К.И. Грандберг - Органическая химия (1125789), страница 72
Текст из файла (страница 72)
Ферментативные процессы сегодня очень широко применяются в биотехнологии, медицине, фармакологии, ботанике, земледелии, генетике, микробиологии. Некоторые производства: виноделие, пивоварение, по существу, являются отраслями промышленной энзимологии. Итак, катализ биохимических реакций, протекающих в живых организмах, осуществляется ферментами. Ферменты могут иметь н чисто белковую структуру (рибонуклеаза, уреаза; пищеварительные ферменты: трнпсин, пенсии, папани и др.). Однако в большинстве случаев они являются протеидами, т. е.
состоят из белковой части — апофермента (обычно не обладающего ферментативной активностью) и небелковой группы неорганической или органической природы. Если такого рода группа, называемая кофакторогг, связана с апоферментом непрочно, так, например, ее можно отделить диализом и она в ходе катализа мигрирует от одного апофермента к другому, то она называется коферментом.
Прочно связанный с апоферментом кофактор называется простетической группой. В роли неорганических кофакторов, как правило, выступают ионы металлов: г(а~, К+, ВЬ+, Мдг+, Саг+, Епг+, Спг+, Уег+, ХН+ и др. Одни коферменты способствуют переносу электронов, атомов водорода, химических группировок. Другие, подобно АТФ, обеспечивают биохимические процессы энергией. Некоторые коферменты 564 относятся к группе витаминов, т.
е. не могут синтезироваться в животном организме и должны поступать вместе с пищей. Так, аденозинмонофосфат (АМФ), поглощая энергию, образующуюся при окислении углеводов, может присоединять еще один или два остатка фосфорной кислоты„образуя при этом аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ): О О О 11 11 !1 НΠ— Р— Π— Р— Π— Р— А ~ 1 ! 1 ОН ОН ОН АТФ 11 !1 НΠ— Р— Π— Р— А ~ 1 1 ОН ОН АДФ ХНг О 1! к'-':=в НΠ— Р— О— 1 ОН АДФ и особенно АТФ содержат богатые энергией фосфатные связи. Поэтому при переносе остатка фосфорной кислоты молекулой АТФ на какой-то биологический акцептор (К вЂ” Н) выделяется значительное количество энергии (трансфосфолирование), происходящее под действием киназ: О 1! АТФ + К вЂ” Н ~~ АДФ + К вЂ” Р— ОН + АЕ (32 кДж/моль) 1 ОН 565 Подавляющее число реакций, протекающих в живых организмах с потреблением энергии, получают ее за счет расщепления АТФ: это главным образом активация кислот, аминокислот, желчных и неорганических кислот.
Свободную энергию, накопленную АТФ, организм может использовать не только в биохимических синтезах, но и, например, в качестве механической энергии мышц, электрической энергии специальных органов (электрический угорь) или лучистой энергии (излучающий орган светлячков). Многие окислительно-восстановительные реакции в живых организмах осуществляются с участием кофакторов, содержащих амид никотиновой кислоты. Молекула никотинамидадениндинуклеотида (НАД) представляет собой внутреннюю соль состава (В Н): НΠΠΠΠ— Р О ~) пример, при восстановительном амииировании кетокислот в аминокислоты. При этом НАД регенерируется. Ниже приведены еще несколько простейших коферментов и кофакторов. Кофактором ферментов в ряде обратимых реакций карбоксилирования является биотин: о !! С Г" нн мн Н..Н ' .Н ' (СН ) СООН Он играет важную роль в обмене углеводов, липидов, белков, НК.
В качестве простетических групп ферментов декарбоксилирования выступает тиаминпирофосфат: Хнз СН Ы-. СН-М вЂ” 1 О О НС 3 '6' 'СН СН вЂ” Π— Р— Π— Р— ОН а г Перенос водорода от биологического донора водорода (ВН ) к НАД осуществляется согласно следующей схеме: +ВН; +г О ! !! пентоза — Р— Х ! +В ! !! О певтоэа — Р— Х ! ОН* О 566 Близким по типу действия кофактором является НАЦФ (на схеме выше И РОзНз). С участием НАД происходит окисление спиртов в альдегиды, например ретинола в ретиналь.
Восстановленный НАД . Н запасет энергию и гидридный водород, выделенные, например, при окислении спирта, и сможет расходовать их в других биохимических процессах, требующих затраты энергии, на- ОН ОН Механизм действия ферментов до конца не раскрыт. Наиболее общим представлением является система эзамок — ключа (фермент — субстрат), выдвинутая Э. Фишером в 1894 г. и развитая Дж. Холдейном в 1930 г.
Согласно этой теории, молекула субстрата точно соответствует по своей форме некоторому участку иа молекуле фермента. Причем при связывании субстрата с ферментом его связи, подлежащие изменению, несколько растягиваются, что облегчает их последующий разрыв. Многие ферменты строго специфичны: уреаза — катализирует только гидролиз мочевины; аргииаза — гидролизует только Ь-аргинин до Ь-орнитина и мочевины. Специфичность ферментов так высока, что они различают идентичные группы даже в прохиральных молекулах. Так, фермент глицерокинаэа переносит фосфатную группу с АТФ на глицерин, образуя хиральный а-глицерофосфат *СН,ОН НΠ— С вЂ” Н ! СН,ОРО,Н, 567 СН ОН 1.
