только 9% из них провоцировали устойчивые роторы. Точно так же уязвимое окно при наличии мутации KNCE3-V17M составляло 35 мс, но в этом случае 43% ширины VW представляли собой стабильные роторы, продолжавшиеся до конца моделирования.

В целом, результаты показали, что наличие мутаций сдвигало VW на более короткие временные интервалы S1-S2 (левые панели на рис. 5, оранжевые) и увеличивало ширину устойчивых VW (правые панели на рис. 5, красные). Сдвиг VW более очевиден для мутации KCNE3-V17M, в то время как он постепенно менее выражен для мутаций KCNh3 T895M и KCNh3 T436M. Точно так же KCNE3-V17M больше всего влиял на уязвимость тканей, демонстрируя наибольшую устойчивую ширину VW, за ней следует мутация KCNh3 T895M и, наконец, мутация KCNh3 T436M.Кроме того, временная восприимчивость к инициации ротора была выше в ткани PV, за которой следует LA, но роторы легче поддерживать в LA. Влияние мутации KCNE3-V17M на ширину VW было одинаковым в трех тканях. Присутствие любой из этих мутаций индуцировало и поддерживало реэнтри в тканях LA и PV, в отличие от условий дикого типа.

На рисунках 6–8 показаны снимки роторов, индуцированных при WT и при наличии мутаций в RA, LA и PV, а также траектория кончика ротора, заключенная в эллипс.Показанные роторы были получены с S2 в центре устойчивой VW, когда это было возможно. В противном случае они были вызваны с S2, обеспечивающим повторный вход с максимально возможной продолжительностью жизни (роторы в LA и PV в WT и в RA в присутствии KCNh3 T895M). Траектории кончиков роторов имели звездообразную траекторию во всех случаях, за исключением LA и PV в присутствии мутации KNCE3-V17M, где меандрирование роторов выглядело более круговым. В таблице 3 приведены площади эллипсов (см 2 ), окружающих траектории концов ротора.Наименьшие площади зарегистрированы при PV, затем LA и при наличии мутации KCNE3-V17M, затем мутации KCNh3 T895M и KCNh3 T436M. Эти результаты подчеркивают способность тканей ЛП и ЛВ приспосабливаться к стабильным повторным входам.

Рис. 6. Моделирование спиральных волн в 2D правом предсердии, пораженном мутациями KCNh3 T895M и KCNE3-V17M. Моментальные снимки напряжения роторов и траектории кончиков роторов с цветовой кодировкой, заключенные в эллипс, для количественного определения площади извилистого ротора.Интервал S1–S2 для модели KCNh3 T895M составил 241 мс. Случаи WT и KCNh3 T436M не показаны, так как роторы не индуцировались.

Рис. 7. Моделирование спиральных волн в 2D левом предсердии в контроле (WT) и пораженном мутациями KCNh3 T436M, KCNh3 T895M и KCNE3-V17M. Моментальные снимки напряжения роторов и траектории кончиков роторов с цветовой кодировкой, заключенные в эллипс, для количественного определения площади извилистого ротора. Интервал S1–S2 для модели WT составил 223 мс.

Рис. 8. Моделирование спиральных волн в 2D легочных в контроле (WT) и затронутых мутациями KCNh3 T436M, KCNh3 T895M и KCNE3-V17M. Моментальные снимки напряжения роторов и траектории кончиков роторов с цветовой кодировкой, заключенные в эллипс, для количественного определения площади извилистого ротора. Интервал S1–S2 для модели WT составлял 205 мс.

Таблица 3. Площади эллипсов (см 2 ), окружающих траектории законцовок ротора.

Обсуждение

Основные выводы

Моделирующее исследование, представленное в этой статье, предлагает получить представление о механизмах ФП, вызванной тремя мутациями с усилением функции — KCNh3 T895M, KCNh3 T436M и KCNE3-V17M — с использованием 0D и 2D электрофизиологических моделей человеческих предсердий.Для этого мы сначала предложили формулировки калиевых токов, измененных мутациями (I Kr и I до ), которые были приспособлены к экспериментальным данным с использованием генетического алгоритма. Затем версии Courtemanche et al. (1998) модель предсердных миоцитов человека, включающая текущую формулу ацетилхолина из Grandi et al. (2011) была создана модель для имитации наличия этих мутаций. Кроме того, мы рассмотрели электрическое ремоделирование, чтобы объяснить гетерогенность предсердий для RA, LA и PV.Проанализировано влияние на мембранный потенциал, ионные токи и распространение электрических волн в различных тканях предсердий в отсутствие и в присутствии этих мутаций. Основные результаты следующие: (i) изменения, вызванные этими мутациями, привели к увеличению I Kr и/или I до ; (ii) как прямое следствие, значения APD 90 были сокращены, а кривые APDr сглажены; (iii) три мутации повысили уязвимость тканей к повторному проникновению; (iv) изучение расчета устойчивой VW и площади кончиков позволило идентифицировать мутацию KNCE3-V17M как наиболее проаритмическую, за ней следует мутация KCNh3 T895M и мутация KCNh3 T436M как наименее проаритмическая -аритмический; (v) ткани ЛП и ЛВ были гораздо более аритмогенными, чем РА, при этом ткань ЛП демонстрировала более широкие устойчивые ФВ, а ткань ЛВ демонстрировала самую высокую временную восприимчивость к инициации ротора.

Насколько нам известно, эта работа представляет собой первое компьютерное исследование механизмов возникновения и поддержания ФП, вызванных тремя мутациями с усилением функции — KCNh3 T895M, KCNh3 T436M и KCNE3-V17M — на электрофизиологических моделях предсердий человека. на клеточном и тканевом уровнях. Двумя новыми аспектами этой работы являются изучение эффектов мутации в различных тканях предсердий и всестороннее изучение VW, поскольку он был рассчитан с использованием трех критериев, основанных на продолжительности их жизни.Они позволили нам наблюдать интересные аспекты, такие как более длительный VW до устойчивого повторного входа в ЛП, чем при PV, и то, что наличие мутации KCNE3-V17M приводило к наибольшему удлинению VW до устойчивого повторного входа во всех типах ткани предсердий.

Наши результаты демонстрируют профибриллярные эффекты этих мутаций в инициации и поддержании спиральной волны, представляя потенциальный риск развития тяжелых форм аритмии у пациентов, пораженных ими.

Проаритмогенные эффекты

APD 90 снижение считается проаритмогенным показателем, поскольку в предыдущих исследованиях оно ассоциировалось с инициацией ФП (Bosch et al., 1999; Хонг и др., 2005а; Лоу и др., 2014). В настоящем исследовании мутации уменьшили APD 90 в разной степени, и это связано с более высокими амплитудами токов калия, как объяснялось ранее. Сходные значения APD 90 были показаны в предыдущем исследовании, где электрическое ремоделирование, вызванное ФП, применялось к версии модели Куртеманша (Colman et al., 2013). Также было исследовано снижение максимального значения наклона APDr. На самом деле было проведено несколько исследований для оценки причинно-следственной связи между крутизной кривой АПДр и неустойчивостью спиральных волн, но наклон кривой АПДр не был подтвержден в качестве основного параметра для определения нестабильности ротора (Cherry, Fenton, 2004; Ten Тушер, Панфилов, 2006).С другой стороны, в нашем исследовании в условиях мутации наблюдалось снижение максимальных значений наклона кривых APDr; крутые кривые восстановления отсутствовали, но роторы, смоделированные в двумерных тканях, демонстрировали некоторую нестабильность, провоцирующую разрывы волн. Аналогичный результат был получен в предыдущем исследовании Kharche et al. (2012), где утрата частотно-зависимой адаптации была сравнима с таковой у пациентов с хронической ФП. Кроме того, кривые APDr при LA и PV при наличии изучаемых мутаций, а также при RA при наличии мутации KCNE3-V17M напоминают тенденции, показанные у пациентов, страдающих хронической ФП, в экспериментальных исследованиях Franz et al. .(1997) и Добрев и Вороны (2003). Таким образом, наши результаты могут поддержать гипотезу о том, что такое сильное уплощение кривой APDr может представлять собой показатель проаритмогенности.

