Измерения в сложных средах

Вторую группу отраслей в Табл. 9.7 объединяет один признак — ОВП в соответствующих средах задается ОВ системой

(системами), чей состав остаётся неизвестным. Однако, эта не- определённость не мешает тому, чтобы ОВП оставался фактором среды, наряду с pH контролирующим направление и саму возможность прохождения ОВ процессов в данной среде при данных условиях. Величина ОВП показывает, в каком состоянии — окисленном или восстановленном — преимущественно находятся компоненты веществ, существующих в растворе.

ОВ процессы в биологии и медицине

[1]

Здесь мы покажем роль ОВ реакций в биологических процессах, сосредоточив внимание на химическом и термодинамическом (энергетическом) аспектах, по возможности избегая описания чисто биологических фактов и явлений.

Биологические системы принадлежат к числу открытых систем, обменивающихся с внешней средой веществом и энергией. Жизнь поддерживается постоянным притоком энергии (пищи, света). «Живые» системы отличаются от «неживых» тем, что они находятся в состоянии устойчивого не равное ecu я[2], поддерживаемого извне. Соблюдается Принцип устойчивого неравновесия Э.С. Бауэра: Все живые и только живые системы никогда не бывают в равновесии и постоянно исполняют за счет своей свободной энергии работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях. («Теор. биол.»). Энергия тратится в процессах жизнедеятельности и в них же освобождается энергия пищи. При этом соблюдается 1-е начало термодинамики: ещё в начале XX века экспериментально доказано, что количество энергии, поступившее в организм с пищей, равно количеству энергии, затраченной при совершении мышечной работы и выделенной при дыхании и в виде отходов жизнедеятельности.

2-е начало тоже не нарушается, но выполняется в своеобразной форме, для «большой» системы, образованной живым организмом вместе со средой. В живой системе, которая творит высокоорганизованную материю, можно сказать, из сырья, т. е. порядок из беспорядка, энтропия уменьшается, а достигнув стационарного состояния, поддерживается на минимуме. Это эквивалент принципа устойчивого неравновесия Бауэра. На языке энтропии он звучит так:

Живыми называются такие системы, которые способны самостоятельно поддерживать и увеличивать свою очень высокую степень упорядоченности в среде с меньшей степенью упорядоченности. Такие процессы являются процессами с отрицательной энтропией (негэнтропийными процессами).— Э. Либ- берт.

Первичным источником свободной энергии является солнечная энергия (см. далее). В ходе многовековой эволюции Природа создала универсальный накопитель свободной энергии и посредник в превращении энергии вещества в свободную энергию. Это аденозинтрифосфат (АТФ) — вещество с так наз. макроэргиче- ской связью, обладающей высокой энергией. Строение АТФ показано в Табл 9Л-1. Там же показано строение некоторых других биоорганических веществ. При гидролизе АТФ образуется фосфат и АДФ (аденозиндифосфат). При этом изменение свободной энергии реакции AG =—31.0 кДж моль

Другим источником энергии является трансмембранный градиент электрохимического потенциала ионов водорода, выраженный в электрических единицах:

(минус, потому что pH=-lgafr).

Эту величину П. Митчел (Нобелевская премия, 1979 г.) предложил назвать протон-движущей силой (по аналогии с электродвижущей силой). [3]

Таблица 9Л-1

Строение некоторых биооргэпических веществ

Химическое название и функция

Структурная формула

АТФ аденозинтрифосфорная кислота.

Её анион АТФ!+ является универсальным и самым распространённым хранителем и передатчиком энергии в клетках.

NADH -

Н икотинам идаден и иди нуклеотид Red-форма. Сильный восстановитель.

NAD+ — Ox-форма. Сильный окислитель.

Система участвует в дыхательной цепи и мн.др. биопроцессах.

Те же роли исполняют NADPH и NADP+, где Р — POj~.

Убихинон,

кофермент Q, 0Ш (/7= 10). Red-форма — восстановитель, Ox-форма, -окислитель. Система участвует в дыхательной цепи и мн. др. биопроцессах.

Пластохинолилдецилтрифенил

фосфоний.

В хинольной форме — антиоксидант, адресованный в митохондрии и защищающий их от разрушения при воздействии АФК — активными формами кислорода.

Препарат SkQl Скулачёва.

Упомянутые процессы ввода и расходования вещества и энергии — лишь начало и результат того, что в биологии называется метаболизм. «Метаболйзм (от греч. МетароАр — превращение, изменение), или обмен веществ — набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Эти процессы позволяют организмам расти и размножаться, сохранять свои структуры и отвечать на воздействия окружающей среды....Обмен веществ происходит между клетками организма и межклеточной жидкостью, постоянство состава которой поддерживается кровообращением...». (Википедия).

Там же мы находим следующие термины, используемые в биологии, которые понадобятся нам в дальнейшем.

Химические реакции, участвующие в метаболизме, имеют каталитический характер. Биологическими катализаторами являются ферме нты, или энзимы (от лат. fermentum, греч., ev^upov — закваска). Обычно это белковые молекулы... или их комплексы. Реагенты в реакции, катализируемой ферментами, называются субстратами, а получающиеся вещества— продуктами. Ферменты специфичны к субстратам

Есть ферменты, которым для осуществления катализа необходимы компоненты небелковой природы — кофакторы, которые могут быть как неорганическими молекулами (ионы переходных металлов Fe, Mn, Си, etc.; железо-серные кластеры и др.), так и органическими (например, флавин или гем). Органические кофакторы, прочно связанные с ферментом, называют также простетическими группами. Кофакторы органической природы, способные отделяться от фермента, называют ко- ферментами ( коэнзимами ).

Коферменты — небольшие молекулы, специфически соединяясь с белками, образуют активную часть фермента.

Гемы (от др.-греч. уща— «кровь»)— комплексные соединения порфиринов с двухвалентным железом, несущие один или два аксиальных лиганда

Цитохромы (гемопротеины) — это маленькие глобулярные белки (в первом приближении их структура может быть представлена в виде шара или вытянутого эллипсоида), которые содержат ковалентно связанный гем, расположенный во внутреннем кармане, образованном аминокислотными остатками.

Флавин (лат. Flavus— желтый)— общее название группы органических соединений, образующихся на основе трициклической гетероциклической молекулы изоаллоксазина.

Химические реакции разнообразны; каждому типу реакции соответствует свой специфический фермент. Существует соглашение о правилах названия этих ферментов. Обычно ферменты именуют по типу катализируемой реакции, добавляя суффикс аза к названию процесса, происходящего при совершении реакции (Табл. 9Л-2).

Таблица 9Л-2

Типы реакций и названия соответствующих ферментов

Тип реакции

Название фермента — катализатора этой реакции

Г идролиз

Г идролаза

Изомеризация

Изомеразы

Перенос групп одного вещества к другому Перенос фосфатной группы, обычно с участием АТФ (фосфорилирование).

Трансферазы

Киназы

Расщепление двойной связи или присоединение по кратной связи

Лиазы

Конденсация и присоединения, связанные с гидролизом пирофосфатных связей АТФ

Сиитетазы, синтазы

О В реакции

Окисление, в том

числе с участием кислорода

Оксидазы

если в качестве окислителя выступает NADal

Дегидрогеназы

Восстановление

Редуктазы

если в качестве восстановителя выступает NADH

Гидрогеназы

Примечание:

а) NAD — кофермент никотинамидадениннуклеотид, окисленная форма которого обозначается NAD", а восстановленная NADH, т. е. формально присоединяется Н , образующийся при диспропорционировании 2 Н -* Н + Н+. Эти вещества являются универсальными биохимическими окислителем и восстановителем, соответственно.

Важнейшие биохимические процессы осуществляются через сложные и разветвлённые цепи химических реакций, в которых конечные продукты предыдущих реакций являются исходными веществами последующей реакции. При этом осуществляется постепенный, «мягкий» переход к веществам, характеризуемым всё более низкой свободной энергией. Часть этих реакций идёт самопроизвольно^AG <0, экзэргонические), часть несамопроизвольно (AG >0, эндэргонические), за счёт первых.

Главной целью метаболизма является превращение энергии, заключенной в веществе, в свободную энергию, которую организм мог бы использовать для совершения, например, работы и прочих действий.

Проследим за превращениями энергии и вещества в таких взаимосвязанных процессах, как фотосинтез, гликолиз, дыхание (брожение), окислительное фосфорилирование.

  • [1] При написании этого раздела использовались, помимо упомянутыхв начале главы: И. Тиноко, К. Зауэр, Дж. Вэнг, Дж. Паглиси. Физическая химия.Принципы и применение в биологических науках. М.: Техносфера, 2005. В. П. Скулачёв, А. В. Богачёв, Ф. О. Каспаринский. Мембранная биоэнергетика. Изд-во МГУ. 2010 (СкБК). Определения биологических терминов взяты из Википедии.
  • [2] Этот термин принадлежит одному из основателей теоретическойбиологии Э. С. Бауэру (1890-1938). См. о нём в Интернете.
  • [3] Штрих в ДС?" символизирует то, что используется биохимическаяшкала стандартных величин, т. е. pH = 7, концентрации 1 моль/л, но раствор считают идеальным.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >