КІНЕТИЧНИЙ ОПИС БІООБ'ЄКТІВ

Для козлічественного прогнозування впливу хімічних речовин на ріст популяції були використані кінетичні рівняння (див. Гл. 4), які є окремим випадком опису розвитку біологічних процесів в часі. Загальні методи такого опису розробляються біологічної кінетикою. Знання цих методів необхідно для проектування біоадекватних технічних пристроїв, що впливають на біологічні процеси в організмі.

Термодинаміка дозволяє передбачати напрямок і глибину мимовільного протікання процесів в залежності від умов, якщо відомо відповідне прирощення енергії Гіббса A G. Однак термодинаміка нічого не говорить про те, як швидко буде відбуватися що передбачається мимовільний процес. В цьому проявляється обмеженість термодинамічної підходу.

Основні поняття

Наочним прикладом може служити лежить в основі життєдіяльності реакція глюкози з киснем:

Стандартне приріст енергії Гіббса цієї реакції велика і складає A G rn = -2880 кДж / моль, т. Е. A G rn «0. З позицій термодинаміки дана реакція дуже вигідна. В процесі біологічної еволюції ця реакція була відібрана в якості основного джерела енергії для забезпечення життєдіяльності вищих організмів. Однак добре відомо, що чиста глюкоза як в твердому стані, так і в розчинах в присутності кисню повітря зберігається досить довго без помітної зміни початкової кількості, т. Е. Реакція практично не протікає.

Таким чином, термодинаміка пророкує лише можливість протікання процесу. На питання про те, як швидко здійсниться ця можливість, відповідає кінетика.

При розгляді біохімічних перетворень, що відбуваються в живому організмі, не завжди просто вирішити гомогенної або гетерогенної є ця реакція. Значною мірою характер протікання процесу і його кінетика залежать від цієї ознаки. Наприклад, життєво необхідна реакція освіти оксіге- моглобіна

забезпечує постачання тканин тварин киснем, що надходять в легені в газоподібному стані. Ця реакція гомогенна, так як і гемоглобін, і кисень знаходяться в одній і тій же клітинної рідини - цитоплазмі еритроцитів в розчиненому стані.

Велике число біохімічних перетворень протікає всередині біологічних мембран або на їх поверхні. Зокрема, окремі стадії біоокислення глюкози пов'язані з мембранами клітинних органел - мітохондрій. У цьому випадку вирішення питання про гомогенності або гетерогенності реакцій залежить від того, до якої фазі відносяться мембрани.

Характер протікання хімічного перетворення в часі при різних умовах істотно залежить від механізму, за допомогою якого здійснюється це перетворення.

Механізмом реакції називається сукупність взаємодій реагують молекул (частинок), в результаті яких здійснюється утворення кінцевих продуктів.

Залежно від механізму протікання все реакції підрозділяють на прості і складні. Реакція називається простий, якщо продукт утворюється в результаті безпосередньої взаємодії молекул реагентів.

В реакції гідроксид-іонів і іонів водню освіту молекул води (реакція нейтралізації) здійснюється при безпосередній взаємодії іонів:

Прості реакції також називаються одностадійна, т. Е. Що протікають за одну стадію, або елементарним актом.

Реакція називається складною, якщо кінцевий продукт виходить в результаті здійснення двох і більше простих реакцій (елементарних актів) з утворенням проміжних продуктів.

Всі біохімічні реакції є складними, наприклад реакція глюкози з киснем при клітинному диханні. В цій

Схема деградації глюкози в еритроциті без участі кисню (гліколіз)

Мал. 6.1. Схема деградації глюкози в еритроциті без участі кисню (гліколіз)

реакції діоксид вуглецю і вода утворюються з глюкози в результаті більше двох десятків простих реакцій з таким же числом проміжних продуктів (рис. 6.1).

Одне з основних понять біологічної кінетики - швидкість хімічної реакції - міра швидкості протікання хімічних перетворень.

Речовина X (реагент) перетворюється в речовину Y (продукт): X - * Y.

Нехай і (Х) - кількість речовини X, моль. У .моменти часу t і / 2 від початку реакції кількості речовини рівні і, (Х) і і 2 (Х) відповідно. Кількість перетворився реагенту X за час At = / 2 - / 1 становить

Тоді середня швидкість хімічної реакції v cp = -Д і (Х) / At.

Вивчення різних реакцій показує, що швидкість може змінюватися в ході реакції, т. Е. Швидкість являє собою функцію часу: v = v (t). У зв'язку з цим замість середньої швидкості ц ср застосовують більш точну характеристику швидкості хімічного перетворення - миттєву швидкість, або швидкість хімічної реакції, моль / час,

де dn / dt - похідна функції n (t) за часом t.

Дані визначення швидкості справедливі як для гомогенних, так і для гетерогенних реакцій. Однак швидкість гомогенних реакцій зручніше оцінювати величиною

де з - молярна концентрація реагенту X, з = п / V, моль / л (У - обсяг системи).

Одиниця виміру швидкості реакції v в одиницях СІ 1 моль / (л с). Поряд з молярною концентрацією (моль / л) в практиці біохімічних досліджень застосовують концентрації: масову (мг / 100 мл), масової частки (% / 100 мл) та ін. Одиницями вимірювання швидкості будуть мг / (100 млс),% / (100 МЛС) відповідно.

Наприклад, число осілих еритроцитів N 3 з досліджуваної проби крові можна встановити, визначивши їх масу т 0 . Однак в клініці зручніше вимірювати висоту стовпчика h , (мм) осіли в капілярі еритроцитів. Очевидно, що за інших рівних умов маса т, пропорційна висоті І ,. Одиниця виміру швидкості осідання еритроцитів (ШОЕ) - мм / год.

Таким чином, в залежності від конкретного методу вимірювання швидкість може виражатися в різних одиницях. Але завжди треба вміти перевести їх в одиниці СІ.

На основі розглянутих понять біологічну кінетику визначають як науку про швидкостях протікання біологічних перетворень і механізмах цих перетворень.

Кінетична крива хімічної реакції

Мал. 6.2. Кінетична крива хімічної реакції

Для експериментального вимірювання швидкості хімічних реакцій необхідно мати дані про кількість або концентрації беруть участь в реакції речовин в різні моменти часу. Отримані дані представляють у вигляді таблиць або кінетичних кривих (рис. 6.2).

Залежно від способу вимірювання кількості або концентрації речовини в ході реакції експериментальні методи хімічної кінетики поділяють на хімічні, фізичні та біохімічні.

В сучасної експериментальної кінетики до числа найбільш широко застосовуваних фізичних методів відносять різні спектральні методи. Як правило, ці методи засновані на вимірах спектрів поглинання реагентів або продуктів в ультрафіолетовій, видимій та інфрачервоній областях. Часто також використовують спектри електронного парамагнітного (ЕПР) і ядерного магнітного (ЯМР) резонансів.

Суттєва перевага фізичних методів перед хімічними - можливість вимірювання кількості або концентрації речовини безпосередньо в ході реакції. У цитології фізичні методи можуть використовуватися навіть для кінетичних досліджень живих культур.

На рис. 6.3, а наведено ультрафіолетові спектри поглинання солей сечової кислоти - уратів в пробі крові. На осі ординат відкладена оптична щільність А оп , на осі абсцис - довжина хвилі. Максимум оптичної щільності пропорційний концентрації уратів. Як відомо, підвищений вміст уратів в крові є одним з діагностичних ознак подагри - важкого захворювання суглобів. У розчин з пробою крові додають фермент уриказу, під дією якого в присутності кисню урат окислюється. Згодом це зменшує максимум оптичної щільності в спектрі поглинання (рис. 6.3, б). За швидкістю зміни максимуму визначають зміст уратів.

Зміна ультрафіолетового спектра поглинання розчину уратів в пробі крові в реакції з ферментом уриказа (а) і залежність оптичної щільності від часу (б)

Мал. 6.3. Зміна ультрафіолетового спектра поглинання розчину уратів в пробі крові в реакції з ферментом уриказа (а) і залежність оптичної щільності від часу (б)

а б

Вивчення різних кінетичних кривих (див. Рис. 6.2, 6.3) показує, що швидкість зменшення концентрації реагенту з часом падає. Дійсно, тангенс кута нахилу дотичної до кривих з часом зменшується, а отже, знижується і пропорційна йому швидкість, що пов'язано зі зменшенням концентрації реагентів. Кінетичні дослідження підтверджують правильність цього припущення, що виражається в найбільш загальному вигляді за допомогою закону діючих мас для швидкості.

Для реакції загального вигляду

залежність швидкості реакції від концентрації реагентів може бути представлена у вигляді

де v - швидкість реакції; до - коефіцієнт, що не залежить від концентрації реагентів, званий константою швидкості; з А , з в - молярні концентрації реагентів А і В; v A і v B - постійні, що не залежать від концентрації і називаються показниками порядку реакції по реагентів А і В. Суму показників v A + v B = = v називають сумарним (загальним) порядком реакції.

Залежність (6.2) виражає закон діючих мас для швидкості.

Слід зазначити, що на відміну від закону діючих мас для рівноваги, в даному випадку показники порядку v A і v B по реагентів рівні стехиометрическим коефіцієнтам а й Ь тільки для простих реакцій. Для складних реакцій показники v A і v B не відповідають стехиометрическим коефіцієнтами і можуть бути визначені тільки експериментально. Зазвичай їх значення лежать в діапазоні 0 ... 2 і можуть бути цілими, дробовими і навіть негативними числами.

При поданні залежності швидкості від концентрації у вигляді закону діючих мас (6.2) припускають, що швидкість реакції залежить тільки від концентрації реагентів.

Розглянута реакція глюкози з киснем є складною і має показники першого порядку за концентраціями глюкози і кисню (v rjl = v 02 = 1). Реакція гемоглобіну з киснем проста, і теж має показники першого порядку і по гемоглобіну, і по кисню, а сумарний порядок становить

v = v Hb + v 02 = 2.

Для простих реакцій сумарний порядок відповідає числу молекул, що беруть участь в елементарному акті, і називається молеку- лярностью реакції. Для реакції гемоглобіну з киснем моле- кулярной дорівнює двом. Для складної реакції глюкози з киснем це поняття не застосовується.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >