Основные реакции биоорганических соединений, протекающие в организме

Реакции гидролиза

В общем случае под гидролизом понимают реакции разложения вещества водой (от греч. «hydor» — вода и «lysis» — разрушение).

Гидролиз — частный случай сольволиза (взаимодействия растворенного вещества и растворителя).

Гидролизу могут подвергаться химические соединения различных классов: белки, жиры, углеводы, эфиры, соли.

В неорганической химии чаще всего встречаются с гидролизом солей.

Например, при гидролизе NaHC0₃ (питьевая сода):

процесс заключается в переходе протона от Н2О к аниону НСО" з и защелачивании среды. Этот эффект используют для уменьшения кислотности желудочного сока (при изжоге).

При гидролизе NH₄C1 (нашатырь):

протон переходит от катиона NH% к Н2О.

В общем виде гидролиз биоорганических соединений описывается уравнением.

где R|, R₂ — фрагменты (радикалы) биоорганической молекулы, связанные через кислород (эфирная связь). В результате молекула расщепляется на два энольных соединения: Ri-OH и R₂-OH.

Роль гидролиза в процессах жизнедеятельности трудно переоценить. Прежде всего необходимо отметить ферментативный гидролиз, благодаря которому три основных компонента пищи — жиры, белки, углеводы — в желудочно-кишечном тракте расщепляются водой на более мелкие фрагменты. Без этого процесса не было бы возможно усвоение пищевых продуктов, так как всасываться в кишечнике способны только относительно небольшие молекулы.

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.

Для роста и нормального функционирования всем животным необходима энергия. Человек получает энергию как за счет многостадийного процесса окисления пищи — белков, жиров и углеводов, так и за счет гидролиза некоторых сложных эфиров, амидов, пептидов и гликозидов. Однако главным источником энергии для многих биологических процессов — биосинтеза белка, ионного транспорта, сокращения мышц, электрической активности нервных клеток — является аденозилтрифосфат (АТФ).

АТФ принадлежит к бионеорганическим соединениям, так как состоит из органической части — аденозила и неорганической части — трех связанных в цепь фосфатных групп:

Энергия, необходимая для жизнедеятельности, высвобождается вследствие гидролиза АТФ. При pH > 7,0 АТФ существует в виде аниона АТФ⁴", так как все фосфатные группы при этом значении pH ионизированы. Гидролиз АТФ записывают в виде кислотно-основного равновесия:

где АДФ³~ - анион аденозилдифосфата.

Реакция сопровождается убылью энергии, запасенной в АТФ. Гидролиз может идти и дальше, до образования аденозил монофосфата (АМФ) и, наконец, до аденозина (в дальнейшем будет также употребляться латинское написание: АТР, ADP, АМР и т. д.).

Освобождение значительной энергии при гидролизе дало основание ввести специальный термин для фосфорорганических веществ — «макроэргические». В табл. 4.1 представлены значения стандартной энергии Гиббса гидролиза некоторых органических фосфатов. Из данных, приведенных в таблице, видно, что по величине энергии, высвобождающейся при гидролизе, АТФ занимает промежуточное положение среди других фосфорилированных соединений. Почему же, несмотря на это, АТФ является главной энергетической «валютой» для живых организмов? Оказывается, именно такое значение AG° позволяет АТФ служить эффективным переносчиком фосфатных групп от соединений, которые при гидролизе выделяют больше энергии, чем АТФ, к фосфорилированным соединениям, выделяющим при гидролизе меньше свободной энергии.

Таблица 4.1.

Стандартные энергии Гиббса гидролиза бионеорганических соединений (при pH 7).

Рис. 4.1. Энергетическая диаграмма превращения энергии Гиббса в клетке

Следовательно, АТФ функционирует в клетках как промежуточный продукт, переносящий энергию и связывающий реакции, которые сопровождаются выделением и потреблением энергии.

При расщеплении сложных органических соединений, например при окислении глюкозы — клеточного топлива, в клетках выделяется большое количество энергии. Значительная часть этой энергии запасается благодаря сопряженному синтезу АТФ и АДФ и неорганического фосфата (рис. 4.1). При участии специфичного фермента — фосфотрансферазы — фосфатная группа от фосфорорганического соединения R|-фосфата с более высокой, чем у АТФ, энергией переносится через АДФ. Это приводит к образованию АТФ:

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.

где Кз-фосфат — фосфорорг аническое соединение с более низкой энергией, чем у АТФ.

В таких реакциях переноса фосфатных групп практически всегда посредником является АТФ, так как в клетках нет специфичных ферментов, способных сразу произвести перенос фосфатных групп от высокоэнергетических соединений к низкоэнергети чес к и м.

Таким образом, промежуточное значение свободной энергии гидролиза АТФ очень важно для его биологической функции и делает это соединение незаменимым переносчиком энергии, обеспечивающим круговорот энергии в клетке.