Гидролиз. Биологическая роль

МИНИСТЕРСТВО  СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ  ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

СТАВРОПОЛЬСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

   Реферат на тему:

   «Гидролиз. Биологическая роль гидролиза»

                                                                                                             
 

     Выполнила:

     студентка 1 курса  4 группы

   агрономического факультета

   Федосеева Екатерина Викторовна

   Проверила:

   Доцент  кафедры химии

     и защиты растений

     Дергунова Е.В.. 
 
 

   Ставрополь 2009. 
 

Содержание:

1. Введение.
2. Гидролиз в химии.
3. Биологическая роль.
4. Почвенный гидролиз.
5. Заключение.
6. Используемая литература.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

  В общем случае под гидролизом понимают реакцию разложения вещества водой (от греч. «гидро» - вода, «лизис» - разложение). Гидролизу могут подвергаться белки, жиры, углеводы, эфиры и другие вещества. В неорганической химии чаще всего встречаются с гидролизом солей.

Гидролиз  в химии. 

  Гидролизом называется взаимодействие вещества с водой, при котором составные части вещества соединяются с составными частями воды.

  Гидролизу подвержены соединения различных классов. Рассмотрим один из его важнейших случаев – гидролиз солей.

  В случае реакций нейтрализации, в которых участвуют слабые кислоты и основания, реакции протекают не до конца. Значит при этом в той или иной степени протекает и обратная реакция (взаимодействие соли с водой), приводящая к образованию кислоты и основания. Это и есть гидролиз соли. В реакции гидролиза вступают соли, образованные слабой кислотой и слабым основанием, или слабой кислотой и сильным основанием, или слабым основанием и сильной кислотой. Соли, образованные сильной кислотой и сильным основанием, гидролизу не подвергаются; нейтрализация в этом случае сводится к процессу:

H₃O⁺ + OH^- = 2H₂O

  А обратная реакция – диссоциация молекулы воды на ионы – протекает в ничтожно малой степени.

  В случае соли, образованной слабым основанием и сильной кислотой, гидролизу подвергается катион соли и реакция сопровождается образованием ионов H₃O⁺ , например:

NH₄CL + H₂O = NH₃∙HOH + HCL

Или

NH₄⁺ + 2H₂O = NH₃∙HOH + H₃O⁺

  Накопление ионов H3O+  приводит к уменьшению концентрации ионов OH^-. Таким образом, растворы солей, образованных слабым основанием и сильной кислотой, имеют кислую реакцию.

  В рассмотренных случаях гидролизу подвергается не всё количество находящейся в растворе соли, а только часть его. Иначе говоря, в растворе устанавливается равновесие между солью и образующими её кислотой и основанием. Доля вещества, подвергающаяся гидролизу, - степень гидролиза - зависит от константы этого равновесия, а также от температуры и от концентрации соли.

  Запишем уравнение  гидролиза в общем виде. Пусть НА – кислота, МОН - основание, МА - образованная ими соль. Тогда уравнение гидролиза будет иметь вид:

МА + Н₂О =НА + МОН

  Протонная теория кислот и оснований рассматривает гидролиз как частный случай кислотно-основного равновесия: протон переходит от молекулы воды к данному иону или от данного иона к молекуле воды. Например, гидролиз иона аммония можно выразить уравнения:

NH₄⁺ + H₂O = H₃O⁺ + NH₃.

Биологическая роль.

     Реакции гидролиза подвергаются самые различные  вещества. Так в процессе пищеварения  высокомолекулярные вещества (белки, жиры, полисахариды и др.) подвергаются ферментативному  гидролизу с образованием низкомолекулярных  соединений (соответственно, аминокислот, жирных кислот и глицерина, глюкозы  и др.).

Без этого процесса не было бы возможным усвоение пищевых  продуктов, так как высасываться в кишечнике способны только относительно небольшие молекулы. Так, например, усвоение полисахаридов и дисахаридов становится возможным лишь после полного их гидролиза ферментами до моносахаридов. Точно так же белки и липиды гидролизуются до веществ, которые лишь потом могут усваиваться. Рассмотрим основные реакции гидролиза, протекающие в организме.  

