1.5 Диффузия и осмос
Молекулы и ионы в растворе могут перемещаться пассивно и спонтанно в определенном направлении в результате диффузии. (Осмос — особый вид диффузии) Для такого перемещения в живых организмах — в отличие от активного транспорта — затраты энергии не требуется.
1.5.1 Диффузия
Диффузия связана с беспорядочным и спонтанным движением отдельных молекул и ионов. Если, например, оставить открытой склянку с концентрированным водным раствором аммиака, то очень скоро запах аммиака распространится по всей комнате. Этот процесс распространения молекул аммиака представляет собой диффузию, и, хотя любая молекула может двигаться в любом направлении, реальный поток молекул направлен из склянки наружу, т. е. от источника, где их концентрация велика, в те области, где их концентрация ниже. Диффузию, следовательно, можно определить как движение молекул или ионов из области с высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией, иными словами, как движение по градиенту концентрации. В отличие от того, что характерно для объемного потока, реальная диффузия различных типов молекул или ионов может идти одновременно в разных направлениях, при этом каждый тип молекул движется по своему градиенту концентрации. В легких, например, кислород диффундирует в кровь, а диоксид углерода в то же самое время диффундирует из крови в альвеолы, но объемный поток крови в легких может иметь только одно направление. При равных градиентах концентрации мелкие молекулы и ионы диффундируют быстрее крупных. Существует еще особая диффузия, называемая облегченной диффузией.
1.6. Законы термодинамики
Все химические превращения подчиняются законам термодинамики. Первый закон, называемые 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.
1.6.1 Энергетические соотношения в живых системах
Рассмотрим разложение пероксида водорода на кислород и воду:
2Н2О2 ↔ 2Н2О + О2
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, Еа. 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; большей части реагентов необходимы гораздо большие количества тепловой энергии, нежели те, какими они обладают при обычных температурах. Так, разложение пероксида водорода уже 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 — в обычных условиях не соединяются вновь, т. е. обратной реакции не происходит, высвободившаяся энергия фактически теряется — переходит от этой химической системы в окружающую среду. Величина ΔG является, таким образом, отрицательной (рис. П.1.З.).
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 извне, т. е., в частности, без повышения температуры. В живых системах быстрое разложение пероксида водорода происходит под действием фермента каталазы.
Рис. 3 Энергия активации