ВВЕДЕНИЕ

Биологическая химия — наука о химии жизни, о химических явлениях живой природы. Биологическая химия изучает химический состав живых организмов, химические процессы, обеспечивающие их существо­вание.

Во всех живых организмах химические процессы происходят при определенных температуре (напри­мер, 37 °С), рН и осмотическом давлении в водной среде. Катализаторами биохимических реакций слу­жат ферменты. Все молекулы, клеточные структуры тканей организма в высокой степени упорядочены и взаимозависимы. Каждый организм представляет со­бой саморегулирующуюся систему, для которой харак­терны обмен веществ, рост и размножение. Организм постоянно расходует энергию, образующуюся за счет веществ, поступающих из внешней среды. Нормаль­ная жизнедеятельность возможна лишь при опреде­ленном химическом составе клеток и тканей. Это обеспечивается в результате синтеза необходимых ве­ществ. Субстратом для синтеза служат питательные вещества — белки, углеводы, липиды, а также витами­ны, соли, вода, кислород, которые поступают в орга­низм из окружающей среды. В живых клетках расщеп­ление веществ (диссимиляция) постоянно сочетается с их синтезом (ассимиляция). Распад и синтез — это две стороны единого процесса жизнедеятельности.

Живая материя представляет собой сложную био­логическую систему, где ведущую роль играют белки и нуклеиновые кислоты. Белки занимают центральное место во всех процессах, обусловливающих обмен ве­ществ в организме. Нуклеиновые кислоты являются хранителем наследственной информации. Углеводы, липиды, неорганические соли и вода играют важную роль, но занимают подчиненное положение.

Основная особенность обмена в живой клетке — это единство и взаимосвязь происходящих в ней многочисленных ре­акций.

В зависимости от объекта изучения различают био­химию человека, животных, растений, бактерий и ви­русов. По направлению изучения биохимию делят на статическую, она изучает химический состав, свойства исследуемого объекта; динамическую, изучающую превращение веществ с момента поступления в орга­низм и заканчивая выделением конечных продуктов обмена веществ; функциональную, основное направ­ление которой — изучить химические основы физио­логической деятельности организма в целом, органа, ткани, клетки. Общая биохимия рассматривает общие для всех живых организмов закономерности, частная биохимия — биохимические особенности отдельных систем, органов, тканей и клеток.

I. Физколлоидная химия

•

1. Физическая химия

Физическая химия — наука, объясняющая химические явления (в том числе и в живой клетке) на основании физических законов. Она включает такие подразделы, как строение вещества, химичес­кая термодинамика, учение о растворах, электрохимия, химичес­кая кинетика, фотохимия.

Физическая химия объединяет материал по различным разде­лам химии, анализирует его и выводит общие закономерности, ле­жащие в основе развития вечно движущейся материи. Велико зна­чение этой науки в развитии химической и биохимической техно­логии.

Основателем физической химии в России является великий рус­ский ученый М. В. Ломоносов. Большой вклад внесли и другие рус­ские химики, такие как Г. И. Гесс, Н. Н. Бекетов, Н. Н. Любавин, Д. И. Менделеев и др.

1.1. Вода

1.1.1. Вода как уникальная молекула жизни

Как известно, жизнь зародилась в воде и по-прежнему остается тесно с ней связанной. Вода служит источником кислорода в ат­мосфере Земли. Это происходит при фотосинтезе в растениях, при этом энергия света преобразуется в энергию химических свя­зей молекул. Животный мир может использовать только энергию, освободившуюся из этих химических связей в форме аденозин- трифосфата (АТФ) и других трифосфатов.

Вода составляет от 50 до 98 % массы организма. Каждая клетка и каждая ткань содержит определенное количество воды: кожа — 72 %, сердце — 79, спинной и головной мозг — 70, кровь — 79, лим­фа— 96 %. Вода переносит питательные вещества и продукты обме­на веществ; вода играет важную роль в осмотических процессах, в сохранении коллоидного состояния протоплазмы и т. д.

Вода обеспечивает растворение веществ, процессы всасывания, передвижения, набухания, осмоса и многих других. Высокая теп­лоемкость, теплопроводность, теплота испарения воды способ­ствуют поддержанию температуры тела у теплокровных живот­ных. Она участвует в реакциях гидролиза, вызывает диссоциацию молекул (электролитов). Вода — конечный продукт обмена ве­ществ в организме.

Уникальные свойства воды (Н₂0) становятся очевидными при сравнении с метаном (СН₄). Обе молекулы одинаковы по масс размерам. Тем не менее температура кипения воды на 250 °С выше таковой метана. В результате вода на поверхности земли находится в жидком, а метан — в газообразном состоянии. Высокая то кипения воды является следствием высокой теплоемкости испарения, что, в свою очередь, обусловлено неравномерным распределением электронной плотности в молекуле воды. Молекула воды имеет форму тетраэдра, в центре которого расположен атом кислорода (рис. 1.1). Две вершины тетраэдра заняты свободными электронными парами атома кислорода, а остальные две — атомами водорода. Поэтому связи Н—О—Н расположены под углом друг к другу. Кроме того, из-за высокой электроотрицательно атома кислорода связь О—Н полярна, т. е. молекула воды представляет собой электрический диполь.

Каждая молекула тетраэдрически координирована с четырьмя другими молекулами воды благодаря водородным связям; энергия диссоциации водородной связи составляет 25 кДж/моль.

Биполярное строение молекул воды благоприятствует образованию водородных связей. Поэтому у воды в жидком состоянии многие молекулы связаны между собой водородными «мостиками». Часто образуются тетраэдрические структуры, так называемые кластеры воды. Поскольку в твердом веществе расстояние между молекулами в среднем больше, чем в жидкости, плотно льда меньше по сравнению с плотностью воды. Это свойство воды очень важно в экологическом отношении, так как зимой на поверхности водоемов образуется слой льда, и они редко промерзают до дна.

Вода имеет высокую константу диэлектрической проницаемости, т. е. в воде электростатическое притяжение двух противоположно заряженных ионов снижается примерно в 80 раз.

В этом полярном растворителе (воде) хорошо растворяются

Рис. 1.1. Схема строения молекулы воды

полярные молекулы. Молекулы воды окружают их, происходит гидрата­ция молекул.

Электростатические силы притя­жения (рис. 1.2) удерживают моле­кулы воды, тем самым разрушая межионные или внутримолекуляр­ные связи самой гидратированной молекулы.

Существенное значение для про­явления свойств воды как раствори­теля имеет наличие между ее молекулами своеобразных пустот, которые могут заполняться частицами растворенного вещества в процессе растворения. В 1 л воды лишь 370 мл занято ее молекула­ми, а 630 мл составляет межмолекулярное пространство, где про­текают различные физические, физико-химические процессы и химические реакции в ходе растворения, диффузии, гидролити­ческого расщепления и т. д.

1.1.2. АКТИВНАЯ РЕАКЦИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

Под активной реакцией среды понимают концентрацию водо­родных ионов. В числе различных физико-химических защитных констант организма, таких как изотермия, изотония и др., посто­янство концентрации водородных ионов — изогидрия — имеет особо важное значение для биологических процессов организма. Физико-химическое состояние белков, каталитическая функция ферментов, активность солевых ионов зависят от концентрации ионов водорода.

Ионное произведение воды. Водородный показатель. Точные из­мерения показывают, что электропроводность чистой дистилли­рованной воды незначительна. Следовательно, вода в некоторой степени диссоциирована, что можно представить уравнением

Для обратимых процессов константа диссоциации (К) выража­ется уравнением

где [Н⁺] [ОН ] — концентрации ионов Н⁺ и ОН" при установившемся равновесии диссоциированных и недиссоциированных молекул воды. Выражается эта концен­трация в грамм-ионах на литр (г-ион/л): 1 г-ион Н⁺= 1 г, 1 г-ион = 17 г; [Н₂О] — равновесная концентрация недиссоциированных молекул воды, моль/л.

Принимая во внимание, что из 555 млн молекул воды диссоци­ирует только одна, можно допустить, что концентрация недиссоциированных молекул воды практически равна общей концентра­ции воды.

Концентрация воды определяется количеством грамм-молей воды в 1 л:

Произведение концентрации ионов водорода и ионов гидроксида для воды при постоянной температуре есть величина посто­янная и называется ионным произведением воды.

Таким образом, связанные между собой концентрации ионов гидроксида и ионов водорода являются величинами сопряженны­ми. Следовательно, если, добавив кислоту, увеличить концентра­цию ионов водорода, то одновременно во столько же раз умень­шится концентрация ионов гидроксида. Следовательно, только по концентрации ионов водорода можно судить о характере среды: [Н⁺] = [ = — среда нейтральная; [Н⁺] > [ ] > — среда кислая; [Н⁺] < [ < — среда щелочная.

Следует отметить, что характеризовать кислотность и щелоч­ность раствора числами с отрицательными показателями степени очень неудобно. Поэтому степень кислотности растворов принято выражать не концентрацией ионов Н⁺, а ее десятичным логариф­мом, взятым с обратным знаком. Эту величину называют водород­ным показателем и обозначают рН:

Следовательно, диапазон концентраций ионов водорода, выра­женных через рН, будет представлен рядом натуральных чисел (рис. 1.3).

Рис. 1.3 Диапазон концентраций ионов водорода и значений рН среды

При переводе С_н+ в рН следует пользоваться таблицами лога­рифмов.

Методы определения рН среды. Кислотность среды оценивают рН-метрией. Один из способов определения рН основан на спо­собности некоторых веществ, называемых индикаторами, изме­нять свою окраску в зависимости от рН среды. Каждый индикатор характеризуется определенным интервалом рН перехода окраски. Так, фенолфталеин меняет свою окраску от бесцветной до крас­ной в пределах рН 8,2... 10,0, а метилоранж — в пределах 3,1...4,4.

Методы определения рН среды, основанные на изменении ок­раски индикаторов, называют колориметрическими. В настоящее время чаще всего используют универсальные индикаторы. Это смесь обычных индикаторов, изменяющая окраску в пределах рН от 2,0 до 10,0.

При определении рН раствора универсальным индикатором каплю его вносят в исследуемый раствор. Появившуюся окраску сравнивают с прилагаемым к индикатору спектром цветов, соот­ветствующих определенным значениям рН. Точность измерения рН среды колориметрическим методом ±0,1. В качестве индика­тора может служить и бумага, пропитанная индикатором (бумаж­ные индикаторы).

Другим, более точным методом определения рН является элек­трометрический метод. Для определения концентраций водород­ных ионов в растворе электрометрическим методом используются гальванические элементы, составленные из двух электродов: электрода сравнения с устойчивым и известным потенциалом и индикаторного (электрода измерения), потенциал которого зави­сит от концентрации ионов Н⁺ в растворе. В качестве электродов сравнения часто применяют водородный, хингидронный, сурьмя­ный и стеклянный электроды. Стеклянный электрод хорошо ра­ботает в агрессивных средах, потенциал его быстро устанавли­вается.

Электродвижущую силу (ЭДС) гальванического элемента мож­но измерять либо включением в цепь вольтметра, либо компенса­ционным методом. На практике пользуются только вторым из указанных методов. Сущность его состоит в том, что ЭДС иссле­дуемого гальванического элемента уравновешивается разностью потенциалов, которая получается на части реохорда компенсаци­онной установки, питаемой двухволътовым аккумулятором. Оба элемента присоединяются друг к другу одноименными полюсами.

Роль активной реакции среды в биологических процессах. Ионы Н⁺ и ОН^- занимают особое место среди других ионов в связи со значительным влиянием их на течение многих химических реак­ций. Многие процессы в живом организме протекают при строго определенном значении рН среды. Так, рН желудочного сока жи­вотных 0,9... 1,5. Повышение и понижение кислотности его вызы­вает болезненные изменения в организме. Амилаза слюны опти­мально работает при рН 6,8. Снижение рН крови даже на десятые доли существенно влияет на общее состояние организма.

рН некоторых жидкостей организма

Следует отметить, что рН среды играет большую роль в хлебо­печении, сыроварении, изготовлении чая, кожи и многих других процессах.

Таким образом, рН жидких сред организма входит в понятие гомеостаза, т. е. является одной из констант организма. Так, рН крови человека равен 7,36. Смещение этого значения в кислую сторону вызывает ацидоз, а в щелочную — алкалоз. Ниже приво­дятся показатели концентрации водородных ионов в крови жи­вотных, а также в жидкостях организма.