Біологічна роль гідролізу в процесах життєдіяльності організму. АТФ.
Гідроліз (грец. Hydor вода + lysis розкладання) - розкладання речовин, що проходить з обов'язковою участю води і протікає за схемою:
AB + H-OH → AH + BOH
Реакції гідролізу піддаються самі різні речовини. Так в процесі травлення високомолекулярні речовини (білки, жири, полісахариди та ін.) Піддаються ферментативному гідролізу з утворенням низькомолекулярних сполук (відповідно, амінокислот, жирних кислот і гліцерину, глюкози і ін.).
Без цього процесу не було б можливим засвоєння харчових продуктів, так як висмоктувати в кишечнику здатні тільки відносно невеликі молекули. Так, наприклад, засвоєння полісахаридів і дисахаридів стає можливим лише після повного їх гідролізу ферментами до моносахаридів. Точно так же білки і ліпіди гідролізуються до речовин, які лише потім можуть засвоюватися. Розглянемо основні реакції гідролізу, що протікають в організмі.
Гідроліз білків. Білкові речовини становлять величезний клас органічних, тобто вуглецевих, а саме вуглецево азотистих сполук, неминуче зустрічаються в кожному організмі. Роль білків в організмі величезна. Без білків або їх складових частин - амінокислот - не може бути забезпечено відтворення основних структурних елементів органів і тканин, а також утворення низки найважливіших речовин, як, наприклад, ферментів і гормонів. Білки їжі перш, ніж бути використані для побудови тканин тіла, попередньо розщеплюються. Організмом використовується для живлення не сам харчової білок, а його структурні елементи - амінокислоти і, може бути, частково найпростіші пептиди, з яких потім в клітинах синтезуються специфічні для даного виду організму білкові речовини.
Кожен вид організму, кожен орган і кожна тканина містять свої характерні білки, і при засвоєнні чужорідних білків їжі організм перш за все позбавляє їх видовий специфічності. Перед тим, як бути засвоєними білки повинні бути розкладені на індиферентний матеріал. Розкладання білкових речовин на більш прості, позбавлені видової специфічності з'єднання, здатні всмоктуватися в кров через стінки кишечника, здійснюється в травних органів людини і тварин шляхом послідовного гідролізу під дією ряду ферментів.
У порожнині рота білки ніяким змінам не піддаються, так як до складу слини необхідні для цього протеолітичні ферменти не входять. Перетравлення білків починається в шлунку.
У шлунково-кишковому тракті харчові білки розпадаються на амінокислоти за участю травних протеолітичних ферментів - пептидогидролаз. Ця група ферментів що розрізняються за субстратної специфічності: кожен з цих ферментів переважно (тобто з найбільшою швидкістю) гідролізує пептидні зв'язки (рис.1), утворені певними амінокислотами. В результаті спільної дії всіх травних пептидогидролаз білки їжі повністю розпадаються на амінокислоти. Таким шляхом організм отримує мономери для синтезу власних білків.
У шлунку перетравлення (т. Е. Гідролітичні розщеплення) відбувається при дії протеолітичної ферменту пепсину; істотну роль в цьому процесі відіграє соляна кислота, за рахунок якої шлунковий сік має низьке значення pH (1-2). Під дією цієї кислоти виділяється головними клітинами шлункових залоз білок пепсиноген перетворюється на пепсин. HCl каталізує цей процес, в ході якого відщеплюється частина молекули і утворюється активний центр. Сам пепсин каталізує процес своєї освіти, т. Е. Є автокатализаторов.
Пепсин гідролізує пептидні зв'язки, віддалені від кінців пептидного ланцюга (тому пепсин відносять до ендопептідазу). При цьому білки розпадаються на поліпептиди, вільні амінокислоти практично не утворюються.
Перетравлення білків завершується у верхньому відділі тонкого кишечника під дією ферментів підшлункової залози і клітин кишечника. Ці клітини продукують ряд проферментов (трипсиноген, хімотріпсіноген, прокарбопептідази А і В, проеластази). Після каталітичного освіти в профермент активного центру і відщеплення частини молекул, ці білки перетворюються відповідно в ферменти: Трипсин, хімотрипсин, Карбопептідази А і В і еластази.
Трипсин, хімотрипсин і еластаза - ендопептідази - гидролизуют зв'язку, що лежать ближче до середини поліпептидного ланцюга. Продуктами їх дії є, в основному, пептиди, але утворюється і ряд амінокислот.
