Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

Таблица 5.1

ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ I

Теория "К лю ч в замке”

Теория "Индуцированной приспособляемости фермента к субстрату"

" V "

[ E - S t ]

трипсин

118

Для каждой ферментативной реакции существует оптимальное значение pH среды, причем отклонение pH в любую сторону от этого значения приводит к резкому снижению активности. За­ висимость ферментативной реакции от pH определяется кислотно­ основными свойствами белковой молекулы, а также изменени­ ем ее конформации вследствие изменений в ионизации отдель­ ных групп вблизи активного центра.

Влияние активаторов и ингибиторов. В организме для ре­ гуляции ферментативных процессов используются активаторы и ингибиторы. Активаторами ферментов часто бывают катионы металлов: Mg2+, Mn2+, Zn2+, Со2+, К+, а иногда - анион С1“ , ко­ торые, реагируя с ионизированными группами фермента, облег­ чают образование фермент-субстратного комплекса.

Важную роль в действии фермента играет аллостерическая регуляция его активности. В основе ее лежит взаимодействие фермента с молекулой определенного вещества, в результате из­ меняется структура фермента, что приводит к увеличению либо снижению каталитической активности фермента.

Ингибиторы тормозят действие ферментов, при этом следует различать обратимое и необратимое ингибирование фермента.

Обратимое ингибирование ферментов наблюдается при взаимо­ действии с катионами металлов-токсикантов: Hg2+, Pb2+, Cd2+, As3+ (разд. 10.5) или с ингибиторами белковой природы, которые за счет белок-белковых взаимодействий закрывают или инактиви­ руют активный центр ферментов. При обратимом ингибировании ингибитор находится в равновесии с ферментом и его действие можно устранить с помощью антидотов или избытка субстрата.

При необратимом торможении ингибитор, обладающий струк­ турным сходством с субстратом, блокирует активный центр фер­ мента, надолго выводя его из строя. К таким веществам отно­ сятся многие инсектициды и отравляющие вещества.

В организме вместо инактивированных молекул фермента син­ тезируются новые молекулы. За счет этого организм реализует еще одну возможность регулирования хода ферментативных процессов.

Особенности кинетики ферментативных реакций. Для каждой ферментативной реакции промежуточной стадией явля­ ется присоединение к активному центру фермента (Е) молекулы субстрата (St) с возникновением фермент-субстратного комплек­ са ([ESt]), который в дальнейшем распадается на продукты ре­ акции (Р) и молекулу фермента:

В этой цепи последовательно протекающих обратимых про­ цессов лимитирующей (наиболее медленной) стадией является процесс распада фермент-субстратного комплекса на продукты

119

реакции и фермент, а первая стадия обычно протекает сравните,

но быстро, т. е. k\ > &2 .

Образование фермент-субстратного комплекса приводит к ] рераспределению электронов в молекуле субстрата. Это в св< очередь уменьшает прочность разрываемых связей и, соответ венно, приводит к значительному уменьшению энергии акти! ции. Так, при некаталитическом разложении пероксида водорс Н20 2 величина Еа = 75 кДж/моль, а в присутствии катала энергия активации снижается до 7 кДж/моль, что приводит увеличению константы скорости реакции в 4 * Ю 10 раз.

При данной концентрации фермента скорость реакции за! сит от концентрации субстрата. Графически зависимость ско] сти реакции от концентрации субстрата представляет гипербо (табл. 5.1). Причем при низких концентрациях субстрата ре* ция имеет по субстрату первый порядок (ittst = 1 ), а при вьк ких - нулевой (/1st = 0). При этом скорость реакции становит максимальной (vmax). Достижение реакцией предельной скорое объясняется наличием в среде определенной концентрации ф< мента и тем, что все его активные центры оказываются занят ми. Эти обстоятельства приводят к тому, что последующий рс концентрации субстрата уже не вызывает изменения концент] ции фермент-субстратного комплекса в системе. Поэтому маю мальная скорость ферментативной реакции зависит от конце трации фермента в системе. Следует обратить внимание на г что форма кинетической кривой ферментативной реакции под< на изотерме адсорбции (разд. 26.4.1).

Впервые кинетическое описание ферментативных процесс сделали Л. Михаэлис и его сотрудница М. Ментен, которые пр ложили уравнение:

Км - константа Михаэлиса, учитывающая величины конста

скоростей отдельных реакций ( &ъ к.\, &2), численно равна так

концентрации субстрата, при которой скорость ферментативн реакции равна половине максимальной (vmax/2) (табл. 5.1). 1 личина i£M для данной ферментативной реакции зависит от т па субстрата, pH реакционной среды, температуры и конце трации фермента в системе. В первом приближении реакц протекает тем быстрее, чем меньше К^.

Таким образом, механизм ферментативных реакций вклю1 ет, по крайней мере, две стадии, а их скорость при данной те пературе и кислотности среды зависит от концентрации и с^ страта, и фермента, причем при заданной концентрации ферме! скорость реакции достигает соответствующего предельного з] чения. Кроме того, на скорость ферментативных реакций влш присутствие активаторов и ингибиторов данного фермента.

120

5.7. АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

При биохимических процессах в клетке одновременно проте­ кает множество химических реакций, причем находящиеся в сис­ теме вещества являются реагентами или продуктами не одной, а нескольких реакций. В этих случаях говорят о сопряженных ре­ акциях, первое знакомство с которыми уже состоялось в разд. 4.5.

Сопряженными называют реакции, каждая из которых «происходит только при условии протекания другой реакции, причем обе реакции имеют общий промежуточный продукт.

В сопряженных реакциях такой продукт может играть роль катализатора или ингибитора для химических превращений, протекающих в клетке. При этом может наблюдаться явление

автокатализа или автоингибирования.

Автокатализ - это самоускорение реакции, обусловленное «накоплением конечного или промежуточного продукта, об­ ладающего каталитическим действием на данную реакцию.

Например, скорость реакции X + Y -> 2Y по мере накопления продукта Y будет возрастать, но после значительного расходования исходного вещества X скорость реакции начнет уменьшаться. Последнее явление называется автоингибированием, т. е. самозатормаживанием реакции. Таким образом, явления автоката­ лиза и автоингибирования в подобных системах тесно связаны.

При наличии в системе сопряженных реакций автокатализа и автоингибирования в ней может наблюдаться принципиально новое кинетическое явление - автоколебательный режим тече­ ния сложной химической реакции. Впервые это явление на­ блюдали Б. П. Белоусов и А. М. Жаботинский в 1959 году.

Рассмотрим биохимический процесс превращения вещества А

впродукт Р, который включает систему сопряженных реакций и

вкотором наблюдаются автокатализ и автоингибирование.

Особый интерес представляет реакция II стадии, для кото­ рой, как уже было показано, характерны явления автокатализа и автоингибирования. Поэтому концентрация вещества Y внача­ ле будет возрастать (автокатализ), но до определенного предела (точка К на рис. 5.8, а) из-за уменьшения в системе концентра­ ции вещества X вследствие автоингибирования, после чего c(Y) падает, а с(Х) возрастает, также до определенного предела (точ­ ка М ), когда опять начнет увеличиваться c(Y) (автокатализ) и падать с(Х). В результате концентрации промежуточных соеди­ нений X и Y в системе будут изменяться циклически.