Восприимчивость предсердий исследовалась через временную уязвимость, которая указывает временное окно, когда преждевременный стимул S2 может вызвать генерацию спиральных волн. Восприимчивость ткани предсердия была увеличена тремя изучаемыми мутациями, о чем свидетельствует большая ширина VW, как показано на рисунке 5.Однако не наблюдалось существенной разницы в ширине VW, полученной для повторных входов, которые длились не менее 2 циклов в тканях LA и PV среди мутаций, несмотря на их различную проаритмогенность по отношению к устойчивым повторным входам. Этот результат согласуется с предыдущим исследованием, где вызванное мутацией увеличение тока K + привело к небольшим различиям между их VW (Kharche et al., 2012; Zulfa et al., 2016). В нашем исследовании изучение VW было расширено не только на инициирование ротора, но и на его способность поддерживаться до конца моделирования.Этот факт подтверждает идею о том, что ширина VW для устойчивых повторных входов может обеспечить лучшую оценку влияния мутаций на восприимчивость к аритмиям. Восприимчивость тканей также связана с пространственной уязвимостью, которая представляет собой критический размер ткани, необходимый для удержания повторного входа и обеспечения его устойчивости. Этот показатель связан с длиной волны импульсов возбуждения, которая, в свою очередь, связана с длительностью потенциала действия. Таким образом, уменьшенный APD приводит к уменьшению длины волны возбуждения, что приводит к уменьшению размера субстрата, необходимого для обеспечения и поддержания повторного входа. Действительно, аритмии легче поддерживать, поскольку ткани быстрее восстанавливаются после рефрактерности. Снимки роторов на рисунках 6–8 подтверждают это объяснение. Наши наблюдения кажутся похожими на наблюдения предыдущей работы, где эффекты мутации изучались при разных степенях экспрессии (Kharche et al., 2012). Широкая область ткани, занятая кончиком ротора в условиях ДТ и при наличии мутации KCNh3 T895M при РА, наблюдаемая в нашем исследовании, напоминает область кончика роторов ДТ в их исследованиях, где меньше восстановленной ткани и была показана последующая более широкая извилистая область.Точно так же, чем сильнее влияние мутаций, тем меньше площадь изгиба кончиков роторов. Более того, в настоящем исследовании различия в площади траектории наконечника, наблюдаемые среди трех предсердных областей, могут указывать на более высокую аритмогенность тканей ЛП и ЛВ по отношению к РА.

В заключение мы показали, что сокращение APD и повышенная уязвимость тканей к стабильным повторным входам являются эффектами мутаций KCNh3 T895M, KCNh3 T436M и KCNE3-V17M. Однако влияние иное: KCNE3-V17M оказалась мутацией с самым высоким риском аритмогенности, и она была еще более рискованной в LA и RA, чем в PV, если учитывать ширину устойчивого уязвимого окна.Что касается площади меандрирования роторов, наименьшие значения были зарегистрированы в области PV, затем LA и, наконец, RA. Восприимчивость к ре-энтри в тканях, пораженных мутациями KCNh3 T895M и KCNh3 T436M, была выше как по устойчивой уязвимой ширине окна, так и по стабильности роторов (зона меандрирования роторов) в LA, чем в PV. Более того, мутация KCNh3 T895M оказывает более сильное влияние, чем KCNh3 T436M.

Релевантность по отношению к предыдущим исследованиям

I Kr Повышение функции, спровоцированное генетическими мутациями, затрагивающими ген KCNh3, ранее было выявлено при различных кардиологических патологиях.Мутация N588K, о которой впервые сообщили Brugada et al. (2004), был обнаружен в трех неродственных семьях с широким спектром фенотипов, от фибрилляции предсердий до желудочков, синдрома укороченного интервала QT (Hong et al. , 2005a; McPate et al., 2005) и внезапной смерти, связанной с SQTS. Бругада и др., 2004). Другая мутация hERG, L532P, приводящая к ФП, была идентифицирована Hassel et al. (2008). Сан и др. (2011) и El Harchi et al. (2012) описали третий дефект, T618I, также связанный с SQTS. У пациентов с этими генетическими мутациями, связанными с ФП, наблюдался укороченный потенциал действия и эффективный рефрактерный период, что свидетельствует о связи между аритмией и сокращенно АФЛ.

Редкие варианты, затрагивающие ген KCND3, кодирующий Kv4.3, также были связаны с единичными случаями ФП с ранним началом. Первоначально мутации KCND3 были исследованы Mann et al. (2012), и никакого эффекта клеточной электрофизиологии не наблюдалось. Но затем, в первом случае, описанном Olesen et al. (2013), мутация с усилением функции нарушила транзиторный внешний ток, действующий непосредственно на порообразующую субъединицу его канала. Мутация A545P приводила к укорочению APD и была связана с генезом AF.Аналогичные результаты были описаны для второй мутации в гене KCND3 (Huang et al. , 2017).

KCNE представляет собой семейство вспомогательных субъединиц потенциалзависимых калиевых каналов, состоящих из 5 членов, которые модулируют специфические токи калия и играют роль в развитии аритмий (Crump and Abbott, 2014). Некоторые генетические дефекты в этих дополнительных субъединицах были связаны с изолированной мерцательной аритмией, как сообщалось в предыдущих исследованиях для KCNE1 (мутации G25V и G60) (Olesen et al., 2012) и для KCNE2 (мутации R27C, M23L и I57T). Ян и др., 2004; Нильсен и др., 2014). Их результаты связывают наличие таких мутаций с повышенной восприимчивостью к ФП. Кроме того, варианты гена KCNE3 ассоциировались с аритмогенной вспышкой при экспрессии в комплексе каналов Kv11.1 (Lundby et al., 2008).

Наше симуляционное исследование выявляет в различных масштабах важные изменения в биомаркерах фибрилляции предсердий и поддерживает гипотезу о том, что мутации, связанные с калиевыми каналами, могут привести к образованию субстрата, более восприимчивого к аритмическим событиям. Многие компьютерные исследования воспроизвели эффекты генетических мутаций, влияющих на калиевые каналы (Kharche et al., 2008, 2012; Imaniastuti et al., 2014; Loewe et al., 2014; Zulfa et al., 2016), и продемонстрировали, что сокращенный APD и длина волны, а также повышенная уязвимость тканей (аналогично нашим выводам) являются проаритмическими факторами. Лоу и др. (2014), в частности, продемонстрировали путем моделирования эффектов мутаций в гене KCNh3, что APD и эффективное сокращение рефрактерного периода в сочетании с более линейной фазой реполяризации (треугольная AP) сами по себе были достаточными для индукции субстрата для ФП.Эффекты этих мутаций были дополнительно исследованы путем распространения этой работы на трехмерную анатомию с электрическим ремоделированием ФП, где был подтвержден аритмогенный потенциал мутаций KCNh3 L532P и N588K (Heikhmakhtiar et al., 2020).

Вместе с предыдущими вычислительными исследованиями (Moreno et al., 2013; Cano et al., 2020) наше исследование может стать шагом вперед в разработке персонализированных антиаритмических препаратов на основе характеристик генотипа. Кроме того, эти модели для конкретных пациентов могут дать полезную информацию не только для улучшения диагностики и составления терапевтических планов, но также для профилактики и лечения ФП путем раннего выявления пациентов с риском развития ФП в более позднем возрасте.

Ограничения

Эффекты мутаций исследовали с помощью исследования Courtemanche et al. (1998) модель сердца, которая широко используется при моделировании предсердий и представляет собой достоверный и точный инструмент с уменьшенной сложностью. Хотя мы ожидаем получить аналогичные эффекты на основные биомаркеры ФП, изученные в этой работе, оценка мутантных эффектов с помощью других математических моделей действительно улучшит оценку аритмогенного потенциала мутаций на токи, такие как натрий и кальций, которые лучше характеризуется другими рамками.

Пациенты с генетическими дефектами, проанализированные в этом исследовании, носили гетерозиготную форму мутаций. Однако экспериментальные данные были представлены только в гомозиготных условиях. Таким образом, наши симуляции воспроизводят состояние с меньшей вероятностью. Некоторые теоретические исследования имитируют гетерозиготные условия, подвергая воздействию мутации только половину каналов. Однако во многих случаях гетерозиготная экспрессия мутаций на самом деле не сильно отличается от гомозиготной, о чем свидетельствует доминантный эффект Kv4.3/KCNE3-V17M в Lundby et al. (2008). Поэтому мы решили исследовать случаи с наивысшим риском, чтобы понять, каким тяжелым формам эпизодов ФП подвержены пробанды.

Настоящее исследование просто охарактеризовало проаритмические эффекты генетических мутаций на электрофизиологию предсердий. Электрические и структурные изменения, вызванные ФП, также могут способствовать возникновению и сохранению аритмии (Dössel et al., 2012), поэтому изучение их влияния на предсердные токи и структуры вместе с наличием мутаций может добавить дополнительные знания о долгосрочных последствиях таких патологий.

Следует изучить связанные с полом изменения фенотипа при наличии одних и тех же мутаций, поскольку одна и та же мутация может приводить к различным симптомам. Мутация KCNE3-V17M в этой работе также была фактически носителем сестры пробанда. Однако проявляющиеся симптомы были другими, поскольку она никогда не страдала ФП. Возможные объяснения автора оригинального исследования заключаются в том, что это различие может быть результатом факторов окружающей среды или просто отражением низкой пенетрантности (Lundby et al., 2008). Напротив, мутацию KCNh3 T436M носила и сестра пробанда, страдающая ФП с раннего возраста (Hayashi et al., 2015). Изучение и характеристика электрофизиологических экспериментов на особях женского пола могут быть полезны для более полного понимания основных свойств таких мутаций.

Представленное компьютерное исследование было выполнено в масштабе одноклеточной и двумерной ткани. Дальнейшее расширение нашего исследования до трехмерной реалистичной геометрии предсердий позволит завершить и подтвердить наши результаты также на уровне всего сердца.

Тем не менее, мы не ожидаем, что эти ограничения изменят основные выводы этой работы.

Заявление о доступности данных

Оригинальные вклады, представленные в исследовании, включены в статью/дополнительный материал, дальнейшие запросы можно направлять соответствующему автору/ам.

Вклад авторов

RB, LR, LM-M и JS разработали, разработали исследование и проанализировали результаты. FF и EC предоставили исходный алгоритм оптимизации.РБ адаптировал предыдущий код к исследованию, реализовал новые функции, выполнил процедуры оптимизации и моделирования и написал первый черновик рукописи. Все авторы пересмотрели и одобрили рукопись.

Финансирование

Эта работа была поддержана исследовательской и инновационной программой Horizon 2020 Европейского Союза в соответствии с Соглашением о гранте Марии Склодовской-Кюри № 766082 (проект MY-ATRIA) и в соответствии с Соглашением о гранте № 101016496, Генеральным управлением политической науки. Valenciana (PROMETEO/2020/043), Национальным научным фондом по грантам CMMI-1762553 и CMMI-2011280, а также Национальным институтом здравоохранения по гранту №1Р01ХЛ143450-01.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Дополнительный материал

Дополнительный материал к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2021.681943/full#supplementary-material

.

Дополнительный рисунок 1 | Анализ чувствительности для KCNh3 T436M и KCNh3 T895M I Kr Текущая рецептура.

Дополнительный рисунок 2 | Анализ чувствительности для KCNE3-V17M мутированного комплекса каналов Kv11.1.

Дополнительный рисунок 3 | Анализ чувствительности KCNE3-V17M мутированного комплекса каналов Kv4.3.

Ссылки

Андреасен, Л., Нильсен, Дж. Б., и Олесен, М. С. (2015). Генетические аспекты изолированной фибрилляции предсердий: что мы знаем? Курс. фарм. Дизайн 21, 667–678. дои: 10.2174/1381612820666140825143610

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Бартос, Д.C., Anderson, J.B., Bastiaenen, R., Johnson, J.N., Gollob, M.H., Tester, D.J., et al. (2013). Мутация KCNQ1 вызывает высокую пенетрантность при семейной фибрилляции предсердий. J. Кардиовасц. Электрофизиология 24, 562–569. doi: 10.1111/jce.12068

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Bartos, D.C., Duchatelet, S., Burgess, D.E., Klug, D., Denjoy, I., Peat, R., et al. (2011). Мутация R231C в KCNQ1 вызывает синдром удлиненного интервала QT 1 типа и семейную мерцательную аритмию. Сердечный ритм 8, 48–55. doi: 10.1016/j.hrthm.2010.09.010

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Bosch, R.F., Zeng, X., Grammer, J.B., Popovic, K., Mewis, C., and Kühlkamp, ​​V. (1999). Ионные механизмы электрического ремоделирования при мерцательной аритмии человека. Кардиоваскл. Рез. 44, 121–131. doi: 10.1016/S0008-6363(99)00178-9

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Бот С.Т., Херлопян А.Р., Ортега Ф.А., Кристини, Д. Дж., и Крог-Мадсен, Т. (2012). Оптимизация быстрого генетического алгоритма вычислительной модели мыши: преимущества антропоморфизации кардиомиоцитов новорожденных мышей. Фронт. Физиол. 3:421. doi: 10.3389/fphys.2012.00421

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Brugada, R., Hong, K., Dumaine, R., Cordeiro, J., Gaita, F., Borggrefe, M., et al. (2004). Внезапная смерть, связанная с синдромом укороченного интервала QT, связана с мутациями в HERG. Тираж 109, 30–35. doi: 10.1161/01.CIR.0000109482.92774.3A

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Кэрнс, Д. И., Фентон, Ф. Х., и Черри, Э. М. (2017). Эффективная параметризация моделей потенциала сердечного действия с использованием генетического алгоритма. Хаос 27:093922. дои: 10.1063/1.5000354

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Кано, Дж., Зорио, Э., Маззанти, А., Арнау, М.А, Тренор, Б., Приори, С.Г., и соавт. (2020). Ранолазин в качестве альтернативной терапии флекаиниду для пациентов с синдромом удлиненного интервала QT 3 типа SCN5A V411M. Фронт. Фармакол. 11:580481. doi: 10.3389/fphar.2020.580481

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Chen, Y., Wang, X., Wang, Y., Xu, W., Jin, H., Sun, H., et al. (2003). Мутация KCNQ1 с усилением функции при семейной фибрилляции предсердий. Наука 299, 251–254. doi: 10.1126/science.1077771

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Черри, Э.М., и Фентон, Ф.Х. (2004). Подавление альтернаций и блоков проводимости, несмотря на резкое восстановление APD: электротонические эффекты, эффекты восстановления памяти и скорости проводимости. утра. Дж. Физиол. Цирк Сердца. Физиол. 286, h3332–h3341. doi: 10.1152/ajpheart.00747.2003

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Christophersen, I.E., Olesen, M.S., Liang, B., Andersen, M.N., Larsen, A.P., Nielsen, J.B., et al. (2013). Генетическая вариация в KCNA5: влияние на предсердно-специфический калиевый ток IKur у пациентов с изолированной фибрилляцией предсердий. евро. Харт Дж. 34, 1517–1525. doi: 10.1093/eurheartj/ehs442

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Чу, С., Havmoeller, R., Narayanan, K., Singh, D., Rienstra, M., Benjamin, E.J., et al. (2014). Эпидемиология мерцательной аритмии во всем мире: исследование глобального бремени болезни, 2010 г. Тираж 129, 837–847. doi: 10.1161/РАСПИСАНИЕAHA.113.005119

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Колман, М. А., Асланиди, О. В., Харче, С., Бойетт, М. Р., Гарратт, К., Хэнкокс, Дж. К., и соавт. (2013). Проаритмогенные эффекты электрического ремоделирования, вызванного фибрилляцией предсердий: выводы из трехмерных виртуальных человеческих предсердий. J. Physiol. 591, 4249–4272. doi: 10.1113/jphysiol.2013.254987

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Куртеманш, М., Рамирес, Р. Дж., и Наттель, С. (1998). Ионные механизмы, лежащие в основе свойств потенциала действия предсердий человека: выводы из математической модели. утра. Дж. Физиол. Цирк Сердца. Физиол. 275, 301–321. doi: 10.1152/ajpheart.1998.275.1.h401

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Дас, С., Makino, S., Melman, Y.F., Shea, M.A., Goyal, S.B., Rosenzweig, A., et al. (2009). Мутация в сегменте S3 гена KCNQ1 приводит к семейной одиночной фибрилляции предсердий. Сердечный ритм 6, 1146–1153. doi: 10.1016/j.hrthm.2009.04.015

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Деб К. и Кумар А. (1995). Реально-кодированные генетические алгоритмы с имитацией бинарного кроссовера: исследования мультимодальных и многокритериальных задач. Комплекс Сист. 9, 431–454.

Академия Google

Деб, К., Синдья, К., и Окабе, Т. (2007). «Самоадаптивный смоделированный двоичный кроссовер для оптимизации реальных параметров», в Proceedings of GECCO 2007: Genetic and Evolutionary Computation Conference , London, 1187–1194. дои: 10.1145/1276958.1277190

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Добрев Д., Веттвер Э., Кортнер А., Кнаут М., Шулер С. и Рэйвенс У. (2002). Калиевые каналы внутреннего выпрямления человека при хронической и послеоперационной мерцательной аритмии. Кардиоваскл. Рез. 54, 397–404. doi: 10.1016/S0008-6363(01)00555-7

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Дёссель, О., Крюгер, М.В., Вебер, Ф.М., Вильхельмс, М., и Зееманн, Г. (2012). Компьютерное моделирование анатомии и электрофизиологии предсердий человека. Мед. биол. англ. вычисл. 50, 773–799. doi: 10.1007/s11517-012-0924-6

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Эль Харчи, А., Мелгари, Д., Чжан, Ю.Х., Чжан Х. и Хэнкокс Дж. К. (2012). Зажим потенциала действия и фармакология варианта 1 синдрома короткого интервала QT T618I hERG K+ канала. PLoS One 7:e52451. doi: 10.1371/journal.pone.0052451

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Фегали, Дж., Закка, П., Лондон, Б., Макрэ, К.А., и Рефаат, М.М. (2018). Генетика мерцательной аритмии. Дж. Ам. Сердечный доц. 7, 1–15. doi: 10.1161/JAHA.118.009884

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Феррер, А., Себастьян Р., Санчес-Кинтана Д., Родригес Дж. Ф., Годой Э. Дж., Мартинес Л. и др. (2015). Подробные анатомические и электрофизиологические модели предсердий и туловища человека для моделирования активации предсердий. PLoS One 10:e0141573. doi: 10.1371/journal.pone.0141573

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Fox, C.S., Parise, H., D’Agostino, R.B., Lloyd-Jones, D.M., Vasan, R.S., Wang, T.J., et al. (2004). Родительская фибрилляция предсердий как фактор риска фибрилляции предсердий у потомства. Дж. Ам. Мед. доц. 292, 1174–1175. doi: 10.1001/jama.292.10.1174-b

