Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 1 (страница 89)

П.1.6. Законы термодинамики

Все химические превращения подчиняются законам термодинамики. Первый закон, называемый законом сохранения энергии, гласит, что для любого химического процесса общая энергия системы и ее окружения всегда остается постоянной. Это означает, что энергия не исчезает и не возникает вновь, так что если какая-либо химическая система приобретает энергию, то такое же количество энергии должно изыматься из ее окружения, и наоборот. Энергия, следовательно, может перераспределяться, переходить в другую форму или претерпевать оба этих превращения, но она не может исчезать.

Из второго закона термодинамики следует, что система и ее окружение, будучи предоставлены самим себе, приближаются обычно к состоянию максимальной неупорядоченности (энтропии). Это значит, что высокоупорядоченные системы легко разрушаются, если на поддержание их упорядоченности не затрачивается энергия. Все биологические процессы подчиняются этим двум законам термодинамики и управляются ими.

П.1.6.1. Энергетические соотношения в живых системах

Рассмотрим разложение пероксида водорода на воду и кислород:

Вообще чистый пероксид водорода может существовать в течение длительного времени и заметно не разлагаться. Для того чтобы произошло разложение, его молекулы при столкновении должны иметь энергию, превышающую определенный уровень, называемый энергией активации, Е_а. Когда этот активационный барьер достигнут, в молекулах изменяется характер связей и реакция генерирует достаточно энергии для того, чтобы идти спонтанно. Величина энергии активации для разных реагентов различна.

Нагревание — самый простой способ достичь энергии активации; большинству реагентов необходимы гораздо большие количества тепловой энергии, нежели те, какими они обладают при обычных температурах. Так, разложение пероксида водорода лишь при 150°С идет настолько быстро, что реакция становится взрывоподобной. В этой реакции образуются вода и кислород и выделяется энергия. Общее изменение энергии, происходящее в результате реакции, называют изменением свободной энергии (ΔG). Поскольку данная реакция протекает очень быстро, а ее продукты — вода и кислород — не соединяются вновь, т. е. обратной реакции не происходит, выделившаяся энергия фактически теряется — переходит от этой химической системы к окружению. Величина ΔG является, таким образом, отрицательной (рис. П.1.4).

Рис. П.1.4. Энергия активации

Для биологических систем высокие температуры губительны, и здесь их действие заменяется действием ферментов. Выступая в качестве катализаторов, ферменты снижают энергию активации, необходимую данным реагентам, и таким путем обеспечивают более высокие скорости реакций без добавления энергии к системе, т. е., в частности, без повышения температуры. В живых системах быстрое разложение пероксида водорода происходит под действием фермента каталазы.

П.1.6.2. Потенциальная энергия

Потенциальная энергия — это та энергия, которой система обладает в силу своего положения и существующих условий. Представим себе шар, неподвижно лежащий у края наклонной плоскости (рис. П.1.5). Этот шар обладает гравитационной потенциальной энергией, эквивалентной той работе, которую пришлось выполнить, чтобы поместить его в данное место. Если шар скатится вниз, то часть его потенциальной энергии превратится в кинетическую. Когда теперь он остановится внизу, его потенциальная энергия будет меньше, чем она была наверху. Чтобы восстановить ее до первоначальной величины, потребуется снова поднять шар наверх за счет энергии, заимствованной от окружения.

Рис. П.1.5. Потенциальная и кинетическая энергия

Потенциальную энергию для биологических систем накапливают зеленые растения в процессе фотосинтеза, когда они синтезируют сахара (рис. П.1.6). Во время этого процесса некоторые электроны под действием солнечной энергии переходят на другой, более высокий энергетический уровень, приобретая таким образом потенциальную энергию. Когда затем сахара окисляются при дыхании, потенциальная энергия этих электронов используется в различной форме живыми системами.

Рис. П.1.6. Поток энергии в биологических системах

П.1.7. Электромагнитный спектр

Солнце излучает энергию в форме электрических и магнитных колебаний, называемых электромагнитными волнами или электромагнитным излучением.

Полный спектр электромагнитного излучения называется электромагнитным спектром (рис. П.1.7); он включает γ-лучи и рентгеновские лучи, ультрафиолетовое излучение и видимый свет, инфракрасное излучение и радиоволны. Различаются все эти формы излучения по своей частоте, т. е. по скорости (частоте) образования волн. Длина волны обратно пропорциональна частоте. Высокая частота соответствует, следовательно, малой длине волны. Наименьшую длину волны имеют космические γ-лучи, а наибольшую — радиоволны.

