Министерство образования и науки Украины

Донецкий национальный университет

БИОФИЗИКА

Ферментативная кинетика. Динамические модели и термодинамика биологических процессов.

Теория. Лабораторный практикум.

для студентов специальности «биология»

Донецк 2010

ББК ЕО*71р30–21

Биофизика. Ферментативная кинетика. Динамические модели и термодинамика биологических процессов. Теория. Лабораторный практикум. Для студентов специальностей «биология» //Сост. О.И. Доценко, Г.В. Тарадина.– Донецк, ДонНУ, 2010.– 105 с.

Составители: О.И. Доценко, к.х.н., доцент

Г.В. Тарадина, ст. преподаватель

Раздел I. Кинетика ферментативных процессов

1.1. Формальная кинетика

Чтобы произошла химическая реакция, необходимо взаимодействие между молекулами веществ, вступающих в реакцию. Это взаимодействие происходит из-за столкновения молекул. Однако не каждое столкновение приводит к образованию продуктов реакции; для того чтобы произошла химическая реакция, необходимо, чтобы энергия взаимодействующих молекул была не меньше некоторой критической величины, называемой энергией активации. При этом для каждой химической реакции существует своя энергия активации, зависящая от природы реагирующих веществ.

Скорость химической реакции определяется как количество вещества, образующееся (распадающееся) в единицу времени в процессе химической реакции. Размерность скорости химической реакции: концентрация/время. Например, моль/мин.

, где X- субстрат реакции;

, где P- продукт реакции.

Рис. 1.1.1. Определение скорости химической реакции и начальной скорости реакции

Скорость химической реакции, наблюдающаяся в начальный момент времени, когда существенные изменения концентрации реагирующих веществ не успели произойти, называется начальной скоростью химической реакции и обозначается . Скорость химической реакции, наблюдающуюся в любой другой момент времени, называют просто скоростью (рис. 1.1.1). Для вычисления начальной скорости достаточно построить только первую часть кривой Х—t и определить тангенс угла наклона в начальной точке. Пока степень превращения составляет не более 20% от максимально возможного, график Х—t представляет собой прямую линию.

Закон действующих масс

Скорость реакции при постоянной температуре пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в степень, соответствующей их стехиометрическим коэффициентам. Например,

(1)

Если в реакцию вступает несколько веществ , то формально скорость реакции зависит от их концентрации следующим образом:

(2), где

k— коэффициент пропорциональности (константа скорости);

— стехиометрические коэффициенты.

Уравнения (1) и (2) называют кинетическим законом действующих масс.

Константа скорости реакции

Величину в уравнениях (1) и (2) называют константой скорости химической реакции. Константа скорости тем больше, чем быстрее протекает реакция. Она не меняется при одних и тех же условиях проведения эксперимента и не зависит от концентрации веществ, вступающих в реакцию. Константа скорости может изменяться при изменении условий проведения реакции (температура, давление, рН).

Константа скорости химической реакции отражает число активных соударений между молекулами веществ, вступающих в химическую реакцию, приводящих к образованию продуктов реакции. Если субстратом реакции является только одно вещество (например, для реакций распада), то константа скорости отражает вероятность химической трансформации молекул исходного вещества.

Размерность константы скорости реакции зависит от порядка реакции. Для реакций первого порядка размерность константы скорости можно найти из уравнения . Размерность скорости — , концентрации — . Следовательно, размерность константы скорости первого порядка: — .

Аналогичным образом можно показать, что для реакций второго порядка размерность константы скорости — произведение обратных концентрации и времени .