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Франц М.Р., Карасик П.Л., Ли К., Мубарак Дж. и Чавес М. (1997). Электрическое ремоделирование предсердия человека: аналогичные эффекты у пациентов с хронической мерцательной аритмией и трепетанием предсердий. Дж. Ам. Сб. Кардиол. 30, 1785–1792. doi: 10.1016/S0735-1097(97)00385-9

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Гранди, Э., Pandit, S.V., Voigt, N., Workman, A.J., Dobrev, D., Jalife, J., et al. (2011). Потенциал действия предсердий человека и модель Ca 2+ : синусовый ритм и хроническая фибрилляция предсердий. Обр. Рез. 109, 1055–1066. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.111.253955

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Грюнендал, В., Ортега, Ф.А., Херлопян, А.Р., Зигмунт, А.С., Крог-Мадсен, Т., и Кристини, Д.Дж. (2015). Модели клеточной электрофизиологии сердца. PLoS вычисл.биол. 11:e1004242. doi: 10.1371/journal.pcbi.1004242

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Хассель, Д., Шольц, Э.П., Трано, Н., Фридрих, О., Юст, С., Медер, Б., и соавт. (2008). Дефицит генных каналов, связанных с ether-à-go-go, у рыбок данио ether-à-go-go вызывает синдром короткого интервала QT у мутантов регги у рыбок данио. Тираж 117, 866–875. doi: 10.1161/РАСПИСАНИЕAHA.107.752220

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Хаттори, Т., Makiyama, T., Akao, M., Ehara, E., Ohno, S., Iguchi, M., et al. (2012). Новая мутация KCNJ2 с усилением функции, связанная с синдромом укороченного интервала QT, нарушает внутреннюю ректификацию токов Kir2. 1. Кардиоваскл. Рез. 93, 666–673. дои: 10.1093/cvr/cvr329

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Хаяши К., Конно Т., Тада Х., Тани С., Лю Л., Фуджино Н. и др. (2015). Функциональная характеристика редких вариантов, связанных с предрасположенностью к изолированной фибрилляции предсердий. Тираж 8, 1095–1104. doi: 10.1161/CIRCEP.114.002519

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Heidenreich, E.A., Ferrero, JM, Doblare, M., и Rodríguez, JF (2010). Адаптивные макроконечные элементы для численного решения однодоменных уравнений в электрофизиологии сердца. Энн. Биомед. англ. 38, 2331–2345. doi: 10.1007/s10439-010-9997-2

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Гейхмахтияр А.К., Абраха А.Т., Чон Д.У. и Лим К.М. (2020). Проаритмогенный эффект мутаций L532P и N588K KCNh3 в сердце человека с использованием трехмерной электрофизиологической модели. J. Korean Med. науч. 35, 1–13. doi: 10.3346/JKMS.2020.35.E238

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Хенрион, У., Цумхаген, С., Стейнке, К., Штрутц-Сибом, Н., Столлмейер, Б., Ланг, Ф., и др. (2012). перекрывающийся сердечный фенотип, связанный с семейной мутацией в датчике напряжения канала KCNQ1. Сотовый. Физиол. Биохим. 29, 809–818. дои: 10.1159/000178470

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Хонг К., Бьеррегаард П., Гуссак И. и Бругада Р. (2005a). Синдром короткого интервала QT и мерцательная аритмия, вызванные мутацией в KCNh3. J. Кардиовасц. Электрофизиол. 16, 394–396. doi: 10.1046/j.1540-8167.2005.40621.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Хонг К., Пайпер Д. Р., Диас-Вальдекантос А., Brugada, J., Oliva, A., Burashnikov, E., et al. (2005б). Мутация De novo KCNQ1, ответственная за фибрилляцию предсердий и синдром короткого интервала QT в утробе матери. Кардиоваскл. Рез. 68, 433–440. doi: 10.1016/j.cardiores.2005.06.023

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Хуан Ю., Ян Дж., Се В., Ли К., Цзэн З., Суй Х. и др. (2017). Новая мутация KCND3, связанная с ранним началом изолированной фибрилляции предсердий. Онкотарджет 8, 115503–115512.doi: 10.18632/oncotarget.23303

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Иманиастути, Р., Ли, Х.С., Ким, Н., Юм, Дж.Б., Шим, Э.Б., и Лим, К.М. (2014). Компьютерное прогнозирование проаритмогенного эффекта мутации V241F KCNQ1 в предсердии человека. Прогресс Биофиз. Мол. биол. 116, 70–75. doi: 10.1016/j.pbiomolbio.2014.09.001

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Харче, С., Адениран, И., Stott, J., Law, P., Boyett, M.R., Hancox, J.C., et al. (2012). Проаритмогенные эффекты мутации S140G KCNQ1 при фибрилляции предсердий у человека — результаты моделирования. J. Physiol. 590, 4501–4514. doi: 10.1113/jphysiol.2012.229146

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Kharche, S., Garratt, C.J., Boyett, M.R., Inada, S., Holden, A.V., Hancox, J.C., et al. (2008). Предсердная проаритмия из-за увеличения тока внутреннего выпрямителя (IK1), возникающего из-за мутации KCNJ2 — исследование моделирования. Прогресс Биофиз. Мол. биол. 98, 186–197. doi: 10.1016/j.pbiomolbio.2008.10.010

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ки, К., Юнг, К.Л., Ким, Х., Бэк, К., Парк, С.Дж., Он, Ю.К., и соавт. (2014). Мутация KCNQ1 вызывает возрастную брадикардию и стойкую мерцательную аритмию. евро. Дж. Физиол. 466, 529–540. doi: 10.1007/s00424-013-1337-6

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Корней, Ю., Бёршель, К.С., Бенджамин, Э.Дж., и Шнабель, Р.Б. (2020). Эпидемиология мерцательной аритмии в 21 веке: новые методы и новые идеи. Обр. Рез. 127, 4–20. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.120.316340

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Лёве А., Вильхельмс М., Фишер Ф., Шольц Э. П., Дёссель О. и Зееманн Г. (2014). Аритмическая активность человеческих мутаций генов, связанных с эфиром, L532P и N588K, в компьютерной модели предсердных миоцитов человека. Европас 16, 435–443. doi: 10.1093/europace/eut375

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Лундби, А., Равн, Л.С., Свендсен, Дж.Х., Хаунсё, С., Олесен, С.П., и Шмитт, Н. (2008). Мутация KCNE3 V17M выявлена ​​у пациента с изолированной мерцательной аритмией. Сотовый. Физиол. Биохим. 21, 47–54. дои: 10.1159/000113746

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Лундби А., Равн Л. С., Свендсен Дж.Х., Олесен С.П. и Шмитт Н. (2007). Мутация KCNQ1 Q147R связана с фибрилляцией предсердий и удлинением интервала QT. Сердечный ритм 4, 1532–1541. doi: 10.1016/j.hrthm.2007.07.022

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Манн С.А., Отуэй Р., Го Г., Сока М., Карлсдоттер Л., Триведи Г. и др. (2012). Эпистатические эффекты изменения калиевых каналов на реполяризацию сердца и риск фибрилляции предсердий. Дж. Ам. Сб.Кардиол. 59, 1017–1025. doi: 10.1016/j.jacc.2011.11.039

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Мартинес-Матеу Л., Ромеро Л., Феррер-Альберо А., Себастьян Р., Родригес Матас Дж. Ф., Халифе Дж. и др. (2018). Факторы, влияющие на обнаружение корзиночным катетером реальных и фантомных роторов в предсердиях: компьютерное исследование. Расчет PLoS. биол. 14:e1006017. doi: 10.1371/journal.pcbi.1006017

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Мартинес-Матеу, Л., Ромеро Л., Саиз Дж. и Беренфельд О. (2019). Вклады дальнего поля в предсердные записи с несколькими электродами стирают различие между анатомическими и функциональными повторными входами и могут вызывать мнимые фазовые сингулярности — вычислительное исследование. Вычисл. биол. Мед. 108, 276–287. doi: 10.1016/j.compbiomed.2019.02.022

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

McPate, M.J., Duncan, R.S., Milnes, J.T., Witchel, H.J., and Hancox, J.C. (2005). Мутация K+ канала N588K-HERG при «синдроме короткого интервала QT»: механизм усиления функции определяется при 37°C. Биохим. Биофиз. Рез. коммун. 334, 441–449. doi: 10.1016/j.bbrc.2005.06.112

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Морено, Дж. Д., Ян, П. К., Бэнкстон, Дж. Р., Гранди, Э., Берс, Д. М., Касс, Р. С., и соавт. (2013). Ранолазин при врожденных и приобретенных поздних iNa-связанных аритмиях: фармакологический скрининг in silico. Обр. Рез. 113, е50–е61. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.113.301971

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Нильсен, Дж.B., Bentzen, B.H., Olesen, M.S., David, J.-P., Olesen, S.-P., Haunsø, S., et al. (2014). Мутации с приобретением функции в субъединице калиевых каналов KCNE2, связанные с ранним началом изолированной фибрилляции предсердий. Биомарк. Мед. 8, 557–570. doi: 10.2217/BMM.13.137