Карбопептідази - екзопептідази. Вони гідролізують пептидних зв'язок, утворену кінцевим амінокислотним залишком. Карбопептідаза А отщепляет переважно кінцеві амінокислоти з гідрофобним радикалом, а карбоксипептидаза В - залишки лізину і аргініну.
Останній етап перетравлювання відбувається за участю ферментів, синтезованих клітинами кишечника - аминопептидаз і дипептидаз. Перші отщепляют кінцеві амінокислоти від пептидів, другі гидролизуют дипептиди.
Таким чином, перетравлювання харчових білків - суть, послідовність реакцій гідролізу, що каталізує поруч ферментів.
Гідроліз - також основа синтезу сечовини, що протікає по рівнянню:
Даний процес каталізується ферментом аргінази, причому можливий і зворотний процес - синтез аргініну з орнитина (Цикл Кребса-Гензелейта).
Вуглеводи їжі в травному тракті розпадаються на мономери при дії гликозидаз - ферментів, які каталізують гідроліз глікозидних зв'язків (рис.2) в полисахаридах.
Перетравлення починається вже в ротовій порожнині: в слині міститься фермент амілаза (# 945;
1,4 - глікозідаза), що розщеплює # 945;
1,4 Глікозидний зв'язку. Оскільки їжа в ротовій порожнині перебуває недовго, то крохмаль тут перетравлюється лише частково. Основним же місцем перваріванія крохмалю служить тонкий кишечник, куди надходить амілаза в складі соку підшлункової залози. Амілаза НЕ гідролізують Глікозидний зв'язок в дисахарид, тому основним продуктом дії кишечнику амілази є дисахарид мальтоза.
З тих глюкозних залишків, які в молекулі крохмалю з'єднані 1,6-гликозидной зв'язком, утворюється дисахарид изомальтоза. Крім того, з їжею в організм надходять дисахариди сахароза і лактоза (рис.3), які гідролізуються специфічними глікозідазамі - мальтаза, ізомальтаза, лактазой і сахараза відповідно.
Продукти повного гідролізу вуглеводів - глюкоза, галактоза і фруктоза - через клітини кишечника надходять в кров.
Гідроліз жирів У 12-палої кишки надходить жовч і сік підшлункової залози, необхідні для переварювання жирів. У соку підшлункової залози міститься фермент ліпаза, що каталізує гідроліз складноефірний зв'язку в тріацілгліцеріни. Оскільки жири нерозчинні у водних середовищах, а ліпаза нерозчинні в жирах, гідроліз відбувається лише на поверхні розділу цих фаз і, отже, швидкість перетравлювання залежить від площі цієї поверхні.
У складі жовчі містяться Кон'югований жовчні кислоти (Рис.5) - глікохолевой і таурохолевая. Ці кислоти володіють амфіфільних властивостями. На поверхні розділу жир-вода вони орієнтуються таким чином, що гідрофобна циклічна частина виявляється зануреною в жир, а гідрофільна бічний ланцюг - у водну фазу. В результаті утворюється стабільна емульсія.
Під дією ліпази йде гідроліз жирів, у ході якого жирні кислоти відщеплюються від тріацілгліцеріна одна за одною, спочатку від # 945; -вуглецевого атомів, потім - від # 946; -вуглецевого атома (Рис. 6)
Утворені в процесі перетравлення їжі речовини-мономери, вступають в ряд реакцій. У багатьох з них вони окислюються, і енергія, що виділяється при цьому окисленні, використовується для синтезу АТФ з АДФ - основного процесу акумулювання енергії в живих організмах. Ця енергія необхідна для росту і нормального функціонування організму. Людина отримує її як за рахунок многостадийного процесу окислення їжі - білків, жирів і вуглеводів, так і за рахунок гідролізу деяких складних ефірів, амідів, пептидів і глікозідоа. Однак головним джерелом енергії для багатьох біологічних процесів - біосинтезу білка, іонного траспорту, скорочення м'язів, електричної активності нервових клітин - є аденозинтрифосфат (АТФ).
АТФ (Аденозинтрифосфорная кислота) належить до біонеорганічної з'єднанням, так як складається з органічної частини - аденозину і неорганічної частини - трьох пов'язаних в ланцюг фосфатних груп. При рН ³ 7,0 АТФ існує у вигляді аніону АТФ 4. так як всі фосфатні групи при цьому значенні водневого показника іонізовані.
Гідроліз АТФ записують у вигляді кислотно-лужної рівноваги ::
АТФ 4 + Н 2 О Û АДФ 3- + НРО4 2 + Н +
DG о = -30,5 кДж / моль,
де АДФ 3 - аніон аденозідіфосфата.
