Слесарев. Основы Химии живого

Это соединение выполняет функцию аккумулятора энергии, так как при его взаимодействии с водой, т. е. гидролизе, обра­ зуются аденозиндифосфорная (АДФ) и фосфорная (Ф) кислоты и выделяется энергия. Поэтому АТФ называется макроэргическим соединением, а разрывающаяся при его гидролизе связь Р—О—Р - макроэргической. Макроэргической связью называет­ ся химическая связь, при разрыве которой в результате реак­ ции гидролиза выделяется значительная энергия:

Как известно, разрыв любой связи (в том числе и макроэр­ гической) всегда требует затраты энергии. В случае же гидро­ лиза АТФ кроме процесса разрыва связи между фосфатными группами, для которого AG > 0 , происходят процессы гидрата­ ции, изомеризации и нейтрализации продуктов, образующихся при гидролизе. В результате всех этих процессов суммарное изменение энергии Гиббса имеет отрицательное значение. Сле­ довательно, макроэргическим является не разрыв связи, а энер­ гетический результат ее Гидролиза.

Аденозинтрифосфат функционирует в клетках как проме­ жуточный продукт, обеспечивающий организм энергией, необ­ ходимой для протекания жизненно важных эндэргонических процессов: синтеза метаболитов (химическая работа), сокраще­ ния мышц (механическая работа), переноса вещества через мем­ браны против градиента концентрации (активный транспорт) и передачи информации (в частности, для передачи нервных им­ пульсов).

Для того чтобы в живых системах протекали эндэргонические реакции (AGp > 0), необходимо, чтобы они были сопряжены с экзэргоническими реакциями (AGp < 0). Такое сопряжение воз­ можно, если обе реакции имеют какое-либо общее промежуточ­ ное соединение и на всех стадиях сопряженных реакций суммар­ ный процесс характеризуется отрицательным значением измене­

ния энергии Гиббса (XAGconp#p < 0). Например, синтез сахарозы

является эндэргонической реакцией и самопроизвольно проис­ ходить не может:

Глюкоза + Фруктоза —► Сахароза + Н20 AG° = +20,9 кДж/моль

Однако сопряжение этой реакции с экзэргонической реакцией гидролиза АТФ, сопровождающееся образованием общего про­ межуточного соединения глюкозо-1 -фосфата, приводит к тому,

что суммарный процесс имеет ^AGp < 0 :

АТФ + Глюкоза + Фруктоза —► Сахароза + АДФ + Ф

AGp = -29,2 кДж/моль

91

Наряду с АТФ в живых организмах имеются более эффек­ тивные макроэргические фосфорилированные соединения, гид­ ролиз которых сопровождается выделением большей энергии. Так, стандартная энергия Гиббса для гидролиза креатинфосфатау Ъ-фосфоглицерилфосфата и фосфоенолпирувата равна со­ ответственно -43,1; -49,4 и -61,9 кДж/моль. С помощью этих соединений происходит синтез АТФ из АДФ.

Таким образом, внутренним источником энергии в живых системах являются фосфорилированные соединения, при взаи­ модействии которых с биосубстратами, включая воду, выделя­ ется энергия. В результате сопряжения этих реакций с други­ ми (эндэргоническими) обеспечивается протекание в клетке не­ обходимых эндэргонических процессов.

4.6. ОСОБЕННОСТИ ТЕРМОДИНАМИКИ БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В РАВНОВЕСНЫХ

И СТАЦИОНАРНЫХ СОСТОЯНИЯХ. ПОНЯТИЕ О ГОМЕОСТАЗЕ

Главная особенность протекания обратимых биохимических реакций заключается в стремлении достичь динамического рав­ новесия, так как это состояние возникает и поддерживается вследствие протекания реакций в двух противоположных направ­ лениях с одинаковыми скоростями и = и. Такое состояние назы­ вается химическим равновесием, о котором подробно пойдет разговор дальше, а сейчас рассмотрим, как изменяется энергия Гиббса системы, в которой устанавливается химическое равно­ весие. В этом случае изменение энергии Гиббса в системе ха­ рактеризуется наличием минимума, который соответствует со­ стоянию химического равновесия (рис. 4.3, табл. 4.1). К этому равновесному состоянию возможен подход как со стороны ис-

ходных веществ (AG < 0 ), так и со стороны продуктов реакции

(AG < 0).

Таким образом, в случае протекания обратимых реакций система самопроизвольно

92

В открытой системе в стационарном состоянии при­ рост энтропии в единицу времени AS/At принимает ми­ нимальное положительное значение для данных условий,

т. е. AS/At -> тш'/i.

Поскольку энтропия является мерой деградации, или рас­ сеяния, энергии, принцип Пригожина приводит к важнейшему заключению: при стационарном состоянии рассеяние энергии Гиббса открытой системой оказывается минимальным.

Термодинамические особенности открытых систем, харак­ терные для живого организма, объясняют его устойчивость, по­ зволяющую ему в течение многих лет сохранять определенный уровень работоспособности, а также относительное постоянство внутренней среды, называемое в биологии гомеостазом.

