Гидролиз. Биологическая роль

МИНИСТЕРСТВО  СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ  ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

СТАВРОПОЛЬСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

   Реферат на тему:

   «Гидролиз. Биологическая роль гидролиза»

                                                                                                             
 

     Выполнила:

     студентка 1 курса  4 группы

   агрономического факультета

   Федосеева Екатерина Викторовна

   Проверила:

   Доцент  кафедры химии

     и защиты растений

     Дергунова Е.В.. 
 
 

   Ставрополь 2009. 
 

Содержание:

1. Введение.
2. Гидролиз в химии.
3. Биологическая роль.
4. Почвенный гидролиз.
5. Заключение.
6. Используемая литература.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

  В общем случае под гидролизом понимают реакцию разложения вещества водой (от греч. «гидро» - вода, «лизис» - разложение). Гидролизу могут подвергаться белки, жиры, углеводы, эфиры и другие вещества. В неорганической химии чаще всего встречаются с гидролизом солей.

Гидролиз  в химии. 

  Гидролизом называется взаимодействие вещества с водой, при котором составные части вещества соединяются с составными частями воды.

  Гидролизу подвержены соединения различных классов. Рассмотрим один из его важнейших случаев – гидролиз солей.

  В случае реакций нейтрализации, в которых участвуют слабые кислоты и основания, реакции протекают не до конца. Значит при этом в той или иной степени протекает и обратная реакция (взаимодействие соли с водой), приводящая к образованию кислоты и основания. Это и есть гидролиз соли. В реакции гидролиза вступают соли, образованные слабой кислотой и слабым основанием, или слабой кислотой и сильным основанием, или слабым основанием и сильной кислотой. Соли, образованные сильной кислотой и сильным основанием, гидролизу не подвергаются; нейтрализация в этом случае сводится к процессу:

H₃O⁺ + OH^- = 2H₂O

  А обратная реакция – диссоциация молекулы воды на ионы – протекает в ничтожно малой степени.

  В случае соли, образованной слабым основанием и сильной кислотой, гидролизу подвергается катион соли и реакция сопровождается образованием ионов H₃O⁺ , например:

NH₄CL + H₂O = NH₃∙HOH + HCL

Или

NH₄⁺ + 2H₂O = NH₃∙HOH + H₃O⁺

  Накопление ионов H3O+  приводит к уменьшению концентрации ионов OH^-. Таким образом, растворы солей, образованных слабым основанием и сильной кислотой, имеют кислую реакцию.

  В рассмотренных случаях гидролизу подвергается не всё количество находящейся в растворе соли, а только часть его. Иначе говоря, в растворе устанавливается равновесие между солью и образующими её кислотой и основанием. Доля вещества, подвергающаяся гидролизу, - степень гидролиза - зависит от константы этого равновесия, а также от температуры и от концентрации соли.

  Запишем уравнение  гидролиза в общем виде. Пусть НА – кислота, МОН - основание, МА - образованная ими соль. Тогда уравнение гидролиза будет иметь вид:

МА + Н₂О =НА + МОН

  Протонная теория кислот и оснований рассматривает гидролиз как частный случай кислотно-основного равновесия: протон переходит от молекулы воды к данному иону или от данного иона к молекуле воды. Например, гидролиз иона аммония можно выразить уравнения:

NH₄⁺ + H₂O = H₃O⁺ + NH₃.

Биологическая роль.

     Реакции гидролиза подвергаются самые различные  вещества. Так в процессе пищеварения  высокомолекулярные вещества (белки, жиры, полисахариды и др.) подвергаются ферментативному  гидролизу с образованием низкомолекулярных  соединений (соответственно, аминокислот, жирных кислот и глицерина, глюкозы  и др.).

Без этого процесса не было бы возможным усвоение пищевых  продуктов, так как высасываться в кишечнике способны только относительно небольшие молекулы. Так, 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. Рассмотрим основные реакции гидролиза, протекающие в организме.  

      Гидролиз  белков.  Белковые вещества составляют громадный класс органических, то есть углеродистых, а именно углеродисто азотистых соединений, неизбежно встречаемых в каждом организме. Роль белков в организме огромна. Без белков или их составных частей – аминокислот – не может быть обеспечено воспроизводство основных структурных элементов органов и тканей, а также образование ряда важнейших веществ, как, например, ферментов и гормонов. Белки пищи прежде, чем быть использованы для построения тканей тела, предварительно расщепляются. Организмом используется для питания не сам пищевой белок, а его структурные элементы – аминокислоты и, может быть, частично простейшие пептиды, из которых затем в клетках синтезируются специфические для данного вида организма белковые вещества.  
         Каждый вид организма, каждый орган и каждая ткань содержат свои характерные белки, и при усвоении чужеродных белков пищи организм, прежде всего, лишает их видовой специфичности. Перед тем, как быть усвоенными белки должны быть разложены на индифферентный материал. Разложение белковых веществ на более простые, лишенные видовой специфичности соединения, способные всасываться в кровь через стенки кишечника, осуществляется в пищеварительных органов человека и животных путем последовательного гидролиза под действием ряда ферментов.  
 В полости рта белки никаким изменениям не подвергаются, так как в состав слюны необходимые для этого протеолитические ферменты не входят. Переваривание белков начинается в желудке.

      В желудочно-кишечном тракте пищевые  белки распадаются на аминокислоты при участи пищеварительных протеолитических ферментов – пептидогидролаз. Эта группа ферментов различающихся по субстратной специфичности: каждый из этих ферментов предпочтительно (т.е. с наибольшей скоростью) гидролизует пептидные связи (рис.1), образованные определёнными аминокислотами. В результате совместного действия всех пищеварительных пептидогидролаз белки пищи полностью распадаются на аминокислоты. Таким путём организм получает мономеры для синтеза собственных белков.

      В желудке переваривание (т. е. гидролитическое  расщепление) происходит при действии протеолитического фермента пепсина; существенную роль в этом процессе играет соляная кислота, за счёт которой  желудочный сок имеет низкое значение pH (1-2). Под действием этой кислоты выделяемый главными клетками желудочных желез белок пепсиноген превращается в пепсин. HCl катализирует этот процесс, в ходе которого отщепляется часть молекулы и образуется активный центр фермента. Сам пепсин катализирует процесс своего образования, т. е. является автокатализатором.

      Пепсин  гидролизирует пептидные связи, удалённые от концов пептидной цепи (поэтому пепсин относят к эндопептидазам). При этом белки распадаются на полипептиды, свободные аминокислоты практически не образуются.

      Переваривание белков завершается в верхнем  отделе тонкого кишечника под  действием ферментов поджелудочной  железы и клеток кишечника. Эти клетки продуцируют ряд проферментов (трипсиноген, химотрипсиноген, прокарбопептидазы  А и В, проэластаза). После каталитического образования в проферментах активного центра и отщепления части молекул, эти белки превращаются соответственно в ферменты: Трипсин, Химотрипсин, Карбопептидазы А и В и Эластазу.

 

      Трипсин, Химотрипсин и эластаза – эндопептидазы  – гидролизуют связи, лежащие  ближе к середине  полипептидной  цепи. Продуктами их действия являются, в основном, пептиды, но образуется и ряд аминокислот.

      Карбопептидазы  – экзопептидазы. Они гидролизуют  пептидную связь, образованную концевым аминокислотным остатком. Карбопептидаза А отщепляет преимущественно  концевые аминокислоты с гидрофобным  радикалом, а карбоксипептидаза  В – остатки лизина и аргинина.

      Последний этап переваривания происходит при  участии ферментов, синтезируемых  клетками кишечника – аминопептидаз  и дипептидаз. Первые отщепляют концевые аминокислоты от пептидов, вторые гидролизуют  дипептиды.

     Таким образом, переваривание пищевых  белков – суть, последовательность реакций гидролиза, катализирующегося  рядом ферментов.

мочевина

орнитин

аргинин

      Гидролиз  – также основа синтеза мочевины.

Данный процесс  катализируется ферментом аргиназой, причём возможен и обратный процесс  – синтез аргинина из орнитина (Цикл Кребса-Гензелейта).

 
 

Гидролиз  углеводов.

 

Углеводы пищи в пищеварительном тракте распадаются  на мономеры при действии гликозидаз – ферментов, катализирующих гидролиз гликозидных связей (рис.2) в полисахаридах.

Переваривание начинается уже в ротовой полости: в слюне содержится фермент амилаза (α~1,4 – гликозидаза), расщепляющая α~1,4 гликозидные связи. Поскольку пища в ротовой полости пребывает  недолго, то крахмал здесь переваривается лишь частично. Основным же местом переваривания крахмала служит тонкий кишечник, куда поступает амилаза в составе сока поджелудочной железы. Амилаза не гидролизует гликозидную связь в дисахаридах, поэтому основным продуктом действия кишечной амилазы является дисахарид мальтоза.

Из тех глюкозных  остатков, которые в молекуле крахмала соединены 1,6-гликозидной связью, образуется дисахарид изомальтоза. Кроме того, с пищей в организм поступают  дисахариды сахароза и лактоза (рис.3), которые гидролизуются специфическими гликозидазами – мальтазой, изомальтазой, лактазой и сахаразой соответственно.

 

 

Продукты полного  гидролиза углеводов – глюкоза, галактоза и фруктоза – через  клетки кишечника поступают в  кровь.

 

Гидролиз  жиров В 12-перстную кишку поступает желчь и сок поджелудочной железы, необходимые для переваривания жиров. В соке поджелудочной железы содержится фермент липаза, катализирующий гидролиз сложноэфирной связи в триацилглицеринах. Поскольку жиры нерастворимы в водных средах, а липаза нерастворима в жирах, гидролиз происходит лишь на поверхности раздела этих фаз и, следовательно, скорость переваривания зависит от площади этой поверхности.

     В составе желчи содержатся конъюгированные желчные кислоты (Рис.5) – гликохолевая и таурохолевая. Эти кислоты обладают амфифильными свойствами. На поверхности раздела жир-вода они ориентируются таким образом, что гидрофобная циклическая часть оказывается погружённой в жир, а гидрофильная боковая цепь – в водную фазу. В результате образуется стабильная эмульсия.

 

     Под действием липазы идёт гидролиз жиров, в ходе которого жирные кислоты отщепляются  от триацилглицерина одна за другой, сначала  от - углеродных атомов, потом – от - углеродного атома (Рис. 6)

     Образующиеся  в процессе переваривания пищи вещества-мономеры, вступают в ряд реакций. Во многих из них они окисляются, и энергия, выделяющаяся при этом окислении, используется для синтеза АТФ из АДФ –  основного процесса аккумулирования  энергии в живых организмах. Эта  энергия необходима для роста  и нормального функционирования организма. Человек получает её как  за счёт многостадийного процесса окисления  пищи – белков, жиров и углеводов, так и за счёт гидролиза некоторых  сложных эфиров, амидов, пептидов и гликозоида. Однако главным источником энергии для многих биологических процессов – биосинтеза белка, ионного транспорта, сокращения мышц, электрической активности нервных клеток – является аденозинтрифосфат (АТФ).

     АТФ (Аденозинтрифосфорная кислота) принадлежит к бионеорганическим соединениям, так как состоит из органической части – аденозина и неорганической части – трёх связанных в цепь фосфатных групп. При рН ³ 7,0 АТФ существует в виде аниона АТФ ^4- , так как все фосфатные группы при этом значении водородного показателя ионизированы.

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