      Гидролиз  белков.  Белковые вещества составляют громадный класс органических, то есть углеродистых, а именно углеродисто азотистых соединений, неизбежно встречаемых в каждом организме. Роль белков в организме огромна. Без белков или их составных частей – аминокислот – не может быть обеспечено воспроизводство основных структурных элементов органов и тканей, а также образование ряда важнейших веществ, как, например, ферментов и гормонов. Белки пищи прежде, чем быть использованы для построения тканей тела, предварительно расщепляются. Организмом используется для питания не сам пищевой белок, а его структурные элементы – аминокислоты и, может быть, частично простейшие пептиды, из которых затем в клетках синтезируются специфические для данного вида организма белковые вещества.  
         Каждый вид организма, каждый орган и каждая ткань содержат свои характерные белки, и при усвоении чужеродных белков пищи организм, прежде всего, лишает их видовой специфичности. Перед тем, как быть усвоенными белки должны быть разложены на индифферентный материал. Разложение белковых веществ на более простые, лишенные видовой специфичности соединения, способные всасываться в кровь через стенки кишечника, осуществляется в пищеварительных органов человека и животных путем последовательного гидролиза под действием ряда ферментов.  
 В полости рта белки никаким изменениям не подвергаются, так как в состав слюны необходимые для этого протеолитические ферменты не входят. Переваривание белков начинается в желудке.

      В желудочно-кишечном тракте пищевые  белки распадаются на аминокислоты при участи пищеварительных протеолитических ферментов – пептидогидролаз. Эта группа ферментов различающихся по субстратной специфичности: каждый из этих ферментов предпочтительно (т.е. с наибольшей скоростью) гидролизует пептидные связи (рис.1), образованные определёнными аминокислотами. В результате совместного действия всех пищеварительных пептидогидролаз белки пищи полностью распадаются на аминокислоты. Таким путём организм получает мономеры для синтеза собственных белков.

      В желудке переваривание (т. е. гидролитическое  расщепление) происходит при действии протеолитического фермента пепсина; существенную роль в этом процессе играет соляная кислота, за счёт которой  желудочный сок имеет низкое значение pH (1-2). Под действием этой кислоты выделяемый главными клетками желудочных желез белок пепсиноген превращается в пепсин. HCl катализирует этот процесс, в ходе которого отщепляется часть молекулы и образуется активный центр фермента. Сам пепсин катализирует процесс своего образования, т. е. является автокатализатором.

      Пепсин  гидролизирует пептидные связи, удалённые от концов пептидной цепи (поэтому пепсин относят к эндопептидазам). При этом белки распадаются на полипептиды, свободные аминокислоты практически не образуются.

      Переваривание белков завершается в верхнем  отделе тонкого кишечника под  действием ферментов поджелудочной  железы и клеток кишечника. Эти клетки продуцируют ряд проферментов (трипсиноген, химотрипсиноген, прокарбопептидазы  А и В, проэластаза). После каталитического образования в проферментах активного центра и отщепления части молекул, эти белки превращаются соответственно в ферменты: Трипсин, Химотрипсин, Карбопептидазы А и В и Эластазу.

 

      Трипсин, Химотрипсин и эластаза – эндопептидазы  – гидролизуют связи, лежащие  ближе к середине  полипептидной  цепи. Продуктами их действия являются, в основном, пептиды, но образуется и ряд аминокислот.

      Карбопептидазы  – экзопептидазы. Они гидролизуют  пептидную связь, образованную концевым аминокислотным остатком. Карбопептидаза А отщепляет преимущественно  концевые аминокислоты с гидрофобным  радикалом, а карбоксипептидаза  В – остатки лизина и аргинина.

      Последний этап переваривания происходит при  участии ферментов, синтезируемых  клетками кишечника – аминопептидаз  и дипептидаз. Первые отщепляют концевые аминокислоты от пептидов, вторые гидролизуют  дипептиды.

     Таким образом, переваривание пищевых  белков – суть, последовательность реакций гидролиза, катализирующегося  рядом ферментов.

мочевина

орнитин

аргинин

      Гидролиз  – также основа синтеза мочевины.

Данный процесс  катализируется ферментом аргиназой, причём возможен и обратный процесс  – синтез аргинина из орнитина (Цикл Кребса-Гензелейта).

 
 

Гидролиз  углеводов.

 

Углеводы пищи в пищеварительном тракте распадаются  на мономеры при действии гликозидаз – ферментов, катализирующих гидролиз гликозидных связей (рис.2) в полисахаридах.

Переваривание начинается уже в ротовой полости: в слюне содержится фермент амилаза (α~1,4 – гликозидаза), расщепляющая α~1,4 гликозидные связи. Поскольку пища в ротовой полости пребывает  недолго, то крахмал здесь переваривается лишь частично. Основным же местом переваривания крахмала служит тонкий кишечник, куда поступает амилаза в составе сока поджелудочной железы. Амилаза не гидролизует гликозидную связь в дисахаридах, поэтому основным продуктом действия кишечной амилазы является дисахарид мальтоза.

Из тех глюкозных  остатков, которые в молекуле крахмала соединены 1,6-гликозидной связью, образуется дисахарид изомальтоза. Кроме того, с пищей в организм поступают  дисахариды сахароза и лактоза (рис.3), которые гидролизуются специфическими гликозидазами – мальтазой, изомальтазой, лактазой и сахаразой соответственно.

 

 

Продукты полного  гидролиза углеводов – глюкоза, галактоза и фруктоза – через  клетки кишечника поступают в  кровь.

 

Гидролиз  жиров В 12-перстную кишку поступает желчь и сок поджелудочной железы, необходимые для переваривания жиров. В соке поджелудочной железы содержится фермент липаза, катализирующий гидролиз сложноэфирной связи в триацилглицеринах. Поскольку жиры нерастворимы в водных средах, а липаза нерастворима в жирах, гидролиз происходит лишь на поверхности раздела этих фаз и, следовательно, скорость переваривания зависит от площади этой поверхности.

     В составе желчи содержатся конъюгированные желчные кислоты (Рис.5) – гликохолевая и таурохолевая. Эти кислоты обладают амфифильными свойствами. На поверхности раздела жир-вода они ориентируются таким образом, что гидрофобная циклическая часть оказывается погружённой в жир, а гидрофильная боковая цепь – в водную фазу. В результате образуется стабильная эмульсия.

 

     Под действием липазы идёт гидролиз жиров, в ходе которого жирные кислоты отщепляются  от триацилглицерина одна за другой, сначала  от - углеродных атомов, потом – от - углеродного атома (Рис. 6)

     Образующиеся  в процессе переваривания пищи вещества-мономеры, вступают в ряд реакций. Во многих из них они окисляются, и энергия, выделяющаяся при этом окислении, используется для синтеза АТФ из АДФ –  основного процесса аккумулирования  энергии в живых организмах. Эта  энергия необходима для роста  и нормального функционирования организма. Человек получает её как  за счёт многостадийного процесса окисления  пищи – белков, жиров и углеводов, так и за счёт гидролиза некоторых  сложных эфиров, амидов, пептидов и гликозоида. Однако главным источником энергии для многих биологических процессов – биосинтеза белка, ионного транспорта, сокращения мышц, электрической активности нервных клеток – является аденозинтрифосфат (АТФ).

     АТФ (Аденозинтрифосфорная кислота) принадлежит к бионеорганическим соединениям, так как состоит из органической части – аденозина и неорганической части – трёх связанных в цепь фосфатных групп. При рН ³ 7,0 АТФ существует в виде аниона АТФ ^4- , так как все фосфатные группы при этом значении водородного показателя ионизированы.