Температура и ферментные реакции

«Ферменты есть...первый акт жизненной деятельности. Все химические процессы направляются в теле именно этими веществами, они есть возбудители всех химических превращений... Они обусловливают собою те процессы, благодаря которым проявляется жизнь, они и есть в полном смысле возбудители жизни»

И.П. Павлов

Все химические превращения в организме и протекают с участием комплекса ферментов, содержащихся в каждой ткани, жидкости и даже в каждой клетке организма. Главным свойством живой материи является постоянный обмен веществ, то есть превращения веществ и энергии в самих организмах и обмен веществами и энергией с окружающей средой. Обмен веществ или метаболизм обусловлен целым каскадом биохимических реакций, которые в клетках не могут совершаться при отсутствии особых веществ - ферментов. Даже первичная структура белков создается благодаря соединению атомов аминокислотных остатков в ходе последовательных биохимических реакций с участием ферментов.

Прохождение химических реакций связано с кинетической энергией - энергией прохождения молекул. В биохимических реакциях важна не общая энергия молекул, а лишь ее часть, которая может быть превращена в работу («свободная энергия»). Самопроизвольные реакции в организме протекают только при условии уменьшения свободной энергии. Средняя энергия молекул может быть повышена или понижена при изменении температуры. Так, при охлаждении движение молекул замедляется и их кинетическая энергия уменьшается. Биологические вещества обладают высоким энергетическим барьером - разностью между энергией необходимой для обычного (нормального) протекания реакций и фактической величиной средней энергии молекул для этих молекул. Следовательно, необходима существенная добавка к имеющейся энергии, чтобы реакция пошла. Эта энергетическая добавка называется энергией активации.

Другим путем запуска биохимических реакций является снижение энергетического барьера, что и достигается с помощью специальных химических катализаторов - ферментов. Ферменты - это белки особого рода, которые в «биохимическом котле» организма действуют подобно механизмам автоматических линий на производстве. Они соединяют молекулы и атомы друг с другом, «отрезая и отбрасывая» некоторые атомы и передавая соединенные вещества другим механизмам этого конвейера. Искусственные катализаторы могут ускорять скорость реакции в 800 - 20 000 раз (ионы йода, коллоидной платины). Биологические катализаторы - ферменты многократно активнее. Они ускоряют биохимические реакции в десятки тысяч и даже в миллионы раз, а фермент каталаза - в 300 млрд. раз. В биологических реакциях ферменты являются «посредниками» снижающими на некоторое время энергетический барьер вступающих в реакцию веществ и выходящие на конечных этапах биохимической реакции из нее в практически неизмененном виде. Наиболее активны ферменты при нормальном давлении, практически нейтральной реакции среды и узких границах колебания температуры.

Обычная реакция химических превращений при изменении температуры - это их ускорение при повышении и замедление при понижении температуры. Ферменты - белковые молекулы, однако, плохо переносят интенсивное нагревание, которое, вследствие денатурации белков изменяет их живую ("нативную") структуру. По отношении к температурному фактору ферменты различаются на термостабильные, их активность остается высокой в широком диапазоне изменения температур и термолабильные, которые теряют каталитическую активность даже при незначительном изменении температуры. Охлаждение биологического объекта обычно уменьшает активность ферментов и замедляет скорость ферментируемых реакций. При понижении температуры до - 20ос - - 40оС течение биологических реакций, обусловленные действием ферментов практически прекращается. Однако, в отличие от нагревания, холод практически не повреждает ферменты. Так, охлаждение биообъектов в жидком азоте (при -196оС) не портит тканевые ферменты, а наоборот их сохраняет. Фрагментарное охлаждение, кроме того, используется для получения чистых ферментов методом кристаллизации, что позволяет, в дальнейшем, прикреплять их к какому либо носителю («иммобилизация ферментов») и использовать их в лечебных и научно-исследовательских целях.

Итак, в живой клетке для совершения работы используется не вся (полная), а лишь часть энергии (именуемая свободной).

Свободная энергия = Полная энергия - (Температура)Х(Изменение энтропии).

Свободная энергия Гиббса связана с изменениями при постоянном давлении. Свободная энергия Гельмгольца обусловливает изменения при постоянном объеме. В клетках живых организмов идущие на основе свободной энергии реакции связаны между собой. Под влиянием определенного фермента (или группы ферментов) конкретная реакция может идти в «неправильном» направлении (например, цепочка аминокислот может стремиться к распаду, а не к соединению). Однако и такую реакцию можно вынудить проходить в требуемом направлении, связав ее с другими реакциями, характеризуемыми большей по величине, но отрицательными изменениями свободной энергии. Такие «противоестественные реакции», во многом обеспечивают жизнь и взаимодействие организма с температурным фактором среды.

Дата добавления: 2015-10-16