Навігація
Головна
 
Головна arrow Техніка arrow БІОТЕХНІЧНІ СИСТЕМИ МЕДИЧНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ
Переглянути оригінал

КІНЕТИКА СКЛАДНИХ РЕАКЦІЙ

При вивченні хімічних реакцій, зокрема біохімічних перетворень, необхідно знати, які продукти (С, D, ...) утворюються з реагентів (А, В, ...), а також стехіометричні коефіцієнти ( а , в, с, d, ...) в хімічному рівнянні реакції а а + Сю + ... Якщо реакція складна, то для передбачення залежності її швидкості від концентрації реагентів знати хімічне рівняння недостатньо. Слід також мати уявлення про кінетичному механизом, т. Е. Елементарних стадіях, через які здійснюється досліджуване перетворення.

За кінетичного механізму всі складні хімічні реакції підрозділяють на послідовні і паралельні (конкуруючі).

Послідовними називаються складні реакції, в яких продукт X) першої елементарної стадії вступає в реакцію другій стадії, продукт Х 2 другій стадії - в третю і т. Д., Поки не утвориться кінцевий продукт Р: де до, кг, ... - константи швидкості першої, другої і т. д. стадій; S - вихідний реагент (субстрат).

Практично всі процеси метаболізму - це послідовні реакції, наприклад метаболізм глюкози (див. Рис. 6.1). У біохімії реагент, який набирає реакцію, називається субстратом ; речовини, що утворюються в проміжних стадіях, - проміжними продуктами, або интермедиатами. Очевидно, що інтермедіати Xi, Х2 першої та другої стадій є субстрати наступних стадій.

Таким чином, при метаболізмі глюкози (див. Рис. 6.1) вихідний субстрат - глюкоза, інтермедіати Х |, Х 2 , Х 3 - глюкозо-6 фосфат, фруктозо-1,6-дифосфат і т. Д., Кінцеві продукти Р - вуглець, діоксид та вода.

Розглянемо найпростішу послідовну реакцію, що складається з двох мономолекулярних стадій:

Кінетика цієї реакції описується системою з трьох диференціальних рівнянь, які складаються для швидкості простих реакцій на основі закону діючих мас (6.2):

де cs, з, порівн- концентрації речовин S, X, Р відповідно.

Інтегрування системи рівнянь (6.10) дає рішення у вигляді залежностей концентрацій c s , з х , з Р від часу (рис. 6.5).

Нехай послідовні перетворення мають вигляд

тоді вони описуються перетвореннями

де c = cs, x = cx, p ~ с ?, початкові умови: / = О, з = з 0 , х = р = 0. Приватне рішення:

In (А , / к 2 )

час досягнення максимуму т тах = -.

А, -до 2

Кінетичні криві відображають найбільш характерні особливості послідовних реакцій. Концентрація Cs вихідного субстрату S монотонно зменшується з часом. концентрація

Залежності концентрацій і маси лікарської речовини в шлунку Cs, і * 00, крові з  , т  (2) і сечі Ср, т  (2) від часу

Мал. 6.5. Залежності концентрацій і маси лікарської речовини в шлунку Cs, і * 00, крові з х , т у (2) і сечі Ср, т м (2) від часу

интермедиата X зростає, досягає максимуму, а потім падає. Концентрація кінцевого продукту Р монотонно зростає з часом.

Аналіз отриманого рішення (6.11) показує, що швидкість перетворень складних послідовних реакцій визначається найбільш повільної стадією. Рішення (6.11) може служити математичною моделлю кінетики найрізноманітніших біологічних перетворень.

Наприклад, в фармакокінетики закономірностями подібного типу описується кінетика проходження лікарської речовини через організм. Звичайний шлях лікарської речовини в організмі можна розглядати як послідовність двох процесів: всмоктування зі шлунка в кров (характеризується константою всмоктування А, ") і виведення (елімінація) з крові в сечу (описується константою виведення до сх ).

Кінетика зміни маси лікарської речовини в шлунку т ж , крові т К і сечі т м , фармакокінетична модель якого представлена на рис. 6.6, описується системою трьох диференціальних рівнянь, аналогічної системі для двох розглянутих вище послідовних реакцій S -> Х -? Р. Отже рівняння кінетики і кінетичні криві для цих, по суті, різних процесів будуть якісно подібні.