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Олесен, М.С., Бенцен, Б.Х., Нильсен, Дж.Б., Штеффенсен, А.Б., Дэвид, Дж., Джаббари, Дж., и соавт. (2012). Мутации в субъединице калиевых каналов KCNE1 связаны с ранним началом семейной фибрилляции предсердий. БМС Мед. Жене. 13:24. дои: 10.1186/1471-2350-13-24

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Олесен, М.С., Рефсгаард, Л., Холст, А.Г., Ларсен, А.П., Грабб, С., Хаунсо, С., и соавт. (2013). Новая мутация KCND3 с усилением функции, связанная с ранним началом персистирующей одиночной фибрилляции предсердий. Кардиоваскл. Рез. 98, 488–495. doi: 10.1093/cvr/cvt028

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Рагаб, А. А.Ю., Ситорус, Г.Д.С., Брундель, Б.Б.Дж.Дж.М., и де Гроот, Н.М.С. (2020). Генетическая загадка семейной фибрилляции предсердий. Фронт. Кардиовас. Мед. 7:14. doi: 10.3389/fcvm.2020.00014

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Руди, Ю. (2009). Сердечная реполяризация: выводы из математического моделирования и электрокардиографической визуализации (ЭКГИ). Сердечный ритм 6(11 Дополнение) S49–S55. doi: 10.1016/j.hrthm.2009.07.021

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Смирнов Д., Пикунов А., Сюняев Р., Девятияров Р., Гусев О., Арас К. и др. (2020). Персонализированные модели потенциала действия сердца человека на основе генетических алгоритмов. PLoS One 15:e0231695. doi: 10.1371/journal.pone.0231695

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Штеффенсен, А.Б., Рефсгаард, Л., Андерсен, М.Н., Валлет, К., Муезинович, А., Хаунсё, С. , и соавт. (2015). I Ks усиление и потеря функции при изолированной фибрилляции предсердий с ранним началом. Дж.Кардиовас. Электрофизиол. 26, 715–723.

Академия Google

Sun, Y., Quan, X. Q., Fromme, S., Cox, R. H., Zhang, P., Zhang, L., et al. (2011). Новая мутация в гене KCNh3, ассоциированная с синдромом укороченного интервала QT. Дж. Мол. Клетка. Кардиол. 50, 433–441. doi: 10.1016/j.yjmcc.2010.11.017

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Сайед З., Вигмонд Э., Наттел С. и Леон Л. Дж. (2005). Подбор параметров потенциала действия клеток предсердий с использованием генетических алгоритмов. Мед. биол. англ. вычисл. 43, 561–571. дои: 10.1007/BF02351029

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ten Tusscher, KHWJ, and Panfilov, A.V. (2006). Альтернаны и разрыв спирали в модели ткани желудочка человека. утра. Дж. Физиол. Цирк Сердца. Физиол. 291, 1088–1100. doi: 10.1152/ajpheart.00109.2006

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ван, К., Оно, С., Дин, В. Г., Фукуяма, М., Miyamoto, A., Itoh, H., et al. (2014). Мутации KCNh3 с приобретением функции у пациентов с синдромом Бругада. J. Кардиовасц. Электрофизиол. 25, 522–530. doi: 10.1111/jce.12361

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Yang, Y., Xia, M., Jin, Q., Bendahhou, S., Shi, J., Chen, Y., et al. (2004). Идентификация мутации KCNE2 с усилением функции у пациентов с семейной мерцательной аритмией. утра. Дж. Хам. Жене. 75, 899–905. дои: 10.1086/425342

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Зульфа И., Шим Э. Б., Сонг К. С. и Лим К. М. (2016). Компьютерное моделирование эффектов мутации G229D KCNQ1 на фибрилляцию предсердий человека. J. Physiol. науч. 66, 407–415. doi: 10.1007/s12576-016-0438-3

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Анализ ассоциации высокополиморфного повтора CAG в гене KCNN3 калиевого канала человека и предрасположенности к мигрени | BMC Medical Genetics

  • Ульрих В., Гервиль М., Кивик К.О., Олесен Дж., Рассел М.Б.: Наследование мигрени с аурой оценивается с помощью моделирования структурных уравнений. J Med Genet. 1999, 36 (3): 225-7.

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Launer LJ, Terwindt GM, Ferrari MD: Распространенность и характеристики мигрени в когорте населения: исследование GEM.Неврология. 1999, 53: 537-542.

    КАС Статья пабмед Google ученый

  • Оуэн М.Дж., МакГаффин П.: Ассоциация и связь: дополнительные стратегии лечения сложных расстройств. J Med Genet. 1993, 30: 638-639.

    КАС Статья пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Риш Н., Мерикангас К. Будущее генетических исследований сложных заболеваний человека.Наука. 1996, 273: 1516-1517.

    КАС Статья пабмед Google ученый

  • Нётен М.М., Проппинг П., Фиммерс Р.: Исследования ассоциации и сцепления в генетике психозов. J Med Genet. 1993, 30: 634-637.

    Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Кульманн Д.М., Ханна М.Г. Неврологические расстройства, вызванные наследственными мутациями ионных каналов.Ланцет Нейрол. 2002, 1 (3): 157-66. 10.1016/S1474-4422(02)00071-6.

    КАС Статья пабмед Google ученый

  • Офофф Р.А., Тервиндт Г.М., Вергоуве М. Н., ван Эйк Р., Офнер П.Дж., Хоффман С.М., Ламердин Дж.Е., Моренвейзер Х.В., Булман Д.Е., Феррари М., Хаан Дж., Линдхаут Д., ван Оммен Г.Дж., Хофкер М.Х., Феррари М.Д. , Frants RR: Семейная гемиплегическая мигрень и эпизодическая атаксия типа 2 вызываются мутациями в гене Ca2+ канала CACNL1A4 .Клетка. 1996, 87: 543-52. 10.1016/S0092-8674(00)81373-2.

    КАС Статья пабмед Google ученый

  • Де Фуско М., Маркони Р., Сильвестри Л., Аторино Л., Рампольди Л., Морганте Л., Баллабио А., Аридон П., Касари Г.: Гаплонедостаточность ATP1A2 , кодирующего субъединицу альфа-2 насоса Na+/K+, связанную с семейным гемиплегическая мигрень 2 типа. Природа генетика. 2003, 33: 192-196. 10.1038/нг1081.

    КАС Статья пабмед Google ученый

  • Fumal A, Schoenen J: [Генетика мигрени: от ионных каналов к однонуклеотидным полиморфизмам?]. Преподобный Мед Льеж. 2004, 59 (6): 367-77.

    КАС пабмед Google ученый

  • Вессман М., Каунисто М.А., Каллела М., Палоти А. Молекулярная генетика мигрени. Энн Мед. 2004, 36 (6): 462-73. 10.1080/078538018060.

    КАС Статья пабмед Google ученый

  • Lea RA, Curtain RP, Hutchins C, Brimage PJ, Griffiths LR: Исследование гена CACNA1A как кандидата на типичную предрасположенность к мигрени.Am J Med Genet. 2001, 105 (8): 707-12. 10.1002/ajmg.1609.

    КАС Статья пабмед Google ученый

  • Jen JC, Kim GW, Dudding KA, Baloh RW: Нет мутаций в CACNA1A и ATP1A2 у пробандов с распространенными типами мигрени. Арх Нейрол. 2004, 61 (6): 926-8. 10.1001/арх.61.6.926.

    Артикул пабмед Google ученый

  • Виттекиндт О., Яух А., Бургерт Э., Шерер Л., Хольтгрев-Грез Х., Иверт Г., Имберт Г., Циммер Дж., Хоэ М., Махер Дж., Кьярони П., Калкер Д., Крок М., Моррис-Розендаль Д.: Ген кальций-регулируемого калиевого канала малой проводимости человека ( hSKCs3 ) содержит два повтора CAG в экзоне 1, находится на хромосоме 1q21.3 и демонстрирует возможную связь с шизофренией.Нейрогенетика. 1998, 1: 259-265. 10.1007/s100480050038.

    КАС Статья пабмед Google ученый

  • Chandy KG, Fantino E, Wittekind O, Kalman K, Tong L, Ho TH, Gutman GA, Crocq MA, Fargus JJ: выделение нового гена калиевого канала hSKCa3 , содержащего полиморфный повтор CAG: ген-кандидат при шизофрении и биполярном расстройстве. Мол Психиатрия. 1998, 3: 32-37. 10.1038/sj.mp.4000353.

    КАС Статья пабмед Google ученый

  • Köhler M, Hirschberg B, Bond CT, Kinzie JM, Marrion NV, Adelman JP: Активируемые кальцием калиевые каналы малой проводимости в мозге млекопитающих.Наука. 1996, 273: 1709-1714.

    Артикул пабмед Google ученый

  • Керьянов С., Гарднер К.Л.: Физическое картирование и характеристика изоформы Na, K-АТФазы человека, ATP1A4 . Ген. 2002, 292 (1–2): 151–66. 10.1016/S0378-1119(02)00647-9.

