Гидролиз. Биологическая роль

Гидролиз АТФ  записывают в виде кислотно-основного  равновесия::

АТФ ^4- + Н₂О Û АДФ ^3- + НРО₄ ^2- + Н⁺

DG^о = -30,5 кДж/моль,

где АДФ ^3- - анион аденозидифосфата.

      Как видно, гидролиз сопровождается убылью энергии Гиббса

(DG^о = -30,5 кДж/моль). Гидролиз может идти и дальше до образования аденозинмонофосфата (АМФ) и, наконец, до аденозина.

 

     Освобождение  значительной энергии при гидролизе  дало основание ввести специальный  термин для фосфорорганических веществ – макроэнергетические. Молекула АТФ содержит две высокоэнергетические (макроэнергетические) связи (рис.7).

 В химической  формуле они традиционно обозначаются  знаком ~ (тильда). В молекуле АДФ  только одна высокоэнергетическая  связь; в результате синтеза  АТФ путём окислительного фосфорилирования добавляется ещё одна, т.е. энергия окисления субстрата трансформируется в энергию химических связей в молекуле АТФ.

     Энергия, освобождающаяся при реакциях гидролиза  разных веществ, обычно невелика. Если она превышает 30 кДж/моль, то гидролизуемая  связь называется высокоэнергетической. Энергия гидролиза АТФ в зависимости от локализации в клетке может меняться от 40 до 60 кДж/моль. В среднем её принято считать равной 50 кДж/моль.

     В таблице 2 представлены значения стандартной  энергии Гиббса гидролиза некоторых  органических фосфатов.

Таблица 2: Стандартные энергии Гиббса гидролиза бионеорганических соединений

(при  рН = 7)

 

         Из данных этой таблицы видно. Что гидролиз одних фосфатов приводит к высвобождению несколько большей энергии, чем гидролиз АТФ, других – меньшей.

     Главный путь синтеза АТФ из АДФ – окислительное  фосфорилирование. При этом АДФ фосфорилируется неорганическим фосфатом:

АДФ + H₃PO₄ + Энергия → АТФ + Н₂О

      Реакция энергетически сопряжена с переносом  водорода с восстановленных коферментов  на кислород. При этом переносе освобождается  основная часть энергии окисляемых. Энергия синтеза воды из газообразных Н₂ и О₂ составляет 230 кДж/моль. Практически столько же получается, если используется водород. Входящий в состав органических соединений. Энергетическое сопряжение реакций переноса водорода и синтеза АТФ происходит при участии митохондриальной мембраны и Н⁺ - АТФ-синтетазы.

      Другой  путь синтеза АТФ из АДФ – субстратное  фосфорилирование. В этом случае механизм сопряжения не требует участия мембран.

      Сущность  же гидролиза заключается в переносе фосфатных групп от соединений, которые  при гидролизе выделяют больше энергии, чем АТФ, к фосфорилированным соединениям, выделяющим меньше свободной энергии при гидролизе, чем АТФ.

      Следовательно, АТФ функционирует в клетках  как промежуточный продукт, переносящий  энергию и сопрягающий реакции, сопровождающиеся выделением и потреблением энергии.

R¹-фосфат

АТФ

      При расщеплении сложных органических соединений, например при окислении  глюкозы – клеточного топлива, в  клетках выделяется большое количество энергии. Значительная её часть запасается благодаря сопряжённому синтезу  АТФ и АДФ и неорганического  фосфата (Рис.8). При участии специфичного фермента – фосфотрансферазы –  фосфатная группа от фосфорорганического соединения R1 – фосфат с более высокой, чем АТФ, энергией, переносится через АДФ. Это приводит к образованию АТФ:

R₁-фосфат + АДФ ® R₁H + АТФ

R²-фосфат

      АТФ, в свою очередь, под действием  другого фермента переносит концевую фосфатную группу на молекулы органических соединений с меньшей энергией, чем  АТФ, тем самым запасая в них  энергию. При этом вновь образуется АДФ:

R₂H + АТФ ® R₂-фосфат + АДФ,

где R₁-фосфат – фосфорорганическое соединение с более высокой энергией, чем АТФ; R₂-фосфат – фосфорорганическое соединение с более низкой энергией, чем АДФ.

      Энергия гидролиза АТФ в свою очередь  используется для обеспечения разнообразных  эндергонических процессов. Реакция  фосфорилирования АДФ и последующего использования АТФ в качестве источника энергии образует циклический  процесс:

 

Энергия окисляемых веществ

 

АТФ+Н₂О

АДФ+Н₃РО₄

Энергия.

Эндергонические синтезы (химическая работа)

Трансмембранная разность концентраций (осмотическая работа)

Трансмембранный электрический потенциал (электрическая работа)

Мышечное

сокращение 

(механическая работа)

Особенности почвенного гидролиза  и его значение.

           Почва - уникальная природная система. Главное свойство почвы - неразрывная связь входящих в нее живых и неживых компонентов. Состав почвы весьма сложен. В ней имеется не только твердая фаза, но также жидкая (почвенный раствор) и газовая (почвенный воздух). Почвенные растворы являются растворами целой массы самых разнообразных веществ - электролитов и неэлектролитов, и коллоидов.

           Почва образуется и функционирует как система при сочетании взаимообусловленной жизнедеятельности разных групп организмов. Одной из важных химических функций почв является обмен катионов и анионов, благодаря которому минеральные удобрения и микроэлементы становятся доступными для растений. Когда ионы калия (К⁺), магния (Мg²⁺), кальция (Са²⁺) и других металлов вбираются корнями растений, ион водорода обменивается на ион металла, при этом происходит увеличение кислотности почвы:

           Почва: Са²⁺ + 2СО₂ + 2Н₂О

           Почва: Н⁺, Н⁺ +Са²⁺ (корни) + 2НСО₃^-.