Фармакокінетична модель проходження лікарської речовини в організмі

Мал. 6.6. Фармакокінетична модель проходження лікарської речовини в організмі

Так, залежно (див. Рис. 6.5) будуть відображати кінетику зміни маси лікарської речовини в шлунку, крові і сечі, якщо замість концентрацій Cs, сх, з? розглядати маси т ж , т и відповідно, а замість констант до і до 2 використовувати константи всмоктування і виведення k in , до ех .

Згідно рис. 6.5, маса лікарської речовини крові в залежності від часу описується кривої з максимумом. Максимальна маса лікарської речовини в крові повинна бути більше мінімального (чинного) значення, але не вище максимального (токсичного) значення. Виходячи з цієї залежності, можна прогнозувати, що вводиться масу (дозу) т 0 лікарської речовини і час її прийому.

Слід зазначити, що оборотні реакції можна розглядати як окремий випадок послідовних реакцій, коли продукт прямої реакції є субстратом зворотного. Це легко уявити, якщо реакцію виду S <-? Р розділити на дві стадії: S-> Р і Р> S.

Окремий випадок послідовних реакцій - ланцюгові радикальні реакції, в яких перетворення вихідного субстрату в продукти здійснюється багаторазовим повторенням одних і тих же стадій.

До ланцюгових реакцій відноситься пероксидне окислення ліпідів, що відіграє важливу роль в життєдіяльності організму. Основні стадії цього процесу - такі елементарні реакції:

де R '- органічний радикал, утворений в окіслітельновосстановітельние метаболічнихреакціях липида RH; R0 ' 2 ПЕРОКСИДНОГО радикал; ROOH - органічний пероксид. Радикал R, утворений в другій стадії, знову вступає в першу стадію і т. Д. Відбувається розвиток ланцюгової реакції, ланкою якої є дві розглянуті реакції.

Конкуруючими називаються складні реакції, в яких один і той же речовина А одночасно взаємодіє з одним або декількома реагентами В,, В 2 , ... і т. Д., Беручи участь в одночасно протікають реакції:

Таким чином, ці реакції «конкурують» один з одним за реагент А.

Багато субстрати і інтермедіати метаболізму беруть участь в конкуруючих реакціях. Використання різних конкуруючих шляхів метаболізму в залежності від умов дозволяє організму здійснювати регулювання процесів життєдіяльності.

Крім двох основних класів - послідовних і конкуруючих реакцій - зустрічаються змішані класи складних реакцій, наприклад послідовно-конкуруючі. До змішаних класах можна віднести пов'язані реакції, широко поширені в процесах метаболізму, що забезпечують життєдіяльність організму.

Сполученими називаються такі дві реакції, з яких одна викликає протікання в системі іншої реакції, не здійсненною при відсутності першої.

Одне з основних положень біотермодінамікі - при постійних тиску і температурі мимоволі не можуть протікати реакції, що супроводжуються збільшенням приросту енергії Гіббса (Д G> 0). При зазначених умовах не можна отримати продукт в концентрації, що помітно перевищує рівноважну.

Однак термодинамічно невигідна реакція може здійснитися шляхом сполучення з іншого реакцією, яка характеризується досить великим від'ємним значенням приросту енергії Гіббса (AG <0). Таке поєднання відбувається через интермедиат X:

А + В + А, - > C + Cj + Dj (III), AG ° = AG, ° + AG °, близьке до нуля.

Реакція I оборотна. Отже, приріст енергії Гіббса AG, 0 цієї реакції позитивно, хоча його чисельне значення невелике. Тому в системі є невелика кількість интермедиата X, який вступає в термодинамічно вигідну реакцію II (Д <0). Таким чином, за интермедиат X конкурують зворотна реакція I і реакція II. Оскільки реакція II вигідна, може відбуватися ефективне утворення продукту С, який в прямій реакції А + В = С не виникає внаслідок позитивного значення збільшення енергії AG ° цієї реакції.

У зв'язку з тим, що интермедиат X не фігурує в результуючої реакції III, її зручно представити у вигляді суми двох інших реакцій:

При цьому говорять, що реакція IV пов'язана термодинамічно з реакцією V. Зростання збільшення енергії Гіббса в реакції IV компенсується відповідним падінням збільшення в реакції V. Таким чином енергія Гіббса системи в цілому не змінюється або зменшується відповідно до другого початку термодинаміки. Слід зазначити, що таке уявлення пов'язаних реакцій формально і не відображає кінетичного механізму.

