Химия, энергетика и метаболизм.

Обмен веществ организмов неразрывно связан с обменом и преобразованием энергии, т.е. обмен веществ невозможен без сопутствующего обмена энергии. Различные стороны проявления жизни требуют затрат энергии,

организм нуждается в притоке энергии извне. Обмен энергии включает процессы высвобождения, трансформации, накопления и использования энергии, образующейся при распаде питательных веществ в организме. Каждая органическое вещество, которое входит в состав живой материи, имеет определенный запас потенциальной энергии, за счет которой может быть совершена работа.

Раздел биохимии, занимающийся изучением преобразования и использования энергии в живых клетках, называется «биоэнергетика». Энергия известна нам в разных формах: электрической, механической, тепловой, химической, осмотической, световой и др.. Преобразование энергии в живой клетке подчиняется тем же законам термодинамики, которые действуют в неживой природе. Существует два основные законы термодинамики. Согласно первому закону различные виды энергии могут превращаться друг в друга, но общее количество энергии во Вселенной остается постоянной. Количество общей энергии в любой системе может увеличиваться или уменьшаться за счет энергии окружающей среды. Первый закон - это закон сохранения энергии. Его можно сформулировать и так: энергия не возникает и не исчезает, она может переходить только в другие формы. Каждый раз, когда энергия используется для выполнения работы или переходит из одной формы в другую, общее количество энергии остается неизменным.

Согласно второму закону энергия может существовать в двух формах: в форме свободной или полезной и в форме бесполезна (рассеиваемой), которая не используется. По этому закону при любом физическом или химическом явлении наблюдается тенденция к уменьшению свободной энергии, к ее рассеяния и увеличению энтропии.

Любая ограниченная система может находиться по отношению к окружающей среде в трех различных состояниях: 1) открытая система, если в ней происходит обмен веществ и энергии со средой, 2) закрытая система, где обмен веществ со средой отсутствует, но присутствует обмен тепловой энергии, 3) изолированная система, когда со средой нет обмена ни веществом, ни энергией. Последние две системы называются также замкнутыми.

В основе всех процессов жизнедеятельности лежит постоянный обмен веществ и энергии между организмом и окружающей средой, поэтому все живые организмы относятся к открытым системам.

Соотношение между количеством энергии, поступающей с пищей, и количеством энергии, выделяется во внешнюю среду, представляет собой энергетический баланс организма. Изучение этого баланса имеет важное теоретическое и практическое значение. Количественное изучение энергетического баланса предоставляет материал для расчетов пищевых рационов.

Для дальнейшего изучения раздела необходимо упомянуть понятие полезной энергии. Существуют две разновидности полезной энергии: свободная и тепловая.

Свободная энергия. Важнейшим показателем энергетического эффекта - КПД реакции - является изменение величины свободной энергии. Количество энергии, при определенной температуре и давлении может быть превращена в работу, называется свободной энергии. Изменения свободной энергии обозначают так: AF. Количественное значение AF выражают в килокалориях, или кДж на 1 моль вещества. Величина AF - это разница между количеством общей свободной энергии в начале реакции и ее количеством в момент достижения равновесия. Химические реакции обычно протекают или с выделением энергии, или с ее поглощением. Если реакция идет с выделением энергии, то она сопровождается потерей или уменьшением свободной энергии; такие реакции называют екзергоничнимы (экзотермические). Реакция этого типа имеет отрицательное значение AF (-AF) и может осуществляться самовольно. К такому типу реакций, например, относятся реакции гидролиза. Распад сложных веществ на более простые, как правило, сопровождается уменьшением свободной энергии. Реакции, идущие с поглощением энергии, называют ендергоничнимы (эндотермические). Они сопровождаются увеличением свободной энергии и имеют положительное значение AF (+ AF). Ендергонични реакции могут существовать только в сочетании с екзергоничнимы реакциями, т.е. увеличение свободной энергии возможно только за счет других сопряженных реакций, происходящих с уменьшением свободной энергии. Основные процессы, связанные с жизнедеятельностью организма, большинство из разновидностей клеточной работы, реакции синтеза являются ендергоничнимы, соединенными с екзергоничнимы. Ендергонични реакции в биологических системах осуществляются с участием ферментов. Клетки получают свободную энергию за счет высвобождения энергии химических связей, сосредоточенной в биологическом «топливе» (углеводах, липидах, белках и др..). Однако клетки используют эту энергию специфично.

Тепловая энергия способна осуществлять работу только при изменении температуры и давления (их перепаде). Тепло не является для клеток существенным источником энергии, поскольку тепло способно совершать работу лишь в том случае, если оно переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Совершенно очевидно, что клетка не может сжигать свое «топливо» при температуре сгорания угля (900 °). Клетке приходится добывать и использовать энергию в условиях водной среды, достаточно устойчивой и притом низкой температуры и очень незначительного колебания концентрации водородных ионов (pH). В таких условиях тепловая энергия не может использоваться для осуществления любой работы и является главным для поддержания постоянной температуры организма.

Что определят возможность протекания химических реакций в организме.

Химические реакции в живых организмах отличаются от обычных реакций двумя особенностями: высокой эффективностью и сложностью механизмов. Белковое окружение часто приводит к специфичному и быстрому превращению функциональных групп, по сравнению с обычными молекулами.

В силу большого размера биологически активных молекул, расчет полных поверхностей потенциальной энергии и точное решение задач квантовой динамики ядер для этих молекул невозможны, поэтому актуальна задача разработки моделей внутримолекулярной динамики. Эти модели должны быть простыми для того, чтобы допускать разумное численное решение, но вместе с тем достаточно развитыми для того, чтобы отражать основные аспекты биохимических превращений.

Одной из основных химических реакций, протекающих в человеческом организме и обеспечивающих его жизнедеятельность, является метаболизм — реакция, осуществляющаяся в результате действия ферментов. Ферменты — это биохимические катализаторы. Ферменты необходимы организму для нормальной жизнедеятельности. Ни одна химическая реакция в живом организме не протекает без участия ферментов.

Гликозидаза, пространственная структура в виде (β/α)8-бочонка[Wikipedia]

Обмен веществ в человеческом организме происходит при кислотно-щелочном равновесии. Но химически это равновесие не нейтральное, а слабощелочное. В теле существует много локальных зон, где превалирует кислота. Например, пищеварительный тракт: ото рта и до заднего прохода, в пищеварительном тракте поочередно преобладает либо щелочная, либо кислая среда. Если среда слюны слабокислая или нейтральная, то желудочный сок кислый.

Если в желчи и поджелудочном соке преобладает щелочная среда, то среда в тонкой кишке тоже щелочная, а в толстой кишке соблюдается нейтральный баланс (если человек правильно питается).

Адсорбция. Это физико-химическое явление знакомо каждому, хотя не все знают его правильное название. Явления адсорбции играют важную роль в жизнедеятельности всех животных организмов. Роль адсорбции обусловлена наличием в организме поверхности клеток, стенок сосудов, коллоидных частиц протоплазмы, клеточных ядер и вакуолей, а также поверхности раздела между организмом и средой. Примером адсорбционных процессов в человеческом организме служат адсорбционные возможности эритроцитов крови.

Явление адсорбции можно легко воспроизвести на практике. Для этого опыта понадобится слабый раствор чернил и толченый активированный уголь. В стеклянную емкость налейте чернильный раствор, затем добавьте уголь, закройте пробирку и встряхните ее. Раствор чернил значительно посветлеет. Для проведения опыта используйте также раствор гуаши или акварели – полученный результат не будет отличаться от предыдущего. Если заменить активированный уголь на древесный уголь, процесс адсорбции будет проходить значительно слабее. Активный уголь имеет большую поверхность и поры, повышающие его свойства к поглощению. Адсорбент поглощает вещества из растворов и других субстанций.

Каталитическая химическая реакция. Ни один биологический процесс, протекающий с участием живых организмов, не обходит стороной каталитические реакции. Примеры жизненно важных процессов: синтез из аминокислот белков, специфичных для организма; расщепление жиров, белков, углеводов.

Катализатор — это химическое вещество, которое способно менять скорость взаимодействия, но само в ней не участвует. Когда с помощью катализатора происходит ускорение процесса, то это положительный катализ. Если добавляемое в процесс вещество снижает скорость реакции, то это ингибитор. В качестве катализаторов выступают многие вещества периодической системы химических элементов Менделеева и их соединения. Наиболее распространенные ускорители: платина, железо, никель, кобальт, оксиды марганца, алюмосиликаты. Механизм катализа при взаимодействии кислот и оснований состоит в том, что происходит обмен между взаимодействующими веществами и катализатором положительными ионами (протонами). При этом происходят внутримолекулярные превращения. По указанному типу происходят реакции:

• дегидратации (отщепления воды);

• этерификации (образования сложного эфира из спиртов и карбоновых кислот);

• гидратации (присоединения молекул воды);

• поликонденсации (образования полимера с отщеплением воды).

Общая формула поликонденсации[Wikipedia]

Теория катализа объясняет возможные побочные превращения. В случае гетерогенного катализа ускоритель процесса образует самостоятельную фазу, каталитическими свойствами обладают некоторые центры на поверхности реагирующих веществ либо задействуется вся поверхность.