Циклические изменения концентраций промежуточных соеди­ нений, и в первую очередь вещества Y, будут влиять на скорость об­ разования конечного продукта Р, концентрация которого в системе также будет изменяться периодически во времени: то нарастать,

121

ВЕЩ ЕСТВО + РАСТВОРИТЕЛЬ — РАСТВОР

При возрастании концентрации раствора

РАСТВОРЫ И ИХ КОЛЛИГАТИВНЫЕ СВОЙСТВА

После изучения этой главы вы должны:

-усвоить основные понятия: раствор, растворитель, раство­ ренное вещество;

-знать особенности структуры воды в жидком и твердом со­ стояниях;

-особенности структуры гидратных оболочек различных ве­ ществ и понятия о положительной и отрицательной гидратации;

-термодинамику процессов растворения;

-способы выражения концентрации растворов;

-осмос, закономерности этого явления и его роль в жизнедея­ тельности организмов;

-законы Рауля о давлении паров растворителя над раствором

иизменении температур кипения и замерзания растворов.

Растворы представляют для биологии, физиологии и меди­ цины особый интерес, так как все важнейшие биологические системы (цитоплазма, кровь, лимфа, слюна, моча, пот и др.) являются водными растворами солей, белков, углеводов, липи­ дов. Усвоение пищи, транспорт метаболитов, большинство био­ химических реакций в живых организмах протекают в раство­ рах. Понятие "растворы" включает истинные растворы и колло­ идные растворы. Различие между ними заключается прежде всего в размерах частиц и однородности систем. Истинные рас­ творы - это однородные гомогенные системы с размером частиц на уровне Ю“ 10 - 10“ 9 м. Коллоидные растворы - это неоднород­ ные гетерогенные системы с размером частиц 10” 9 - 10_6 м. Рас­ смотрим сначала истинные растворы.

124

Истинным раствором называется термодинамически устойчивая гомогенная система переменного состава, состоящая из двух и более компонентов, между кото­ рыми существуют достаточно сильные взаимодейст­ вия.

Компонент, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора, принято называть растворителем, а другой компонент - растворенным веществом. При одинако­ вом агрегатном состоянии компонентов растворителем считают обычно то вещество, которое преобладает в растворе. С позиции живых систем наибольший интерес представляют растворы, в которых растворителем является вода.

6.1.ВОДА КАК РАСТВОРИТЕЛЬ И ЕЕ РОЛЬ

ВЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМА

Организм человека на 60 % состоит из воды, из них 42 % приходится на внутриклеточную жидкость, а остальная часть - на внеклеточную (межклеточную) жидкость, которую подразде­ ляют на внутрисосудистую и интерстициальную (межткане­ вую) жидкость.

Вода - это не только среда, но также активный участник процессов жизнедеятельности. Если организм человека теряет 2 0 % воды, то в клетках происходят необратимые изменения и человек погибает. Потребность в воде взрослого человека со­ ставляет 35 г в день на 1 кг массы тела, а грудного ребенка - в 3—4 раза больше.

Большая роль воды в живой природе связана с рядом уни­ кальных ее свойств, благодаря которым вода является средой, растворителем и метаболитом для живых организмов. Вследст­ вие высокой теплоемкости (75,3 ДжДмоль •К)) и большой теп­ лоты испарения (40,8 кДж/моль) вода обеспечивает термостатирование нашего организма. Высокая диэлектрическая про­ ницаемость воды (с = 78,5) способствует растворению солей, кислот, оснований и их диссоциации на ионы, так как сила электростатического взаимодействия между ионами обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости среды. Ион­ ное состояние веществ в водной среде обуславливает высокие скорости протекания биохимических реакций, быструю мигра­ цию ионов через биологические мембраны и практически мгно­ венную передачу нервных импульсов.

Высокий дипольный момент молекулы воды (1,82 Д) и спо­ собность образовывать четыре водородные связи: две - как донор протонов и две - как акцептор протонов, не только увеличивают растворяющую способность воды по отношению к полярным веществам, но и благоприятствуют формированию определенных структур водных ассоциатов в самой воде, а также у молекул биополимеров в водных растворах. Перечисленные особенности

125

воды и ее низкая вязкость (0,001 Па •с при 293 К) способствуют выполнению ею транспортных функций, а также возникновению жидкокристаллического состояния у водных растворов некото­ рых биосубстратов.

Геометрически молекула воды представляет собой угловую систему, в центре которой находится атом кислорода с «^-гибри­ дизацией валентных атомных орбиталей (разд. 2.1.3). При этом в двух вершинах тетраэдра находятся атомы водорода, а к двум другим направлены атомные орбитали атома кислорода с неподеленными элек-

Нтронными парами. За счет двух атомов водорода, несущих частично положи­ тельный заряд, и двух неподелейных электронных пар атома кислорода каж­ дая молекула воды может образовывать

четыре водородные связи с соседними молекулами воды. Именно такая меж­ молекулярная система реализуется в

замерзшей воде, т. е. у льда (рис. 6 .1 , а).

Лед имеет тетраэдрическую кристаллическую решетку, где атом кислорода одной молекулы воды расположен в центре тет­ раэдра, а в четырех его вершинах находятся атомы кислорода со­ седних молекул, которые соединены водородными связями с цен­ тральной молекулой и молекулами ближайших тетраэдров. По­ добная структура энергетически выгодна при условиях близких к нормальным, и поэтому она устойчива при этих условиях. Аж ур­ ность и наличие внутренних пустот определяют рыхлость и мень­ шую плотность льда (0,92 г/см 3) по сравнению с жидкой водой.

При плавлении льда частично рвутся водородные связи и по­ являются: ассоциаты, в которых сохраняется каркасная структу­ ра за счет водородных связей, полости между ассоциатами и вну­ три них, а также отдельные молекулы воды (рис. 6.1, б). В чис­ той жидкой воде имеется динамическое равновесие как между

Рис. 6.1. Структура воды: а — в кристаллическом состоянии; б — в жидком состоянии

126

ассоциатами, так и между ассоциатами и свободными молекула­ ми воды, блуждающими в полостях между ассоциатами или внутри них. Среднее время жизни молекул воды в этих образо­ ваниях тср=^10~9 с. С повышением температуры параллельно происходят два процесса: первый связан с увеличением размеров полостей и уменьшением размеров ассоциатов, что приводит к уменьшению плотности системы; второй - с увеличением степе­ ни заполнения полостей отдельными молекулами воды, за счет чего плотность системы увеличивается. В интервале температур от О °С до 4 °С преобладает второй процесс, и поэтому плотность воды максимальна при 4 °С (1,000 г/см 3), а при температуре вы­ ше 4 °С доминирует первый процесс и плотность воды уменьша­ ется, так как происходит разрыхление структуры воды. Однако ассоциаты с трехмерной сеткой водородных связей сохраняются

вжидкой воде при любой температуре.

Встандартных условиях, согласно статистическим расчетам,

около 30 % всех молекул воды находятся в виде отдельных моле­ кул, а 70 % входит в состав ассоциатов. Среди них 40 % прихо­ дится на стабилизированные ассоциаты с определенной структу­ рой, т. е. на "структурированную" воду, а 30 % - на случайные ассоциаты, которые не имеют определенной структуры. Совокуп­ ность случайных ассоциатов и отдельных молекул воды состав­ ляют "деструктурированную" воду (всего 6 0% ). В “структуриро­ ванной” воде время жизни молекул воды в ассоциатах больше (т > тср = 1 0 ' 9 с), чем среднее время их жизни в воде в целом. В “деструктурированной” воде этот показатель, наоборот, меньше (т < тср). Таким образом, обычная чистая вода является сложной динамичной системой, которую можно представить схемой, изо­ браженной на рис. 6 .2 .

На положение равновесия в водной системе оказывают влия­ ние многие факторы: температура, акустические, магнитные и электрические поля, а также присутствие ионов Н+ и ОН", воз­ никающих за счет диссоциации воды, или радикалов, образую­ щихся при радиационном воздействии на воду. В стандартных

Рис. 6.2. Состояние молекул воды в чистой воде

127