«состава и свойств внутренней среды организма, обуслав­ ливающее устойчивость его физиологических функций.Гомеостаз - относительное динамическое постоянство

В формировании и поддержании состояния гомеостаза боль­ шую роль играет обратимость большинства биохимических про­ цессов, которые всегда протекают самопроизвольно в направ­ лении достижения равновесия, но, как правило, в организме они его не достигают. Это происходит или за счет использова­ ния продуктов реакции, протекающей самопроизвольно, в дру­ гих процессах, или за счет изменения условий в данной сис­ теме. Так, система, приближающаяся к химическому равнове­ сию, переносится организмом в другие условия, при которых

ксостоянию химического равновесия приводит обратная реак­ ция (разд. 5.5.1). Например, в легких, где концентрация ки­ слорода большая, гемоглобин крови соединяется с кислородом (разд. 10.4), но, не достигнув состояния равновесия в насыще­ нии кислородом, кровь переносится из легких к тканям, и там гемоглобин отдает кислород, поскольку при переходе от легких

ктканям в крови изменяются условия для процесса взаимодей­ ствия гемоглобина с кислородом. Другой пример: формирова­ ние и рост костной ткани происходит в одних клетках - остео­

бластах, а ее растворение - в других клетках - остеокластах (разд. 11.3), в то же время работа тех и других клеток регули­ руется организмом, что позволяет ему поддерживать содержа­ ние костной ткани на определенном уровне.

Таким образом, организм использует в своей жизнедеятель­ ности обратимые биохимические процессы и их стремление к состоянию химического равновесия, но не допускает наступле­ ния устойчивого во времени химического равновесия, так как это состояние приведет к гибели организма.

В заключение отметим основные положения, следующие из законов термодинамики:

94

Глава 5

ОСНОВЫ КИНЕТИКИ БИОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ И ХИМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ

После изучения этой главы вы должны:

-знать следующие величины, характеризующие химическую реакцию: константа скорости, порядок по реагенту, температурный коэффициент, энергия активации;

-усвоить понятия: катализатор, ингибитор;

-знать особенности протекания различных типов реакций: про­ стых, сложных, гомогенных, гетерогенных, последовательных, парал­ лельных, последовательно-параллельных, циклических, цепных, необ­

ратимых и обратимых, ферментативных, сопряженных, колебательных; - описание протекания во времени химических и биохимиче­ ских реакций с помощью кинетических уравнений, ферментативных

реакций - с помощью уравнения Михаэлиса - Ментен;

-описание положения равновесия обратимых реакций посред­ ством константы химического равновесия и взаимосвязь константы равновесия с изменением энергии Гиббса для этих реакций;

-принцип Ле Шателье для химических равновесий и принцип адаптивных перестроек для живых организмов.

Химические и биохимические реакции - это химическая фор­ ма движения материи, которая проявляется в превращении одних веществ в другие. Термодинамика предсказывает только возмож­ ность этих превращений с позиции их энергетики. В то же время необходимо знать, как это происходит и как быстро протекают эти превращения, т. е. механизм и скорость химических реакций. В живых системах химические процессы совершаются с различной скоростью. Так, процесс передачи нервного импульса совершается в сотые доли секунды, процессы усвоения пищи требуют несколь­ ких часов, а процессы старения могут длиться десятилетия.

96

Раздел химии, изучающий механизмы химических реак­ «ций и скорости их протекания, называется химической

кинетикой.

Для понимания законов, определяющих протекание химиче­ ских и биохимических реакций, необходимо рассматривать их с позиций как термодинамики, так и химической кинетики. Если термодинамика позволяет узнать, насколько полно осуществится превращение исходных реагентов в продукты реакции, то хими­ ческая кинетика ответит на вопросы: как быстро совершается химическая реакция и каков ее механизм, т. е. путь реакции? Еще великий Галилей сказал прекрасные слова: ’’Кто не знаком с законами движения, тот не может познать природы” .

Сбалансированность скоростей множества химических ре­ акций позволяет живым системам регулировать метаболизм и поддерживать состояние гомеостаза. Нарушение сбалансирован­ ности скоростей отдельных процессов вызывает различные па­ тологические изменения. Методы химической кинетики широ­ ко используются в биологии, физиологии, фармакологии, ме­ дицине и экологии.

5.1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

ИТЕРМИНОЛОГИЯ РАЗДЕЛА

Химические реакции разделяются на гомогенные и гетеро­ генные.

«поверхности раздела между реагентами, поэтому их взаимодействие протекает по всему объему системы.отсутствиемхарактеризуютсяГомогенные реакции

При гомогенных реакциях реагирующие вещества находят­ ся в одном агрегатном состоянии. Например:

а) реакции между газообразными веществами

2NO + 02 -► 2N02 б) реакции в растворах

H2S04 + 2КОН -► K2S04 + 2Н20

«верхности раздела между реагентами, где и протекает их взаимодействие. характеризуются наличием по­Гетерогенные реакции

При гетерогенных реакциях реагирующие вещества находят­ ся в разных агрегатных состояниях. Например:

Одним из основных параметров химических реакций явля­ ется скорость, с которой они протекают.

Скорость химической реакции определяется изменени­ ем концентрации реагирующих веществ в единицу вре­ мени

Если измерять концентрации веществ в молях на литр, а вре­ мя - в секундах, то единицей измерения скорости реакции бу­ дет моль/(л с).

Так как в реакции могут принимать участие в качестве реа­ гентов и продуктов несколько соединений, следует говорить не о скорости химического процесса вообще, а о скорости реакции по какому-либо одному компоненту (X*). Кинетическая кривая, отражающая изменение концентрации какого-либо вещества во времени с(Х*) = f(т) в ходе химической реакции, имеет разный вид для реагента и продукта реакции (рис. 5.1). Кинетическая кривая дает информацию об истинной (мгновенной) скорости реакции в каждый момент времени. Истинная скорость реак­ ции в данный момент времени (тнач, ткон) определяется на гра­ фике как тангенс угла наклона соответствующей касательной (1 , 2 ) к оси времени.

Истинная скорость химической реакции характеризу­ ет скорость в данный момент времени (Ах -> 0)

Как видно из рис. 5.1, касательные 1 и 2 характеризуются разными углами наклона а* и ot2 , что свидетельствует об изме­ нении скорости химической реакции по мере ее протекания. Поэтому наряду с истинной скоростью для характеристики хи­ мического процесса используют также среднюю скорость.

Средняя скорость хими­ ческой реакции по данно­ му компоненту является усредненной скоростью за данный промежуток вре­ мени

Рис. 5.1. Кинетические кри­ вые по реагенту (А) и про­ дукту (D) приведенной ре­ акции

98

Средняя скорость химической реакции величина приближен­ ная. Истинная скорость является более объективной характери­ стикой реакции, но и она неудобна для сравнения скоростей раз­ личных реакций между собой вследствие ее изменяемости во времени. Поэтому ни истинная, ни средняя скорости реакции не используются в качестве ее кинетических характеристик; такой величиной является константа скорости реакции (разд. 5.2.2).

Каждая химическая реакция протекает по определенному механизму. Механизм реакции описывает ее путь, т. е. после­ довательность элементарных актов взаимодействия реагентов, через которые она протекает. Реакции, по их механизму, под­ разделяются на простые и сложные.

Простые, или элементарные, реакции - это реакции, «протекающие в одну стадию.

Для таких реакций химическое уравнение полностью отражает, какие частицы и в каких соотношениях непосредственно участ­ вуют в элементарном акте реакции. Например:

жено, что она протекает через множество стадий (разд. 5.4).

Для сложных реакций общее химическое уравнение отражает только количественную характеристику процесса в целом и не учи­ тывает, какие частицы и в каких соотношениях участвуют в отдель­ ных стадиях процесса. Стадии сложных реакций могут протекать:

-последовательно друг за другом

С— D

-параллельно

-последовательно-параллельно

-циклически

y-v"A\b

F С

99

В соответствии с этим сложные реакции подразделяются на по­ следовательные, параллельные, последовательно-параллельные и циклические. Большинство биохимических реакций являются последовательно-параллельными или циклическими многоста­ дийными процессами (разд. 19.4).

В сложных реакциях скорости отдельных стадий могут рез­ ко отличаться друг от друга. В этих случаях скорость сложной реакции в целом будет определяться скоростью наиболее мед­ ленной стадии, называемой скоростьопределяющей или лимити­ рующей стадией. Поэтому при изучении механизма реакции по кинетическим данным прежде всего определяют кинетические характеристики ее лимитирующей стадии.

5.2. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ ГОМОГЕННЫХ РЕАКЦИЙ

Скорость гомогенной химической реакции зависит от:

-природы реагирующих веществ;

-концентрации реагентов;

-температуры;

-катализатора.

5.2.1. ВЛИЯНИЕ ПРИРОДЫ РЕАГИРУЮЩИХ ВЕЩ ЕСТВ

Природа реагирующих веществ - это не только их состав (например, фтор и иод), но вид частиц, которые непосредствен­ но участвуют в реакции: атомы, молекулы, ионы или радика­ лы*. Реакции между молекулами протекают обычно медленно, а между ионами и радикалами - быстро. Например:

5 .2 .2 . ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РЕАГЕНТОВ. КОНСТАНТА СКОРОСТИ РЕАКЦИИ.

ПОНЯТИЕ О ПОРЯДКЕ РЕАКЦИИ ПО РЕАГЕНТУ

Элементарный акт химической реакции осуществляется в момент столкновения реагирующих частиц. Увеличение кон­ центрации реагентов соответствует увеличению числа частиц в

Радикалы - частицы, имеющие неспаренный электрон. Радика­ лами могут быть: атомы Н*, С1»; группы атомов «ОН, HOJ, *СН3; ионы Н2 0», ЮзВозникновение радикалов обычно происходит под действием различных источников энергии: нагревание, свет, радиоактивное излучение.

100