Общая химия, Лекции 1-5

τ½ = 2,3 lg2/k = 0,693/k

Влияние катализаторов на химическое равновесие

Катализаторами называются вещества, ускоряющие химическую реакцию и не расходующиеся в ней.

1)S + E → ES

2)ES → E + P 1 и 2 - элементарные акты

S → P суммарное уравнение реакции S - субстрат, E - катализатор,

ES - комплекс субстрата с катализатором, Р – конечный продукт реакции.

Переходные состояния (комплексы субстрата с катализатором ES) имеют значительно более низкую энергию, чем переходные состояния в отсутствие катализатора. Катализатор меняет механизм реакции, эффективно снижая энергию активации процесса, в результате резко возрастает его скорость.

Катализ в живом организме - ферментативный катализ

Ферментативный катализ обеспечивает жизнедеятельность как бактерий, так и организмов растительного и животного мира. Многие жизненно важные химические реакции, протекающие в клетке (около десяти тысяч), управляются органическими катализаторами - белками, именуемыми ферментами или энзимами.

Строгая избирательность, очень высокая скорость и регулируемость действия

— основные признаки ферментативного катализа.

Эти свойства ферментов обусловлены их сложной пространственной структурой и наличием в ней активного центра, где и происходит химическая реакция.

Схематическое изображение активного центра химотрипсина:

Химотрипсин - фермент класса гидролаз, катализирующий гидролиз пептидных связей, удаленных от концов белковой цепи.

Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры

При повышении температуры активность фермента повышается. Дальнейшее повышение температуры приводит к тепловой денатурации (нарушение пространственной структуры) фермента, скорость реакции быстро падает.

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата описывает уравнение Михаэлиса – Ментен:

v = vmax[S]/(Km+[S])

vmax - скорость при высоких концентрациях субстрата, (максимальная скорость), [S] – концентрация субстрата, Km - константа Михаэлиса.

При низких концентрациях субстрата скорость возрастает почти линейно, по мере насыщения фермента его активность падает, а когда все молекулы фермента насыщаются субстратом, активность становится постоянной и достигается vmax.

Константа Михаэлиса – это такая концентрация субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной.

Km = [S] при ½ vmax

Часть 2. Растворы. Строение и роль воды. Ионное произведение воды, шкала рН

Вода составляет в организме человека около 60% массы тела у мужчин и 55% у женщин. При массе 70 кг на воду приходится около 40 кг. У новорожденных вода составляет ~ 75 %.

Напомню, что вода – полярное соединение. Длина связей О-Н в молекуле воды составляет 0,0965 нм, угол между связями - 104,5о. Каждая молекула воды образует ~ 3,7 водородные связи с соседними молекулами воды, формируя большие межмолекулярные ассоциаты. Водородные связи легко разрываются и образуются вновь, что и объясняет высокую текучесть воды. Водородные связи играют важную роль в формировании пространственной структуры белков, нуклеиновых кислот и многих других биоорганических соединений.

Растворимость веществ

Образование любых химических связей энергетически выгодно. Поэтому, чем больше водородных связей и электростатических взаимодействий между водой и веществом, тем энергетически выгоднее процесс растворения (ΔНраств< 0).

Роль воды в организме

1.Большинство процессов в организме происходят в водной среде. Она - основной компонент внутри- и внеклеточной среды.

2.Вода растворяет все соединения, участвующие в обмене веществ.

3.Участвует в формировании пространственной структуры белков, ДНК, РНК и надмолекулярных комплексов (клеточные мембраны).

4.Играет важную роль в транспорте веществ между органами и органеллами клетки и выведении продуктов обмена из организма.

5.Текучесть воды определяет скорость транспорта веществ и выведения продуктов обмена из организма.

6.Теплоемкость воды определяет температурную адаптацию организма.

7.Электропроводность водных растворов влияет на электрофизиологические свойства клеток (проводимость нервных сигналов).

2/3 воды в организме –внутриклеточная жидкость, т.е. вода структурирована.

Диссоциация воды

Вода - слабый электролит и лишь в очень небольшой степени

диссоциирует на ионы: Н2О ↔ Н+ + ОН- Кдис. воды - это константа равновесия процесса диссоциации воды

Кр = Кдис. воды = [H+][OH-]/[H2O] = 1,821*10-16

[H2O] = Const = m/M = 1000 г/18 г/моль = 55,35 моль/л.

[H+][OH-] = Кдис. воды*[H2O] = 55,35*1,821*10-16 = 10-14

[H+][OH-] называется ионным произведением воды и обозначается Кw

Кw = [H+][OH-] = 10-14

Если среда нейтральная, то [H+] = [OH-] = √10-14 = 10-7

Водородный показатель рН

Десятичный логарифм молярной концентрации ионов водорода, взятый с

обратным знаком, называют водородным показателем рН.

рН = – lg [H+]

Гидроксильный показатель рОН = – lg [ОH-].

Прологарифмируем выражение для ионного произведения воды [H+][OH-] = 10-14 и возьмем его с обратным знаком: – lg[H+] – lg[OH-] = 14

или рН + рОН = 14

Шкала рН:

Закон Оствальда (закон разбавления для слабых электролитов) Процесс электролитической диссоциации, как и в случае воды, может

быть охарактеризован константой диссоциации (Кдис.).

Так, для кислоты НА ↔ Н++А- константа диссоциации имеет вид:

Кдис. НА= [Н+][А-]/[НА]

Закон Оствальда отражает взаимосвязь между константой диссоциации и степенью диссоциации бинарного (распадающегося на два иона) слабого

электролита, например, слабой кислоты НА.

[Н+] = [А-] = αС, [НА] = (1- α)С α – степень диссоциации слабой кислоты,

С – исходная концентрация кислоты.

Тогда: К дис. НА= [H+] [A-] / [HA] = αС·αС/(1- α)С

Кдис НА = α2С/(1-α)

Если α<<1, то (1-α) ~1, следовательно Кдис НА = α2С,

отсюда: α = √ Кдис/См Как видно из этого уравнения, с ростом концентрации степень диссоциации

падает и, наоборот, с разбавлением электролита α растет.

ЛЕКЦИЯ № 3

Осмос. Транспорт веществ в организме

СОДЕРЖАНИЕ Явление осмоса. Схема прибора для обнаружения осмоса. Полупроницаемые

мембраны. Осмотическое давление. Понятие диализа. Осмос в различных клетках. Осморегуляция в клетках млекопитающих.

Транспорт веществ в организме. Виды транспорта. Примеры. Роль транспорта веществ в метаболизме и поддержании гомеостаза.

Цель: ознакомить с явлением осмоса для понимания механизма поддержания водного и электролитного баланса в организме а также понимания роли транспорта веществ в метаболизме.

Свойства разбавленных растворов, которые определяются только количеством частиц растворенного вещества и не зависят от их размера, молярной массы и природы этих веществ называют коллигативными (взаимосвязанными, коллективными). Осмос является одним из коллигативных свойств растворов.

Осмос (от греч. толчок, давление) - процесс самопроизвольного

перехода (диффузии) растворителя через полупроницаемую мембрану из области с более низкой концентрацией раствора в область с более высокой концентрацией.

Явление осмоса наблюдается в тех средах, где подвижность растворителя больше подвижности растворѐнных веществ.

Полупроницаемыми называют мембраны, которые имеют высокую проницаемость лишь для некоторых веществ, например, для растворителя. Пример. К яичной скорлупе с внутренней стороны прилегает полупроницаемая мембрана: она пропускает молекулы воды и задерживает молекулы сахара. Если такой мембраной разделить растворы сахара с концентрацией 5% и 10 %, то через нее в обе стороны будут проходить только молекулы воды. В результате в более разбавленном растворе концентрация сахара повысится, а в более концентрированном, наоборот, понизится. Когда концентрация сахара в обоих растворах станет одинаковой (закон термодинамики), наступит равновесие. Растворы, достигшие осмотического равновесия, называются изотоническими.

Виды осмоса Осмос, направленный внутрь ограниченного объѐма жидкости (в

клетку), называется (1) эндосмосом, наружу — (2) экзосмосом. Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением. Оно равно внешнему давлению, которое следует приложить со стороны раствора, чтобы прекратить процесс, т. е. создать условия осмотического равновесия. Превышение избыточного давления над осмотическим может привести к обращению осмоса — обратной диффузии растворителя – (3) обратный осмос. В случаях, когда мембрана проницаема не только для растворителя, но и для некоторых растворѐнных веществ, их перенос из раствора в воду позволяет осуществить (4) диализ, применяемый как способ очистки растворов биополимеров от низкомолекулярных примесей.

С точки зрения термодинамики движущей силой осмоса является стремление системы к выравниванию концентраций. Энтропия системы при растворении возрастает: ∆S 0, энергия Гиббса системы уменьшается: ∆G<0.

Осмотическое давление – давление столба жидкости, которое нужно

приложить к раствору, чтобы прекратить явление осмоса.

Осмотическое давление можно измерить.

Росм.= iCмRT

i = 1 + α(n-1),

где n – число ионов, на которые диссоциирует молекула электролита в воде, α - степень диссоциации,

Cм - молярная концентрация,

R – универсальная газовая постоянная, T – температура по Кельвину

Для сильных электролитов α = 1, для NaCl i = 2, для MgCl2 i = 3 Осмотическое давление крови 740 - 780 кПа или ~7,3 - 7,7 атм. 1 атм = 101,3 кПа.

Осмолярность

Осмотическое давление создается веществами, которые не проходят через полупроницаемую мембрану, в результате препятствуют осмосу. Такие вещества называются осмотически активными. В организме это белки, глюкоза, ионы, в т.ч. Na+, K+, Cl-, HCO3-

Суммарная концентрация всех осмотически активных частиц называется осмолярностью (σ).

σ = Σ iCм [моль/л] или [осмоль]

Вещества, свободно проходящие через клеточные мембраны, называют осмотически неактивными. В крови человека к ним относят воду, все растворенные газы и мочевину.

Осмолярность крови рассчитывают по формуле:

σкрови = 2[Na+] + 2[К+] + [глюкоза] + 0,03[белок] = 0,3 моль/л или 300 ммоль/л (0,3 осмоль или 300 мосмоль).

Почему при значительном снижении концентрации белков в плазме крови развивается отек окружающих тканей?

Осмос играет важную роль во многих биологических процессах. Мембрана, окружающая нормальную клетку, проницаема лишь для молекул воды, кислорода, CO2, некоторых растворенных в крови питательных веществ и некоторых продуктов метаболизма. Для больших белковых молекул, находящихся в растворенном состоянии внутри клетки, мембрана непроницаема. Поэтому белки остаются внутри клетки и выполняют свои биологические функции.

Клетки человеческого организма живут 1.5-7 лет, самая короткая жизнь у клеток эпидермиса. Самая длинная – у клеток нервной системы и сердечных мышц (100 лет и более). И на всем протяжении жизни клеток мембраны должны выполнять свои функции.

Онкотическое давление

Белки удерживают на себе значительное количество воды (до 4 г воды на 1 г белка) в виде гидратной оболочки. В крови содержание белка колеблется от 60 до 80 г/л, если оно станет меньше 60 г/л, часть воды из плазмы крови выходит из сосудов в ткани. Возникает отек. Белки создают 0,75% осмолярности крови (расчет по формуле!). Осмотическое давление белков невелико, но оно очень важно для удержания воды в сосудистом русле.

Осмотическое давление, создаваемое белками, называется

онкотическим (от латинского oncos – опухоль).

Влияние осмотического давления на клетки крови - эритроциты

Как видно из рисунка, только в изотоническом растворе клетки крови остаются неизмененными.

В обезвоженных тканях прекращается нормальный метаболизм и они отмирают в течение короткого времени. Особенно опасно это явление для клеток мозга: при незначительном обезвоживании за счет раздражения специальных осморецепторов (в гипоталамусе) развивается чувство жажды, при невозможности восполнения потерянной жидкости резко замедляется передача нервных импульсов, начинается гибель нейронов, человек теряет сознание, развивается кома. Кома (коматозное состояние) (от греч. κῶμα — глубокий сон) - остро развивающееся тяжѐлое патологическое состояние, характеризующееся прогрессирующим угнетением функций ЦНС с утратой сознания, нарушением реакции на внешние раздражители, нарастающими расстройствами дыхания, кровообращения и др.

Животные клетки имеют систему защиты, основанную на осморегуляции; организм животного стремится поддерживать

осмотическое давление всех тканевых жидкостей на постоянном уровне.

Мембранный транспорт

Это транспорт веществ сквозь клеточную мембрану в клетку или из клетки, осуществляемый с помощью различных механизмов.

Важнейшее свойство биологической мембраны состоит в ее избирательной проницаемости, то есть способности пропускать одни

вещества и не пропускать другие. Это имеет большое значение для саморегуляции метаболизма и поддержания постоянного состава клетки (клеточный гомеостаз).

Ниже изображен липидный бислой клеточной мембраны. Строение и свойства липидов вы будете изучать во 2-ом семестре. Липиды самопроизвольно (ΔG < 0) собираются в надмолекулярные комплексы с гидрофобной внутренней частью и гидрофильной поверхностью, обращенной внутрь клетки и наружу в водную среду.

Виды транспорта веществ в организме

1.Транспорт сквозь липидный бислой мембраны (простая диффузия) и транспорт при участии мембранных белков

2.Активный и пассивный транспорт

3.Симпорт, антипорт и унипорт

Легче всего проходят через липидный бислой неполярные молекулы с малой молекулярной массой (например, кислород, азот, бензол). Достаточно быстро проникают сквозь липидный бислой такие мелкие полярные молекулы, как углекислый газ, оксид азота, вода, мочевина. С заметной скоростью проходят через липидный бислой этанол и глицерин, а также стероидные и тиреоидные гормоны. Для более крупных полярных молекул (глюкоза, аминокислоты), а также для ионов липидный бислой практически непроницаем, так как его внутренняя часть гидрофобна.

Перенос крупных полярных молекул и ионов происходит благодаря белкам-каналам или белкам-переносчикам. Так, в мембранах

клеток существуют каналы для ионов натрия, калия и хлора, а также белкипереносчики для глюкозы, аминокислот и других молекул. Есть даже специальные водные каналы – аквапорины.

Пассивный транспорт — транспорт веществ по градиенту концентрации, не требующий затрат энергии. Пассивно происходит транспорт гидрофобных веществ сквозь липидный бислой мембраны (∆G<0). Пассивно пропускают через себя вещества все белки-каналы и некоторые белки-переносчики. Пассивный транспорт с участием мембранных белков называют облегченной диффузией. Другие белки-переносчики (их иногда называют белки-«насосы») переносят через мембрану вещества с затратами энергии, которая выделяется при гидролизе АТФ. Этот вид транспорта

осуществляется против градиента концентрации переносимого вещества и называется активным транспортом.

Мембранный транспорт веществ различается также по направлению их перемещения и количеству переносимых данным белком-переносчиком веществ:

1)Унипорт — транспорт одного вещества в одном направлении в зависимости от градиента концентрации.

2)Симпорт — транспорт двух веществ в одном направлении с помощью одного переносчика.

3)Антипорт — перемещение двух веществ в разных направлениях посредством одного переносчика.

Основные механизмы перемещения веществ через мембрану изображены на следующей схеме:

Гидролиз АТФ

Примеры.

Унипорт осуществляет потенциал-зависимый натриевый канал, через который в клетку во время генерации потенциала действия перемещаются катионы натрия.

Симпорт осуществляет переносчик глюкозы, расположенный на внешней (обращенной в просвет кишечника) стороне клеток кишечного эпителия. Этот белок захватывает одновременно молекулу глюкозы и катион натрия и, меняя свою конформацию, переносит оба вещества внутрь клетки. При этом используется энергия электрохимического градиента, который, в свою очередь, создается за счет гидролиза АТФ ферментом - натрийкалиевой АТФ-азой.

Антипорт осуществляет натрий-калиевая АТФаза. Она переносит в клетку 2 катиона калия, а из клетки выводит 3 катиона натрия.

Работа натрий-калиевой АТФазы - пример активного транспорта посредством антипорта.

Механизмы транспорта крупных фрагментов (биомолекул)

Эндоцитоз - захват клеткой крупного фрагмента. Сначала мембрана окружает этот фрагмент, образуя пузырек – первичную фагосому, затем этот пузырек сливается с органеллой клетки - лизосомой, где фрагмент вещества расщепляется ферментами лизосомы.

Захват жидкости называется пиноцитозом, захват твердого вещества -

фагоцитозом.

Процесс выделения из клетки крупных фрагментов называется экзоцитозом, он происходит через аппарат Гольджи.

Пример лекарственного противоопухолевого препарата, блокирующего транспорт через мембраны.

Трансплантированные в организм лабораторной мыши человеческие эстроген-позитивные раковые клетки молочной железы гибли под действием лекарства, которое блокирует транспорт питательных веществ. Это единственный транспорт, с помощью которого могут поступать все незаменимые аминокислоты, необходимые клетке для выживания, в т.ч. опухолевой. Другой вид раковых клеток (эстроген-негативные) не подвержен действию лекарства. Препарат разработан на основе аминокислоты - альфа- метил-(D,L)-триптофана. Вещество способно лишать питания только клетки, которые используют этот вид транспорта. Открытие позволит победить рак молочной железы, который не поддается лечению традиционными средствами такими, как тамоксифен* или кломид*.

*Кломид (кломифен) и тамоксифен (нолвадекс) являются антиэстрогенами, принадлежащими к одной группе химических веществ - трифенилэтиленов.

ЛЕКЦИЯ № 4

Буферные растворы. Буферные системы организма человека

СОДЕРЖАНИЕ

•Неорганические буферные системы.

•Уравнение Гассельбаха-Гендерсона для буферов I и II типа.

•Органические буферные системы.

•Буферные системы организма человека.

Цель: изучить общие свойства буферных систем, ознакомить с буферными системами организма и их функционированием.

Литература: Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия: Учебник под. ред. акад. АМН СССР С.С. Дебова.— 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Медицина, 1990. 528 с.