Нейтрализация продуктов гидролиза

Мы уже видели, что в молекуле ортофосфата содержатся три группы, способные диссоциировать с образованием иона водорода. Однако соответствующие рК резко различны. Первый гидроксил (тот, который успевает диссоциировать первым), диссоциирует на 50% при рН около 2,0 (т. е. его рК равна 2). рК для второго гидроксила составляет 7,0, для третьего — около 13. Таким образом, при рН около 7 полностью диссоциирован первый гидроксил, наполовину — второй и совсем недиссоциирован третий. Ниже приведены структурные формулы орто-, мета- и пирофосфата:
В пирофосфате «не хватает» второго гидроксила — он несет 2,5 отрицательных заряда вместо 3,0, как было бы в двух орто-фосфатах. При гидролизе появляется недостающая половина заряда и соответствующее количество ионов водорода нейтрализуется ионами гидроксила среды. Возьмем для конкретности прежнюю карбонат-бикарбонатную буферную систему и запишем реакцию гидролиза АТФ подробнее, с учетом нейтрализации образующихся ионов водорода в буферной системе. При гидролизе пирофосфатной связи появляется новая кислотная группа — второй гидроксил ортофосфорной кислоты:
Поскольку концентрация воды в водных растворах постоянна и равна 55,5 М, имеем для константы равновесия R суммарного процесса.
Как мы видим, изменение свободной энергии, вызванное нейтрализацией продуктов гидролиза и наличием воды в большой концентрации, весьма заметно. Правда, мы взяли буферную систему, поддерживающую сильно щелочную реакцию среды.
Нейтрализация продуктов гидролиза в этом буфере не дает выигрыша в энергии, но становится очевидной роль высокой концентрации воды
Для того, чтобы оценить R, нужно знать Л',. Величина К, зависит от различий свойств молекул соответствующего пирофосфата и продуктов его гидролиза. Рассмотрим поэтому еще раз процесс гидролиза пирофосфатов.
При гидролизе пирофосфата рвутся связи Р—О (пирофосфатная связь) в пирофосфате и О—Н в воде и образуются снова те же связи Р—О и О—Н, но уже в ортофосфате. Для того, чтобы судить об энергетических изменениях при таком гидролизе, нужно знать различия в энергиях этих связей в пиро- и ортофосфате, т. е. знать эффекты, обусловленные влиянием третьих атомов на энергию связи двух. Эффекты эти невелики и оцениваются 2—3 ккал/моль.
Связь Р~0 в пирофосфате менее прочна, чем связь Р—О в ортофосфате, т. е. термодинамически менее выгодна; при ее образовании выделяется меньше энергии, чем при образовании такой же связи в ортофосфате. Причины ее меньшей прочности, меньшей стабильности были рассмотрены в 1939 г. Г. Калькаром, в 1941 г. Ф. Липманном i, в 1950 г.— П. Оспером и т. д. В пирофосфатной связи атом кислорода, соединяющий (или, если угодно, разделяющий) два фосфатных радикала, препятствует резонансному усреднению я-электронной структуры ортофосфата и возникает ситуация «воспрепятственного резонанса» (opposite resonance). Кванто-вомеханический резонанс сопровождается выделением энергии, он термодинамически выгоден. Нарушение резонанса обусловливает термодинамическую нестабильность: гидролиз устраняет препятствия для резонанса и возникают более выгодные связи Р—О в ортофосфате. Приведенная схема иллюстрирует сказанное:
Естественно, что изменение свободной энергии при гидролизе этих соединений больше в кислой среде (а не в щелочной, как при гидролизе пирофосфатов).
Особым примером макроэргического соединения, рассмотренным еще Калькаром и Липманном, является фосфоенолпируват. При его гидролизе образующиеся продукты дополнительно не ионизируются:
В ортофосфате л-электроны двойной связи растекаются по всем четырем связям фосфор-кислород в результате резонанса структур, что выгодно термодинамически. В пирофосфате резонансное растекание я-электронов нарушено на кислородном мостике. Поэтому при гидролизе пирофосфата уменьшается свободная энергия, образуются более стабильные продукты. Все эти эффекты, насколько мне известно, не были до сих пор оценены с достаточной точностью — о их величине можно судить лишь на основании косвенных, главным образом экспериментальных, данных.
Из экспериментальных данных AF гидролиза пирофосфатных связей оценивается в 5—8 ккал/моль в зависимости от условий, и поэтому на долю AF остается около 2 ккал.







Материалы

Яндекс.Метрика