Почва выступает  как буфер и сопротивляется изменениям рН. Однако буферная способность существенно  зависит от типа почвы. Для почв, бедных известняком, она практически  отсутствует; действие кислотных дождей на такие почвы оказывается пагубным, ионообменные процессы нарушаются.

При большом  подкислении почвы происходит также  переход металлов из оксидов в  раствор, а среди них могут  быть и такие токсичные для  растений металлы, как цинк, железо, марганец и алюминий:

        Почва: Н⁺, Н⁺ +ZnО

       Почва: Zn²⁺ +Н₂О.

            Повышение кислотности заболоченных почв приводит к выделению Н₂S, крайне токсичного для растений и многих полезных микроорганизмов. Реакция катализируется микроорганизмами, а роль восстановителя играют органические вещества:

SО₄^2- + 2СН₂O + 2Н⁺+ Н₂S +2СО₂ +2Н₂O.

Понижение кислотности  почвы требует затрат и может  быть достигнуто введением карбоната  кальция:

      Почва: Н⁺ + СаСО₃

      Почва: Сa²⁺+ СО₂ +Н₂O

 

            Щелочность почвенного раствора вызывается присутствием в почвах не свободных щелочей, а солей слабых кислот и сильных оснований. Из таких солей самое большое распространение имеет в почвах карбонат кальция, но его растворимость, как такового, настолько мала, что о вредном действии его растворов на растения не может быть и речи. Другие щелочные соединения почвы могут быть разбиты на две группы:

    1) гуминовокислые щелочи, кремниевокислые щелочи и нормальные карбонаты щелочных металлов,

    2) двууглекислые щелочные соли. Соли, входящие в первую группу, имеют то общее, что все они в водных растворах сильно гидролизуются с освобождением иона ОН^-.

           Поэтому к действию их на растения как таковых присоединяется еще действие сильно ядовитого иона ОН^-, который нейтрализуется подкислением почв. Двууглекислые щелочные соли, вследствие очень слабой своей электролитической диссоциации, мало оказывают на растения побочного вредного влияния и этим приближаются к СаСО₃.

           В главных фосфорных удобрениях фосфорная кислота содержится преимущественно в виде кальциевых солей, причем в апатите, фосфорите, томасшлаке и костяной муке находится трехкальциевый фосфат, а в суперфосфатах - свободная фосфорная кислота, одно - и двухкальциевые фосфаты.

          Трехкальциевый фосфат – Са₃ (РО₄)₂ в воде почти нерастворим, но благодаря тому, что это вещество является солью слабой кислоты и относительно сильного основания, те ничтожные следы, которые оказываются в почвенном растворе, подвергаются гидролизу, вследствие чего равновесие в растворе нарушается, в воду переходит новое количество соли, которое снова гидролизуется и т.д., так что в конце концов в растворе оказывается количественно определимая величина фосфорной кислоты. Гидролиз Са₃ (РО₄)₂ будет идти до известного предела, а именно до тех пор, пока между ионами Са²⁺ и РО₃^-, с одной стороны, и продуктами гидролиза Са²⁺, ОН^-, НРО₄^2-, Н₂ РО₄^- и Н₃РО₄, с другой стороны, не установится равновесие. Таким образом, увеличивая концентрацию одного из продуктов гидролиза Са₃ (РО₄)₂, мы тем самым уменьшим количество фосфорной кислоты, переходящей в почвенный раствор из этой соли, и, наоборот, уменьшая концентрацию какого-либо из этих продуктов, мы увеличим это количество. Например, присутствие СаСО₃, СаО или Са(ОН)₂ с Са₃ (РО₄)₂ увеличивает концентрацию в почвенном растворе одного из продуктов гидролиза Са₃ (РО₄)₂, что влечет за собой уменьшение концентрации фосфорной кислоты в растворе и усвоение фосфорных удобрений растениями. В противоположность этому гидролиз FеРО₄ понижает концентрацию ионов ОН^-, что увеличивает количество фосфорной кислоты, переходящей в почвенный раствор.

          Таким образом, почвенный гидролиз солей - эффективный регулятор количества растворимых форм полезных элементов в почвенном растворе и процессов обмена ионами между почвой и растениями.

Заключение.

       Рассмотренные примеры доказывают колоссальную роль гидролиза в процессах жизнедеятельности организма: На нём основываются процессы питания и выделения, поддержания гомеостаза (постоянства среды) и перераспределения энергии. Процесс гидролиза применяют для получения ценных веществ из древесины, жиров, эфиров. Особенно важную  роль гидролиз играет в жизнедеятельности организмов. При гидролизе аденозинтрифосфата (АТФ) высвобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности организмов.

       Без ферментативного гидролиза не могли бы усваиваться белки, жиры, полисахариды, так как всасываться в кишечнике способны относительно небольшие молекулы. Например, усвоение дисахаридов и полисахаридов становится возможным лишь после их полного гидролиза  ферментами до моносахаридов.  

Список  использованной литературы:

 

1. Николаев А. Я. Биологическая химия – М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 1998.

2. Глинка Н. Л. Общая химия. Изд.19-е. «Химия», 1977.

3. Степаненко Б. Н. Курс органической химии. 3-е издание. М.: Высшая школа, 1979

4. Большая медицинская энциклопедия. М.:«Советская энциклопедия», 1979.

5. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. М.: Высшая школа, 1993 г.

6. Для подготовки  данной работы  были также использованы  материалы с сайта  http://www.5ka.ru