Рис. П.1.7. Электромагнитный спектр

Все волны независимо от их длины обладают рядом общих свойств:

1) Они движутся в вакууме с равной скоростью, 3·10⁸ м·с^-1.

2) Они являются поперечными волнами.

3) Их можно поляризовать.

4) Они обнаруживают характерные для волн эффекты интерференции и дифракции. Видимый спектр составляет лишь небольшую часть электромагнитного спектра (длины волн в пределах 380-760 нм). Только эта часть воспринимается невооруженным глазом как свет.

П.1.8. Хроматография

Хроматография — это метод, применяемый для разделения различных смесей на составляющие их компоненты. Метод основан на том, что в неподвижно! среде, через которую протекает растворитель, каждый из компонентов, увлекаемых растворителем движется со своей собственной скоростью независимо от других. Если, например, смесь пигментов обусловливающих зеленую окраску растений, рас творить в соответствующем растворителе и пропустить через какую-либо неподвижную среду, та кую, как молотый мел, то эта смесь разделится на несколько различным образом окрашенных пигментов. Такого рода разделение описано в опыте П.1.3 В зависимости от природы используемой неподвижной среды различают три главных типа хроматографии: бумажную, колоночную и тонкослойную. Бумажная хроматография описана в опыта: П.1.1.-1.3 и в разд. 9.4.3. Различные хроматографические методики широко используются в настоящее время в химии, биологии, биохимии и в таки: специальных областях, как судебная медицина.

Электрофорез

Электрофорез представляет собой одну из модификаций хроматографии, применяемую для разделения молекул, несущих заряды. В хроматографической среде под влиянием приложенного электрического поля одна сторона оказывается заряженной положительно, а другая — отрицательно. Отдельные молекулы в разделяемой смеси движутся к той или другой стороне в зависимости от их относительных масс и зарядов. Электрофорез широко применяется для выделения и идентификации аминокислот; дальнейшее усовершенствование методики достигается в этом случае регулированием рН среды.

П.1.8.1. Величины Rƒ

При хроматографии подвижность растворенного вещества относительно фронта растворителя постоянна для данного вещества. Это может быть выражено величиной Rƒ как показано ниже:

Если фронт растворителя выходит за пределы бумаги, то подвижность данного растворенного вещества можно выразить в сравнении с подвижностью другого стандартного вещества. Тогда

См. рис. П.1.8, В.

Рис. П.1.8. Методы хроматографии

П.1.8.2. Двухмерная бумажная хроматография

Хроматографией, идущей только в одном направлении, не всегда можно эффективно разделить сложную смесь веществ. В этом случае для лучшего разрешения пятен должно быть проведено дополнительное разделение в перпендикулярном направлении с использованием второго растворителя (рис. П.1.8, Г).

Для этого используют квадратный лист бумаги. Образец наносят на базовую линию около одного из углов и проводят разделение в первом направлении. Бумагу вынимают из камеры, сушат, поворачивают на 90° и проводят повторное хроматографическое разделение, используя другой растворитель. В результате вещества, частично разделенные после первого пробега, окончательно разделяются во втором растворителе, имеющем отличные от первого характеристики. Бумагу вынимают, сушат и выявляют разделенные вещества соответствующим реактивом. Идентифицировать данное вещество можно, сравнив его местоположение с положением известных стандартных веществ. Такой метод использовал Кальвин в экспериментах по идентификации первичных продуктов фотосинтеза (разд. 9.1.3).

Прежде чем начать хроматографию веществ, которые вам необходимо идентифицировать, следует попрактиковаться в этом, используя цветные чернила или индикаторы. Проведя опыты, которые описаны ниже, вы убедитесь, что чем концентрированнее стартовое пятно, тем лучше пройдет разделение. Вы убедитесь также в том, что разделение проходит лучше при более длинном хроматографическом пробеге.

Опыт П.1.1. Разделение индикаторов

Хроматографическая бумага ватман № 1 или № 3

Метиловый оранжевый (защищенный)

Бутылка с аммиаком 880

Чашка Петри

Пипетка

Нанесите каплю защищенного метилового оранжевого в центр хроматографической бумаги. Высушите бумагу, помахав ею в воздухе, немного подержите ее над открытой бутылкой аммиака 880 и затем положите на чашку Петри (рис. П.1.8, А). Капните одну каплю воды на пятно индикатора.