В.В. Жандарев, И.И. Дигурова
Лабораторные работы
по биофизике
Методические указания
Рекомендовано
Научно-методическим советом университета
для студентов специальности Биология
Ярославль 2006
УДК 577.3
ББК Е 071я73
Л 12
Рекомендовано
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного издания. <...> И.И. Дигурова, 2006
2
Кинетика биологических процессов
Вещества, поступающие в организм, вступают в сложную сеть
химических превращений. <...> Под скоростью понимают возрастание
или убывание концентрации реагирующего вещества во времени. <...> Если скорость реакции зависит от концентрации одного вещества, то такая реакция называется реакцией первого порядка. <...> т.е. константа скорости – это скорость реакции при концентрациях
реагирующих веществ, равных единице. <...> Если скорость реакции зависит от концентрации двух реагирующих веществ, то это реакция второго порядка. <...> Мономолекулярная реакция может
быть реакцией нулевого порядка, когда скорость реакции не зависит от концентрации реагирующего вещества. <...> Обычно так протекают реакции с участием ферментов в условиях избытка реагирующего вещества. <...> В процессе реакции может наступить переход от реакции первого порядка к реакции нулевого порядка. <...> Если процесс
протекает в клетке, куда реагирующие вещества поступают через
клеточные оболочки, то в начальный момент, когда концентрация
реагирующего вещества небольшая, реакция может протекать по
типу реакций первого порядка, а при насыщении всех молекул
фермента переходит на нулевой порядок. <...> Зная температурный коэффициент, можно определить энергию
активации, которая связана с ним соотношением:
Ea = 0,46 · T1 · T2 · lgQ10 . <...> (6)
Из уравнения следует, что энергия активации и логарифм температурного коэффициента связаны линейной зависимостью. <...> Рассмотренной формулой пользуются и для вычисления энергии активации биологических процессов, в том числе секреции желез, пульсации сократительных вакуолей простейших, сокращений
мышц <...>
Лабораторные_работы_по_биофизике.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова
Кафедра общей и биоорганической химии
В.В. Жандарев, И.И. Дигурова
Лабораторные работы
по биофизике
Методические указания
Рекомендовано
Научно-методическим советом университета
для студентов специальности Биология
Ярославль 2006
Стр.1
УДК 577.3
ББК Е 071я73
Л 12
Рекомендовано
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного издания. План 2006 года
Рецензент
кафедра общей и биоорганической химии
Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова
Жандарев, В.В., Дигурова, И.И. Лабораторные работы по биоЛ
12
физике / В.В. Жандарев, И.И. Дигурова ; Яросл. гос. ун-т. – Ярославль
: ЯрГУ, 2006. – 48 с.
Лабораторные работы предназначены для студентов, обучающихся
по специальности 011600 Биология (дисциплина «Биофизика»,
блок ОПД), очной и заочной форм обучения.
УДК 577.3
ББК Е 071я73
© Ярославский государственный университет, 2006
©В.В. Жандарев. И.И. Дигурова, 2006
2
Стр.2
Кинетика биологических процессов
Вещества, поступающие в организм, вступают в сложную сеть
химических превращений. Скорость химических превращений в
клетках и тканях организма играет основную роль в регулировании
жизненного процесса. В связи с этим большое значение приобретает
изучение закономерностей протекания во времени химических
процессов. В отличие от биохимии, описывающей конкретные химические
реакции в организме, кинетика изучает механизмы химических
превращений в зависимости от различных факторов (температуры,
концентрации реагирующих веществ, давления, рН, наличия
катализаторов и пр.).
Важнейшей количественной характеристикой химической
реакции является скорость. Под скоростью понимают возрастание
или убывание концентрации реагирующего вещества во времени.
Если вещество А превращается в В:
А
то скорость реакции
бого из веществ по времени:
dt
= dB −=
dt .
dA
(1)
Скорость химической реакции зависит в основном от трех факторов:
концентрации реагирующих веществ, температуры и наличия
катализаторов. Согласно кинетической теории реакций, их
скорость определяется количеством столкновений молекул друг с
другом в единицу времени.
Если скорость реакции зависит от концентрации одного вещества,
то такая реакция называется реакцией первого порядка. В
случае приведенной мономолекулярной реакции А В по закону
действующих масс (2)
3
В,
– первая производная от концентрации люυ
υ
Стр.3
−
dt
dA
dt
dA =
= ⋅k A
,
где k – коэффициент, называемый константой скорости реакции.
Если А=1, то
k
,
(3)
т.е. константа скорости – это скорость реакции при концентрациях
реагирующих веществ, равных единице.
Если скорость реакции зависит от концентрации двух реагирующих
веществ, то это реакция второго порядка. Например, при
реакции А+В С
−
dt
dA
= ⋅k A B
⋅
.
(4)
Порядок и молекулярность реакции не всегда совпадают. Так,
бимолекулярная реакция может быть реакцией первого порядка,
если одно из реагирующих веществ находится в избытке и его концентрация
заметным образом не меняется. Например, гидролиз
СН3СООК может определяться только концентрацией СН3СООК,
если вода находится в избытке. Мономолекулярная реакция может
быть реакцией нулевого порядка, когда скорость реакции не зависит
от концентрации реагирующего вещества. Обычно так протекают
реакции с участием ферментов в условиях избытка реагирующего
вещества. В условиях нулевого порядка скорость постоянна
и определяется скоростью распада фермент-субстратного
комплекса. В процессе реакции может наступить переход от реакции
первого порядка к реакции нулевого порядка. Если процесс
протекает в клетке, куда реагирующие вещества поступают через
клеточные оболочки, то в начальный момент, когда концентрация
реагирующего вещества небольшая, реакция может протекать по
типу реакций первого порядка, а при насыщении всех молекул
фермента переходит на нулевой порядок.
Помимо зависимости от концентрации субстрата, имеется зависимость
скорости ферментативного катализа от ряда других фак4
(2)
Стр.4
торов: наличия ингибиторов или активаторов, рН среды, давления,
температуры и пр., поэтому в биологических системах скорости
реакций меняются в очень широких пределах.
Одним из наиболее существенных факторов, оказывающих
влияние на кинетику, является температура. В условиях целостного
организма изменение температуры может влиять на скорость реакций
как непосредственно, так и косвенным образом. Так, понижение
температуры организма, как и в любой неживой системе, замедляет
химические реакции. На этом основано применение гипотермии
в медицине. Но вместе с тем оно может ввести в действие
механизмы терморегуляции, ускоряющие реакции. В отличие от
реакций, протекающих в неживых системах, большинство биологических
процессов имеют температурный оптимум – интервал
температур, в котором реакция протекает с максимальной скоростью.
Это объясняется ферментативным характером большинства
биологических процессов. В случае ферментативной реакции одновременно
действуют два различных фактора, определяющих
влияние температуры: с одной стороны, увеличение скорости самой
реакции; с другой – повышение скорости деструкции фермента
при нагревании, что обусловливает непрерывное уменьшение
концентрации активного фермента. Оптимальная температура зависит
от соотношения между влиянием температуры на скорость
реакции самой ферментативной реакции и ее влиянием на скорость
инактивации фермента.
Влияние температуры на скорость биологических процессов
часто оценивают с помощью температурного коэффициента Q10
Вант-Гоффа. Он показывает, во сколько раз ускоряется процесс
при повышении температуры на 10оС:
Q10 =
T
T
1
2
,
10о С.
(5)
где υT1 – скорость процесса при определенной температуре, о C;
υT2 – скорость процесса при температуре выше предыдущей на
Живые организмы не всегда выдерживают изменение температуры
на 10оС. Поэтому для определения температурного коэффи5
υ
υ
Стр.5