Природа и человек ОН СН ОН фермент 569 Так вот, если в прохиральном глицерине верхнюю группу (в приведенной формуле Фишера) пометить ('С, например, 14 С илн С), то в реакции принимает участие всегда нижняя 1З группа. Изобразив пространственную структуру глицерина и фрагмент участка фермента, в котором точка 3 соответствует прикреплению группы СНзОН, точка 2 — группы Н и точка 1 — группы ОН, мы видим, что существует только один-единственный способ связывания, и следовательно, реакционно- способной является всегда одна и та же группа — СНзОН (в данной формуле нижняя): „,„„, 26 Биологически активные органические соединения и сельское хозяйство Проблема защиты растений1 и животных от вредителей возникла уже в те далекие времена, когда человек только начинал активно вмешиваться в первобытное растительное сообщество.
Сегодня известно около 70 000 различных видов только насекомых, которые наносят вред человеку, домашним животным, растениям и материалам. Меры химического воздействия на вредителей являются одними из самых действенных и весьма широко используются почти во всех развитых странах. В последние годы во всем мире использовалось свыше 1000 химических соединений (пестицидов) в целях защиты животных и растений от вредителей. В 1995 г.
в среднем в мире на 1 га обрабатываемой земли наносилось 450 г пестицидов. Мировые затраты на их производство превышали 14 млрд долларов; зта цифра уже близка к затратам на мировое производство удобрений. Производство пестицидов сегодня — это громадная исследовательская деятельность и многотоннажное промышленное производство.
Каждый год в мире появляется около 50 новых пестицидов. Из 10 тыс. новых испытываемых веществ в среднем только одно оказывается годным к практическому использованию, а высокоселективным является только одно на 70 тыс. исследуемых веществ. Однако уже в первый год применения пестицида экономический эффект превышает затраты в среднем в 6 раз. К сожалению, в области разработки новых пестицидов Россия не находится на уровне развитых стран.
' См.: Мельников Н. Н.. Невеже еов К. В., Нилово Т. Н. Химические средства защиты растений. М., Химии, 1980. Несмотря на эти меры защиты, потери от вредителей сельскохозяйственных культур в мире и сегодня достигают 20% от общего урожая. Такое крупномасштабное применение сильно действующих веществ должно жестко контролироваться в связи с остро стоящей проблемой защиты окружающей среды, С развитием человеческого общества его активное воздействие на природу все возрастало, и к настоящему времени проблема нарушения биологического равновесия стала весьма серьезной. Все развитые страны пришли к заключению, что состояние окружающей среды быстро ухудшается.
Это выражается в загрязнении рек, почвы и атмосферы, и следствием этого является общее снижение «качества» жизни. Разумеется, зта проблема связана не только с узким вопросом защиты растений. В мире около 1 млрд т удобрений вносится ежегодно на поля. Однако значительная часть их смывается дождями н попадает в реки. Это вызывает колоссальный рост зоопланктона, который понижает содержание кислорода в воде, что приводит к гибели рыбы.
Несмотря на все очистные мероприятия, химические заводы продолжают сбрасывать сотни миллионов тонн вредных отходов в реки, В некоторых странах уже сейчас не хватает чистой пресной воды. Чтобы очистить водоемы США до уровня, предельно допустимого по санитарным нормам, нужно 20 лет и 100 миллионов долларов в год. Синтетические моющие средства в последние годы заметно вытеснили мыла на основе природных жиров. Однако расы бактерий, использующие в качестве пищи природные жирные кислоты с четным числом углеродных атомов, не перерабатывают имеющиеся в синтетических моющих средствах углеродные цепи с нечетным числом углеродных атомов.
Следовательно, значительная часть миллионов тонн используемых моющих средств накапливается в реках и в прибрежных полосах морей. В мировой океан попадает ежегодно 2 10зт нефти только за счет аварий и промывки танкеров. За последние 100 лет жизнь в океане сократилась на 407» (особенно это касается Средиземного моря). Только за счет работы тепловых электростанций в атмосферу Земли выбрасывается 250 млн т золы и 60 млн т ЯОз; 200 млн т СО и 20 млн т ЫО в год выбрасывают в атмосферу автомобили. 570 Применявшийся с 1940 по 1975 г.
ДДТ вЂ” один из самых эффективных и дешевых инсектнцидов разрушается в природе очень медленно и, как и продукты его метаболизма, накапливается в живых организмах в весьма заметных количествах. В настоящее время стремятся избежать применения любых содержащих «хлорароматику» пестицидов. После аварии на химкомбинате в г. Севезо, Италия (1976) и гибели многих тысяч людей от 2,3,7,8-тетрахлорбензодиоксина (диоксин) ~ ~~ ~~ ~ — одного из самых сильС1 0 С1 ных синтетических ядов (1Л 5 10 з г/кг) выяснилось, что диоксин в естественных условиях может образовываться из любых хлорароматнческих соединений под действием УФ-облучения, высоких температур и т. п. До сих пор практически не решена проблема уничтожения радиоактивных отходов.
Эти примеры загрязнения окружающей среды (а в России эта проблема стоит особенно остро) свидетельствуют о том, что проблема биологического равновесия становится одной из центральных проблем, волнующих сегодня человечество. Поэтому, разрабатывая вопросы химической защиты растений и животных, мы не должны забывать и об атой стороне дела. Нанести вред природе легко, а исправить положение подчас не только трудно, но и невозможно. Конечно, невозможно сразу запретить применение всех пестицидов, так как это означало бы потерю до 40% урожая, однако будущее, по-видимому, принадлежит все-таки более специфическим методам борьбы с вредителями, например методам биологического воздействия. 2. Классификация пестицидов Пестицидами называются химические средства защиты растений и животных от вредителей, болезней и сорняков.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