Більшість біохімічних перетворень в організмі здійснюється в результаті сполучення з процесом метаболічного окислення глюкози. Саме це мають на увазі, коли говорять, що глюкоза є джерелом енергії, що забезпечує життєдіяльність організму.

Один з основних результатів окислення глюкози в організмі - пов'язаний з цим процесом синтез АТР з аденозиндифосфату (ADP) і фосфату (Р):

Теоретично при повному окисленні 1 моля глюкози киснем в організмі може утворитися 38 моль АТР. Потім синтезована АТР бере участь в різноманітних пов'язаних реакціях метаболізму, забезпечуючи протікання термодинамічно невигідних процесів.

По механізму, описуваного реакціями I і II, здійснюється ацилирование коферменту-А. Якщо прийняти, що А - ацетат; Ai - АТР; X - ацетофосфорний ефір (Р-ацетат); В - кофермент-А; З - ацілкофермент-А; C r ADP; D, - неорганічний фосфат РО4, то реакції I і II можна записати в такий спосіб:

Особливий клас складних реакцій представляють фотохімічні процеси, до яких відносяться реакції, що відбуваються під дією світла. Закономірності та механізми дії світла на біологічні системи вивчає біологія. Фотохімічні реакції - фотосинтез, зоровий процес, утворення засмаги шкіри.

Більшість фотохімічних реакцій - багатостадійні процеси, початковою стадією яких є утворення фото- порушених молекул в результаті поглинання квантів світла з енергією Е Ф = hv.

де А - молекула реагенту в початковому стані; А * - фотовоз- буждение молекула реагенту.

Збуджені молекули розпадаються або вступають в реакції з іншими реагентами, утворюючи активні інтермедіати-радикали - іони Х ( , Х 2 :

Ця реакція називається первинною. Інтермедіати первинних фотохімічних реакцій швидко вступають у вторинні реакції, в яких виникають кінцеві продукти:

Сітківка ока людини включає в себе два типи світлочутливих клітин - палички і колбочки. Палички містять цис- родопсин - високомолекулярна сполука, що складається з білка опсина і органічної речовини г / мс-ретиналь. При потраплянні світла на сітківку гщс-родопсин поглинає квантсвета і переходить в збуджений стан:

У ФОТОЗБУДЖЕНОГО молекулі цис -родопсіна відбувається цис- / іранс-ізомеризація цис ретиналь, і молекула розпадається:

Зміни просторової форми білка опсина, пов'язані з цис-транс-ізомеризації гщс-ретиналь, змінюють величину іонного струму в світлочутливої клітці - паличці. У свою чергу, це призводить до виникнення нервового імпульсу, сприйманого мозком як відчуття світла.

У природі фотосинтез являє собою синтез складних біоорганічних речовин в організмах в результаті поглинання світлової енергії. Більшість організмів здійснює фотосинтез за участю хлорофілів. Хлорофіл поглинає квант світла і переходить в збуджений стан:

Потім ФОТОЗБУДЖЕНОГО молекула хлорофілу передає поглинену енергію молекулі реагенту А:

де А * - ФОТОЗБУДЖЕНОГО молекула реагенту А, яка вступає в первинну фотохимическую реакцію за описаним вище механізмом. Таким чином, хлорофіл відіграє роль переносника світлової енергії. Освічені в результаті вторинних реакцій інтермедіати Xi, Х 2 взаємодіють з діоксидом вуглецю і водою, і в кінцевому рахунку здійснюється синтез глюкози:

Шляхом фотосинтезу на Землі утворюється близько 10 13 кг органічних сполук. При цьому кількість світлової енергії, яка споживається за рік, значно перевищує всю енергію, що виробляється і споживається людством за той же термін. Слід зазначити, що при фотосинтезі реакції протікають зі збільшенням приросту енергії Гіббса (Д G> 0). Наприклад, приріст енергії Гіббса синтезу глюкози при стандартних умовах становить AG 0 = +2870 кДж / моль. Однак перебіг цих реакцій не суперечить другому початку термодинаміки, оскільки вони пов'язані з поглинанням світла.

 
Переглянути оригінал
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Нерухомість
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Техніка
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук