§ 18. Применение полярографического метода в медико-биологических исследованиях

Полярография представляет собой чрезвычайно чувстви­тельный метод, позволяющий работать с очень разбавленными растворами (до 10 ~⁶ моль/л) и небольшими объемами. С помо­щью полярографического анализа можно выявлять наличие того или иного вещества, например витаминов, гормонов, ами­нокислот, в препарате и определять их концентрацию. Метод позволяет изучать окислительно-восстановительные характе­ристики различных систем, кинетику быстрых и медленных реакций, исследовать зависимость реакционной способности биологически активных веществ от их химической структуры.

В клиниках полярографический метод нашел применение как дополнительный при диагностике раковых заболеваний.

Широко применяется полярографический метод для иссле­дования процесса обмена кислорода при фотосинтезе и дыхании.

Для определения концентрации кислорода в небольшом замкнутом объеме среды с биологическим объектом исполь­зуются полярографические ячейки интегрального типа, в ко­торых обычно применяются поляризуемые платиновые элек­троды с малой поверхностью. Обязательным условием при из­мерении является интенсивное перемешивание раствора, необ-

ходимое для ускорения установления диффузионного равно­весия.

Основные достоинства интегральных полярографических ячеек — простота их калибровки в абсолютных единицах концентрации O₂, хорошая стабильность и воспроизводи­мость показаний, достаточно высокая чувствительность (10^_1° моль/с). Самописцы полярографических установок для исследования обмена кислорода записывают результаты опре­делений в виде кривых изменения концентрации O₂ во времени. Скорость выделения или поглощения кислорода определяется по тангенсу угла наклона этих кривых.

Полярографические ячейки дифференциального типа при­меняются при исследовании процессов, характеризующихся высокими скоростями обмена кислорода фотосинтезирующими объектами. Сила тока для такой ячейки пропорциональна скорости выделения или поглощения кислорода. В дифферен­циальных ячейках объект исследования помещается непо­средственно на поверхность большого платинового электрода, поэтому все изменения тока в ячейке отражают изменения ло­кальной концентрации O₂.

Глава IV. Физико химические основы кинетики биохимических реакций

§ 1. Понятие о скорости химической реакции. Кинетический вывод закона действующих масс

Кинетикой называется учение о скоростях и механизмах химических реакций. Положения химической кинетики с ус­пехом используются для изучения биохимических процессов. Скорость реакции зависит от многих факторов — природы реагирующих веществ, концентрации, температуры, давления, наличия катализаторов. Большой вклад в развитие учения о скоростях и механизмах химических реакций внесли работы Н. А. Меншуткина, А. Е. Шилова, Н. Н. Семенова, А. А. Ба­ландина, Я- Вант-Гоффа и С. Аррениуса.

■В зависимости от того, в одной или нескольких фазах на­ходятся компоненты реакции, различают кинетику гомогенных и кинетику гетерогенных реакций.

По своему механизму реакции делятся на простые и слож­ные. Сложные реакции состоят из ряда простых. Положения формальной кинетики рассматриваются на простых реакциях. Теория сложных реакций базируется на том, что при проте­кании в системе одновременно нескольких реакции каждая из них проходит самостоятельно и к каждой из них применимы уравнения кинетики простых реакций.

Основным понятием химической кинетики является ско­рость реакции, определяемая количеством вещества, проре­агировавшего за единицу времени в единице объема. В общем случае скорость реакции изменяется с течением времени, поэ­тому ее определяют как производную от концентрации реаги­рующих веществ по времени (при постоянном объеме системы):

— dx '

где v — скорость реакции; С — концентрация реагирующего вещества; т — время.

С течением времени концентрации реагирующих веществ уменьшаются, поэтому перед производной ставят знак «минус», однако скорость реакции — величина положительная.

Химическая кинетика связывает единой зависимостью пространственный (концентрационный) и временной факторы, подтверждая тем самым учение диалектического материализма о единстве пространства и времени.

Влияние концентрации реагирующих веществ на ско­рость химической реакции определяется основным постулатом кинетики: скорость реакции прямо пропорциональна концент­рации реагирующих веществу Так, например, для процесса А<=± С скорость реакции можно выразить следующим кинетиче­ским уравнением:

dC_A

₀₌₌__Л ₌ *с_{Аі (ІУЛ)}

где Сд— концентрация вещества А в данный момент; k — кон­станта скорости реакции, т. е. скор'ость, отнесенная к концент­рации, равной единице.

При взаимодействии одновременно двух или более веществ, например А + 2B^=C₁ скорость реакции выражается произве­дением концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени, показатели которых равны стехиометрическим коэф­фициентам соответствующих веществ:

у = MA][B]². (IV.la)

f В ге

В гетерогенных системах, где реакция протекает на границе фа^7"~масса твердой фазы не влияет на скорость реакции и поэтому не входит в выражение для скорости:

С + O₂ ■Z CO₂; V = k [O₂].

Рассмотренное положение кине­тики о пропорциональной зависи­мости скорости реакции от концент­рации реагирующих веществ позво­ляет вывести закон действующих масс через скорости прямой и об­ратной реакций любого обратимого проп£сса^_Для таких процессов ха-терно, что скорость прямой ре­акции V₁ в начальный момент вре­мени максимальна (рис. 32). По мере взаимодействия исходных веществ их концентрации уменьшаются, и в системе накапливаются продукты реакции. Соответственно скорость прямой реакции уменьшается, а ско­рость обратной (V₂), которая в на­чальный момент была равна нулю,— увеличивается.

Начиная с некоторого момента времени скорости V₁ и V₂ уравниваются, в системе устанавливается равновесие, ко­торое характеризуется постоянством концентраций всех ком­понентов реакции.

Схематически состояние динамического равновесия можно записать следующим образом:

ah + 6В J сС + dD; »l = *l IA]⁰IB]»;⁰' V₂ = k₂{C)^c [D]";

При V₁ = V₂

A₁[Af [В]*= k₂ [Cf[Df.

Это равенство легко преобразуется в известное выражение закона действующих масс:

[Cf[Df

и - (IV.2)

[АІ^а[В]^{й 1}

Отношение констант скоростей прямой и обратной реакций является константой равновесия обратимой химической реак­ции. Величина Kp зависит от температуры и природы реаги­рующих веществ.