Як видно, гідроліз соповождается спадом енергії Гіббса
(DG о = -30,5 кДж / моль). Гідроліз може йти і далі до освіти аденозинмонофосфата (АМФ) і, нарешті, до аденозину.
Звільнення значної енергії при гідролізі дало підставу ввести спеціальний термін для фосфоорганіческіх речовин - макроенергетіческіе. Молекула АТФ містить дві високоенергетичні (макроенергетіческіе) зв'язку (рис.7).
У хімічній формулі вони традиційно позначаються знаком
(Тильда). У молекулі АДФ тільки одна високоенергетична зв'язок; в результаті синтезу АТФ шляхом окілітельного фосфорилювання додається ще одна, тобто енергія окислення субстрату трансформується в енергію хімічних зв'язків в молекулі АТФ.
Енергія, що звільняється при реакціях гідролізу різних речовин, зазвичай невелика. Якщо вона перевищує 30 кДж / моль, то гідролізуемая зв'язок називається високоенергетичної. Енергія гідролізу АТФ в залежності від від локалізації в клітині може змінюватися від 40 до 60 кДж / моль. В середньому її прийнято вважати рівною 50 кДж / моль.
У таблиці 2 представлені значення стандартної енергії Гіббса гідролізу деяких органічних фосфатів.
Таблиця 2: Стандартні енергії Гіббса гідролізу біонеорганічної з'єднань
З даних цієї таблиці видно. Що гідроліз одних фосфатів призводить до вивільнення дещо більшою енергії, ніж гідроліз АТФ, інших - меншою.
Головний шлях синтезу АТФ з АДФ - окисне фосфорилювання. При цьому АДФ фосфорилюється неорганічним фосфатом .:
Реакція енергетично пов'язана з переносом водню з відновлених коферментів на кисень. При цьому перенесення звільняється основна частина енергії, що окисляються. Енергія синтезу води з газоподібних Н2 і О2 становить 230 кДж / моль. Практично стільки ж виходить, якщо використовується водень. Що входить до складу органічних сполук. Енергетичне пару реакцій перенесення водню і синтезу АТФ відбувається за участю мітохондріальної мембрани і Н + -АТФ-синтетази.
Інший шлях синтезу АТФ з АДФ - субстратне фосфорилювання. У цьому випадку механізм пари не вимагає участі мембран.
Сутність же гідролізу полягає в перенесенні фосфатних груп від сполук, які при гідролізі виділяють більше енергії, ніж АТФ, до фосфорілірованним з'єднанням, що виділяють менше вільної енергії при гідролізі, ніж АТФ.
Отже, АТФ функціонує в клітинах як проміжний продукт, переносить енергію і сполучаються реакції, що супроводжуються виділенням і споживанням енергії.
При розщепленні складних органічних сполук, наприклад при окисленні глюкози - клітинного палива, в клітинах виділяється велика кількість енергії. Значна її частина запасається завдяки сполучених синтезу АТФ і АДФ і неорганічного фосфату (Рис.8). За участю специфічного ферменту - фосфотрансферази - фосфатна група від фосфоорганіческіх з'єднання R1 - фосфат з більш високою, ніж АТФ, енергією, переноситься через АДФ. Це призводить до утворення АТФ:
Рис.8: Схема перетворення енергії Гіббса в клітці
АТФ, в свою чергу, під дією іншого ферменту переносить кінцеву фосфатну групу на молекули органічних сполук з меншою енергією, ніж АТФ, тим самим запасаючи в них енергію. При цьому знову утворюється АДФ:
де R1 -фосфат - фосфорорганічних сполук з більш високою енергією, ніж АТФ; R2 -фосфат - фосфорорганічних сполук з більш низькою енергією, ніж АДФ.
Енергія гідролізу АТФ в свою чергу використовується для забезпечення різноманітних ендергонічеськие процесів. Реакція фосфорилювання АДФ і подальшого використання АТФ як джерело енергії утворює циклічний процес:
Енергія окисляються,
Список використаної літератури:
2. Глінка Н. Л. Загальна хімія. Ізд.19-е. «Хімія», 1977.
3. Степаненко Б. Н. Курс органічної хімії. 3-е видання. М. Вища школа, 1979
4. Велика медична ендіклопедія. М.: "Радянська енциклопедія", 1979.
Реферат на тему: Біологічна роль гідролізу в процесах життєдіяльності організму Виконав: Головенко А.О. (ФФМ 117 група) Викладач: Доцент Русняк Ю.І.