    КАС Статья пабмед Google ученый

  • Austin CP, Holder DJ, Ma L, Mixson LA, Caskey CT: картирование KCNN3 на хромосому 1q21 и исследование связи полиморфизма повторов CAG с шизофренией.Мол Психиатрия. 1999, 4: 261-266. 10.1038/sj.mp.4000548.

    КАС Статья пабмед Google ученый

  • Жученко О., Бейли Дж., Боннен П., Ашизава Т., Стоктон Д.В., Амос С., Добинс В.Б., Субрамони С.Х., Зогби Х.И., Ли К.С.: Аутосомно-доминантная мозжечковая атаксия ( SCA6 ), связанная с небольшим полиглутаминовым расширением в альфа-1А-вольтаж-зависимый кальциевый канал. Нат Жене. 1997, 15 (1): 62-9. 10.1038/нг0197-62.

    КАС Статья пабмед Google ученый

  • Frontalis M: Спиноцеребеллярная атаксия 6 типа: каналопатия или нарушение глутаминового повтора?. Мозг Рес Бык. 2001, 56 (3–4): 227–31. 10.1016/S0361-9230(01)00574-3.

    КАС Статья пабмед Google ученый

  • Flink MT, Atchison WD: Ca2+ каналы как мишени неврологических заболеваний: синдром Ламберта-Итона и другие Ca2+ каналопатии. J Биоэнергетическая биомембрана. 2003, 35 (6): 697-718. 10.1023/B:JOBB.0000008033.02320.10.

    КАС Статья пабмед Google ученый

  • Villalon CM, Centurion D, Valdivia LF, de Vries P, Saxena PR: Мигрень: патофизиология, фармакология, лечение и будущие тенденции. Курр Васк Фармакол. 2003, 1 (1): 71-84. 10.2174/1570161033386826.

    КАС Статья пабмед Google ученый

  • Peroutka SJ: Мигрень: хроническое заболевание симпатической нервной системы.Головная боль. 2004, 44 (1): 53-64. 10.1111/j.1526-4610.2004.04011.х.

    Артикул пабмед Google ученый

  • Леа Р.А., Дохи А., Джордан К., Куинлан С., Бримейдж П.Дж., Гриффитс Л.Р.: Доказательства аллельной ассоциации гена дофамин-бета-гидроксилазы ( DBH ) с предрасположенностью к типичной мигрени. Нейрогенетика. 2000, 3: 35-40.

    КАС пабмед Google ученый

  • Блин Н., Стаффорд Д.У.: Выделение высокомолекулярной ДНК.Нуклеиновые Кислоты Res. 1976, 3: 2303-

    КАС Статья пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Миллер С.А., Дайкс Д.Д., Пленски Х.Ф.: Простая процедура высаливания для выделения ДНК из ядерных клеток человека. Нуклеиновая Кислота Рез. 1988, 16: 1215-

    КАС Статья пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Шам П., Кертис Д.: Тесты Монте-Карло на наличие связи между болезнью и аллелями в высокополиморфных локусах.Энн Хам Жене. 1995, 59: 97-105.

    КАС Статья пабмед Google ученый

  • Everett CM, Wood NW: тринуклеотидные повторы и нейродегенеративное заболевание. Мозг. 2004, 127 (часть 11): 2385-405. 10.1093/мозг/awh378.

    КАС Статья пабмед Google ученый

  • Опхофф Р.А., ван ден Маагденберг А.М., Роон К.И., Феррари М.Д., Франц Р.Р.: Влияние фармакогенетики на мигрень.Евр Дж Фармакол. 2001, 413 (1): 1–10. 10.1016/С0014-2999(00)00949-3.

    КАС Статья пабмед Google ученый

  • Codignola A, Tarroni P, Clementi F, Pollo A, Lovallo M, Carbone E, Sher E: Подтипы кальциевых каналов, контролирующие высвобождение серотонина из клеточной линии карциномы легких человека. Дж. Биол. Хим. 1993, 268: 26240-26247.

    КАС пабмед Google ученый

  • Ferrari MD: Мигрень.Ланцет. 1998, 351 (9108): 1043-51. 10.1016/S0140-6736(97)11370-8.

    КАС Статья пабмед Google ученый

  • Glatt SJ, Faraone SV, Tsuang MT: длина CAG-повтора в экзоне 1 KCNN3 не влияет на риск шизофрении или биполярного расстройства: метаанализ ассоциативных исследований.Am J Med Genet B Neuropsychiatr Genet. 2003, 121 (1): 14-20. 10.1002/ajmg.b.20048.

    Артикул Google ученый

  • Mossner R, Weichselbaum A, Marziniak M, Freitag CM, Lesch KP, Sommer C, Meyer J: Высокополиморфный полиглутаминовый участок в калиевом канале KCNN3 при мигрени. Головная боль. 2005, 45 (2): 132-6. 10.1111/j.1526-4610.2005.05027.х.

    Артикул пабмед Google ученый

  • Калиевая каналопатия – обзор

    Электроретинограмма

    ЭРГ используется для того, чтобы отличить дисфункцию колбочек и палочек и фоторецепторов от внутренней дисфункции сетчатки. ЭРГ измеряется в микровольтах, а ее размер и форма зависят от относительной пропорции и степени возбуждения палочек и колбочек и размера стимулируемой области сетчатки. 3 Палочки и колбочки могут преимущественно стимулироваться вспышками разного цвета, силы и продолжительности, предъявляемыми при различных состояниях темновой и световой адаптации. Постепенная эволюция формы волны ЭРГ с увеличением силы вспышки показана на рис. 8.2А скопически и на рис. 8.2В фотопически.

    На очень тусклый свет была описана небольшая скотопическая пороговая реакция (STR), но клинически этого трудно достичь, и он используется редко. По мере увеличения силы вспышки появляется поздняя (60 мс) округлая положительная волна b. Это палочковидная b-волна, отражающая внутреннюю активность сетчатки, связанную в основном с деполяризующими он-биполярными клетками. Изменение амплитуды волны b в зависимости от силы вспышки можно описать функцией Нака-Руштона, полученной из уравнения Михаэлиса-Ментона, но полученные параметры будут варьироваться в зависимости от метода подгонки кривой. В клинических условиях их следует интерпретировать с осторожностью. 4

    V/Vmax⁡=Int/Int+K

    где V = амплитуда от минимума до пика b-волны, V max = максимальное значение амплитуды от минимума до пика , Int = мощность вспышки в троландах в секунду, K = значение полунасыщения, т.е. когда Int = K , V равно V max /2.

    По мере дальнейшего увеличения силы вспышки ранней отрицательной волне а предшествует волна b.А-волна становится больше и быстрее с увеличением силы вспышки, отражающей гиперполяризацию фоторецепторов. Для самых ярких вспышек передний край скотопической а-волны моделирует стержневую фототрансдукцию. 5

    В клинической практике чаще всего используются измерения зубцов a и b, но могут быть полезны и другие зубцы ЭРГ. К ним относятся:

    1

    Колебательные потенциалы – серия вейвлетов между а- и b-волнами, подверженными нарушениям кровообращения сетчатки. 6

    2

    Фотопический негативный ответ – отражает проксимальную активность сетчатки, уязвимую при глаукоме и калиевых каналопатиях. 7

    3

    Волна с – относится к ЭОГ из-за истощения ионов калия в пространстве между РПЭ.

    4

    Зубец d – реакция вне пути. Палочки используют проводящий путь через внутреннюю сетчатку; конусы используют как на дорожках, так и вне их.D-волна связана с уменьшением освещенности в фотопических условиях и лучше всего видна в ответ на длительные вспышки (в течение > 90 мс). Это важный дополнительный стимул для исследования «отрицательных» ЭРГ без зубца b, т.е. подтип CSNB (см. главу 44). 8 Обычно зубцы b и d на ЭРГ накладываются на кратковременные (< 10 мс) вспышки.

    Импульсные амплитуды ЭРГ пропорциональны площади функциональной сетчатки. Когда вспышка Ганцфельда равномерно рассеивает свет по всей сетчатке, суммированная ЭРГ может маскировать небольшое локализованное поражение, например. грамм. макулопатия. Фокусные вспышки, паттернированные и мультифокальные стимулы позволяют избежать внутриглазного рассеяния и тестируют локализованные области сетчатки. Они требуют постоянной фиксации.

    PERG вызываются проверками реверсирования шаблонов. Форма волны является двухфазной с положительным сигналом на 50 мс и отрицательным сигналом на 95 мс, обозначаемым p50 и n95 соответственно. Р50 представляет дистальную активность сетчатки, в то время как n95 характеризует более проксимальную сетчатку и функцию ганглиозных клеток. 9 PERG исследуют подозрение на раннюю макулопатию, но могут исследовать дисфункцию зрительного нерва (ганглиозных клеток сетчатки) и отличать дисфункцию зрительного нерва от кортикальной дисфункции.Мы регистрируем PERG одновременно с PVEP, используя большое (30°) поле и маленькое (15°) поле. Стимулируемые небольшие области сетчатки приводят к небольшим амплитудам сигнала (около 0,5–8 мкВ) с роговичными электродами, которые обеспечивают хорошую фокусировку, и требуют прерывистого усреднения сигнала, чтобы избежать моргания и артефактов движения глаз (рис. 8.3).

    Мультифокальная стимуляция позволяет регистрировать фокальные ответы ЭРГ одновременно из многих областей сетчатки. 10 Массив шестиугольников масштабируется по размеру с эксцентриситетом сетчатки для получения ответов одинакового размера.Каждый шестиугольник мигает в М-последовательности. Это псевдослучайный алгоритм, который гарантирует, что ни одна последовательность стимулов не будет повторяться во время исследования. В любой момент в среднем половина шестиугольников черная, а другая половина белая. Скорость стимуляции высока, вызывая мерцание экрана, но с относительно стабильной средней яркостью. Каждый элемент начинает последовательность с места, отличного от любого другого элемента. Если разница в начальной точке в последовательности (запаздывание) больше, чем продолжительность ответа, каждый элемент генерирует ответ, не коррелирующий с любым другим элементом.Реакции, на которые не влияет стимуляция других областей, называются компонентами первого порядка; Компоненты второго порядка представляют собой временные взаимодействия между вспышками и короткими задержками относительно продолжительности ответа. Важно интерпретировать массивы трасс, а не полагаться на соответствующие карты контуров изопотенциалов, которые могут ввести в заблуждение. Волны mfERG представляют собой математические конструкции, а не крошечные ERG, и не отражают напрямую источники a- и b-волн. mfERG, как и PERG, очень чувствительны к нестабильности фиксации.Применение у детей в значительной степени не проверено.

    Активирующие мутации в гене, кодирующем АТФ-чувствительную субъединицу калиевого канала Kir6.2, и постоянный диабет новорожденных

    Анализ мутаций

    Рисунок 2. Рисунок 2. Статус диабета и мутации в гене, кодирующем Kir6.2, в 10 семьях.

    Эти неполные родословные показывают семьи с мутациями Q52R, V59G, V59M, R201C, R201H и I296L. Во всех родословных, для которых была доступна родительская ДНК, семейные отношения были подтверждены панелью из 10 микросателлитов.В родословных ISPAD 19, 22, 27, 41, 43, 44, 54 и 55 спонтанные мутации объясняют отсутствие постоянного неонатального диабета у родителей и его наличие у ребенка. Квадраты представляют членов семьи мужского пола, кружки — членов семьи женского пола, пол ромба не определен; синие круги и квадраты представляют лиц с неонатальным диабетом; косая черта указывает на умершего. Цифры внутри ромбов указывают количество незатронутых братьев и сестер. Под каждым символом показан двухбуквенный код статуса аллеля: N означает отсутствие мутации, M мутация и NA недоступна для тестирования.P и стрелка обозначают пробанда в каждой семье (первый затронутый член, набранный для этого исследования). Аминокислоты обозначаются их однобуквенными кодами.

    Мы выявили шесть новых гетерозиготных мутаций в гене, кодирующем Kir6.2, у 10 из 29 пробандов с перманентным неонатальным диабетом. Мутации представляли собой замену глутамина на аргинин в положении 52 (Q52R), замену валина на глицин в положении 59 (V59G), замену валина на метионин в положении 59 (V59M), замену аргинина на замена гистидина в положении 201 (R201H), замена аргинина на цистеин в положении 201 (R201C) и замена изолейцина на лейцин в положении 296 (I296L). Мутации не были обнаружены ни у одного из пробандов с MODY. Миссенс-мутация R201H была выявлена ​​у 4 из этих 10 пробандов, а миссенс-мутация V59M — у 2. Во всех семьях неонатальный диабет наблюдался только у лиц, имевших мутацию Kir6.2, и у всех членов семьи, не имевших эти мутации не были диабетическими (рис. 2).

    В двух семьях (ISPAD 19 и BR 1) диабет новорожденных был передан от больного родителя его или ее потомству. Поскольку возможна как материнская, так и отцовская передача, импринтинг этого локуса маловероятен.В девяти случаях ДНК была доступна от обоих здоровых родителей, и отцовство было установлено; было показано, что мутации возникли спонтанно. Ни одна из мутаций не присутствовала у 100 недиабетических субъектов из Соединенного Королевства.

    Рисунок 3. Рисунок 3. Иллюстрация двух субъединиц Kir6.2, показывающая мутации, выявленные у пациентов с перманентным неонатальным диабетом.

    Иллюстрация основана на кристаллической структуре калиевого канала KirBac1.1. 21 Альфа-спираль слайда показана зеленым цветом, селективный фильтр — оранжевым, а С-концевые бета-листы — синим. Остатки, затронутые мутациями у пациентов с неонатальным диабетом (Q52, V59, R201 и I296), показаны желтым цветом. Аминокислоты обозначаются их однобуквенными кодами. Заштрихованная полоса представляет собой клеточную мембрану, а синим кружком отмечен ион калия. Ярлыки «Внешний» и «Внутренний» относятся к областям снаружи и внутри ячейки.

    На рис. 3 показано расположение мутировавших остатков в Kir6.2. Все мутировавшие остатки сохраняются у людей, крыс, мышей и лягушек-быков. Остаток аргинина в положении 201 консервативен среди 10 членов семейства каналов Kir, что подтверждает возможность того, что этот остаток играет критическую роль в функции канала.Кроме того, мы идентифицировали несколько ранее известных полиморфизмов (замещение глутаминовой кислоты на лизин в положении 23 [E23K], молчащая замена аланина на аланин в положении 190 [A190A], молчащая замена лейцина на лейцин в положении 267 [L267L], замена лейцина на валин в положении 270 [L270V], замена изолейцина на валин в положении 337 (I337V), молчащая замена лизина на лизин в положении 381 [K381K] и замена серина на цистеин в положении 385 [S385C]).

    Клинические характеристики

    Таблица 1. Таблица 1. Клинические характеристики пациентов с мутацией Kir6.2.

    Клинические характеристики пациентов с мутациями представлены в таблице 1. Было две подгруппы пациентов: те, у кого был только диабет, и те, у кого был диабет и общие неврологические нарушения. Диабет и низкая масса тела при рождении отражают нарушение внутриутробной и постнатальной секреции инсулина и были одинаковыми в двух подгруппах пациенток.

    Диабет

    Диабет был диагностирован в среднем в возрасте 7 недель (диапазон от рождения до 26 недель).При постановке диагноза у всех пациентов была выраженная гипергликемия (концентрация глюкозы от 270 до 972 мг/дл [от 15 до 54 ммоль/л]), а у трех — кетоацидоз. Ни у одного из пациентов не было повышенных концентраций аутоантител, связанных с сахарным диабетом 1 типа, а концентрация С-пептида обычно не превышала 200 пмоль/л. Средняя доза инсулина составляла 0,8 ЕД/кг (диапазон от 0,3 до 1,3). Только один больной (отец пробанда в семье БР 1) не получал инсулинотерапию. Он получал толбутамид с детства, и в 46 лет у него был хороший контроль над заболеванием с помощью этого препарата (концентрация глюкозы натощак 110 мг/дл [6.1 ммоль на литр]; концентрация С-пептида, 400 пмоль на литр).

    Низкая масса тела при рождении

    Низкая масса тела при рождении характерна для всех пациентов; у 7 из 12 (58 процентов) вес при рождении был на уровне 3-го процентиля или ниже. Пациенты, у которых не было неврологических симптомов (таблица 1), демонстрировали заметный догоняющий рост после рождения, а их вес и рост были нормально распределены при последующем наблюдении в среднем через 9,3 года.

    Неврологические особенности

    У трех пациентов (пробанды в семьях ISPAD 25, ISPAD 27 и ISPAD 43) были очень похожие неврологические нарушения, которые предполагали внепанкреатические фенотипы, связанные с их Kir6. 2 мутация (табл. 1). Все трое имели выраженную задержку развития, мышечную слабость, эпилепсию и дисморфические признаки, а также неонатальный диабет. Другой пациент (пробанд в семье ISPAD 55) имел промежуточный фенотип, включающий тяжелую задержку развития и мышечную слабость в дополнение к неонатальному диабету, но без других неврологических особенностей. Для их неврологических проблем не было обнаружено никакой другой причины, кроме мутации Kir6.2. Все дети имели нормальный кариотип. Остальные пациенты имели нормальное развитие, что указывает на то, что не все мутации в Kir6.2 связаны с неврологическими нарушениями.

    Задержка развития

    Все четыре пациента с общими неврологическими особенностями имели выраженную задержку развития, связанную с неспособностью достичь двигательных, интеллектуальных и социальных показателей, соответствующих их возрасту. Задержка моторики была наиболее заметной из этих особенностей; самый старший ребенок не мог ходить без посторонней помощи в возрасте 17 лет, и у всех четырех детей двигательное развитие соответствовало развитию детей вдвое их хронологического возраста или младше. Во всех четырех случаях при неврологическом обследовании отмечалась мышечная слабость. Концентрация креатинкиназы у всех была нормальной. Образцы мышечной биопсии, полученные у двух пациентов, были нормальными, а электромиография, проведенная у двух пациентов, подтвердила нормальную нервную проводимость. У одного пациента потенциалы действия уменьшенной продолжительности и амплитуды свидетельствовали о миопатии.

    Социальное и языковое развитие у этих четырех пациентов также было заметно задержано. Ни у одного из них не было микроцефалии, а магнитно-резонансная томография (МРТ) и компьютерная томография не выявили уменьшения размеров коры или мозжечка.Никаких структурных аномалий не наблюдалось, за исключением небольших, неспецифических, генерализованных пятен по всему белому веществу у одной пациентки (пробанд в семье ISPAD 43) на МРТ, полученной, когда ей было 14 лет.

    Эпилепсия

    Генерализованные припадки комплексные или миоклонические наблюдались у трех пациентов (пробанды в семьях ISPAD 25, ISPAD 27 и ISPAD 43), начиная с первого года жизни. Приступы купировались противоэпилептическими препаратами (вигабатрин у двух пациентов и вальпроат натрия у одного).Приступы предшествовали клинически распознаваемым эпизодам гипогликемии. Все электроэнцефалограммы показали генерализованную аномальную активность с двусторонними острыми волнами. У одного пациента была выраженная гипсаритмия, купированная вигабатрином.

    Дисморфические признаки

    Все три пациента с эпилепсией имели легкие дисморфические признаки (см. Дополнительное Приложение 1, доступное с полным текстом этой статьи на www.nejm.org). Их внешний вид характеризовался выраженным метопическим швом, опущенным ртом и двусторонним птозом.У всех трех пациентов были контрактуры конечностей, которые были диагностированы при рождении у двух и в четырехлетнем возрасте у одного.

    Физиологические исследования

    Рисунок 4. Рисунок 4. Реакция секреции инсулина на внутривенное введение глюкозы и толбутамида.

    Результаты представлены как пиковое повышение уровня инсулина по сравнению с исходным уровнем в ответ на внутривенное введение 0,3 г глюкозы на килограмм и 3 мг внутривенного введения толбутамида на килограмм для трех членов семей ISPAD 19 и 41.

    Как во время голодания, так и после стимуляции глюкагоном концентрация С-пептида в сыворотке обычно составляла менее 200 пмоль на литр, несмотря на выраженную гипергликемию, что согласуется с выраженной дисфункцией бета-клеток (таблица 1).Уровень С-пептида в сыворотке превышал нижний предел нормального диапазона только у трех пациентов (двое детей, получавших инсулин, и взрослый, чей диабет хорошо контролировался толбутамидом) (таблица 1). У трех пациентов с мутациями, затрагивающими остаток 201, была минимальная секреция инсулина в ответ на внутривенное введение глюкозы, но секретировался инсулин в ответ на толбутамид (рис. 4).

    Функциональный анализ мутации R201H

    Рисунок 5. Рисунок 5. Влияние ингибирования метаболизма, сульфонилмочевины и внутриклеточного АТФ на токи в каналах дикого типа и мутантных АТФ-чувствительных калиевых (K ATP ) каналах.

    Токи целых клеток регистрировали с помощью двухэлектродного зажима напряжения от интактных ооцитов, экспрессирующих Kir6.2-SUR1 (панель A) или Kir6.2-R201H-SUR1 (панель B), в ответ на скачки напряжения ±20 мВ от удерживающий потенциал –10 мВ. Внешний раствор состоял из 90 мМ хлорида калия, 1 мМ хлорида магния, 1,8 мМ хлорида кальция и 5 мМ HEPES (pH 7,4 с гидроксидом калия), плюс 3 мМ азида и 500 мкМ толбутамида, как указано. На панели C показан средний ток всей клетки, вызванный скачком напряжения от –10 до –30 мВ в контрольном растворе, затем после достижения стационарного состояния с 3 мМ азида, а затем в постоянном присутствии азида плюс 500 мкМ толбутамида.В ооциты вводили информационную РНК, кодирующую SUR1 плюс либо Kir6.2 (шесть ооцитов), Kir6.2-R201H (семь), либо смесь 1:1 Kir6.2 и Kir6.2-R201H (семь). Полосы T представляют собой стандартные ошибки. На панели D показан ток K ATP , зарегистрированный в ответ на линейное изменение напряжения от –110 до +100 мВ в вывернутом наизнанку участке, вырезанном из ооцита X. laevis , коэкспрессирующего SUR1 и либо дикого типа, либо мутантного Kir6.2, как указано. Штриховая линия показывает нулевой текущий уровень. Раствор пипетки состоял из 140 мМ хлорида калия, 1.2 мМ хлорида магния, 2,6 мМ хлорида кальция и 10 мМ HEPES (pH 7,4 с гидроксидом калия). Внутренний раствор состоял из 107 мМ хлорида калия, 1 мМ сульфата калия, 1 мМ хлорида кальция, 10 мМ EGTA (эгтазовая кислота), 10 мМ HEPES (рН 7,2 с гидроксидом калия) и 100 мМ АТФ, как указано. На панели E показана связь между концентрацией АТФ и током K ATP , выраженная относительно тока в отсутствие нуклеотида, для Kir6.2–SUR1 в шести ооцитах (открытые кружки), Kir6.2-R201H-SUR1 в шести ооцитах (закрашенные кружки) и смесь 1:1 Kir6.2-R201H и Kir6.2, коэкспрессированных с SUR1, в шести ооцитах (ромбы). Линии лучше всего соответствуют уравнению Хилла средним данным: для Kir6.2–SUR1 концентрация, при которой ингибирование полумаксимально (IC 50 ), составляет 6,6 мкМ, а коэффициент Хилла (h) равен 1,1; для Kir6.2-R201H–SUR1, IC 50 равно 245 мкМ, а h равно 2. Для смеси 1:1 линия лучше всего соответствует следующему уравнению: a(1 ÷ [1 + ([ATP] ÷ 245 мкМ) 2 ]) + (1 – a)(1 ÷ [1 +( [АТФ] ÷ IC 50 ) ч ]), где [АТФ] – концентрация АТФ, IC 50 это 7.6 мкМ, h равно 1,6, а (доля гомомерных каналов R201H) равно 0,04.

    Когда Kir6.2 дикого типа коэкспрессировался с SUR1 в ооцитах X. laevis , токи K ATP почти не обнаруживались из-за ингибирования высокими внутриклеточными концентрациями АТФ, но они могли быть активированы азидом, который снижает цитозольный АТФ концентрации (рис. 5А). Напротив, значительные токи покоя были зарегистрированы для ооцитов, экспрессирующих Kir6.2-R201H-SUR1 (P<0,01 для сравнения с Kir6 дикого типа. 2). Эти токи дополнительно активировались азидом (P<0,05 для сравнения с Kir6.2 дикого типа) и блокировались толбутамидом, что указывает на то, что они проходят через каналы K ATP (рис. 5B и рис. 5C). Эти данные свидетельствуют о том, что метаболизм вызывает меньшую блокаду каналов Kir6.2-R201H-SUR1, чем каналов K ATP дикого типа.

    Чтобы изучить механизмы, лежащие в основе этих открытий, мы исследовали чувствительность к нуклеотидам каналов дикого типа и мутантных каналов в участках наизнанку (рис. 5D).Каналы Kir6.2-R201H-SUR1 были значительно менее чувствительны, чем каналы дикого типа, к внутриклеточному АТФ; мутантные каналы были наполовину максимально заблокированы при концентрации АТФ 262 ± 33 мкМ по сравнению с концентрацией АТФ 7 ± 1 мкМ для каналов Kir6.2-SUR1 (P <0,001) (рис. 5E). Однако мутантные каналы активировались Mg-ADP в аналогичной степени. Одноканальная проводимость и доля времени, в течение которого канал находится в открытом состоянии («вероятность открытия»), были в норме.

    Для имитации эффекта гетерозиготности в ооциты вводили SUR1 и смесь Kir6 1:1.2 и мРНК Kir6.2-R201H. Ток покоя ооцитов, инъецированных смесью 1:1, был немного, но незначительно выше (0,27 ± 0,07 нА), чем у ооцитов с каналом дикого типа (0,13 ± 0,05 нА) (P = 0,12) (рис. 5C). ). Токи K ATP мутантных каналов дополнительно активировались азидом и блокировались толбутамидом в той же степени, что и в канале дикого типа. Чувствительность к АТФ также была близка к таковой у канала дикого типа со значением IC 50 , равным 7.6 ± 0,4 мкМ (рис. 5E). Однако токи K ATP мутантных каналов были значительно больше, чем токи каналов дикого типа при концентрациях АТФ 1 мкМ (P = 0,002) и 3 мкМ (P = 0,008) из-за разницы в коэффициенте Хилла.

    Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


    Настройка браузера на прием файлов cookie

    Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее распространенные причины:

    • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
    • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
    • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
    • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
    • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

    Почему этому сайту требуются файлы cookie?

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


    Что сохраняется в файле cookie?

    Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

    Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.

    2015-2019 © Игровая комната «Волшебный лес», Челябинск
    тел.:+7 351 724-05-51, +7 351 777-22-55 игровая комната челябинск, праздник детям челябинск