- •Содержание
- •Тема 1. Кинетика биологических процессов. 10
- •Вводная тема. Техника безопасности.
- •Контрольные вопросы.
- •Тема 1. Кинетика биологических процессов. Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Задание №l. Определение энергии активации сокращений сердца лягушки по величине q10
- •Задание №2. Определение энергии активации сокращений сердца лягушки с помощью графика Аррениуса.
- •Задание№3. Определение температурного коэффициента гемолиза эритроцитов крови человека
- •Методика выполнения работы.
- •Задание №4. Определение температурного коэффициента и энергии активации фотосинтеза в веточке элодеи
- •Методика выполнения работы.
- •Литература:
- •Контрольные вопросы.
- •Тема 2. Математическое моделирование биофизических процессов. Теоретическая часть
- •Практическая часть
- •Задание 1. Модель естественного роста (модель Мальтуса)
- •Выполнение работы
- •Задание 2. Модель изменения численности популяции с учетом внутривидовой конкуренции (модель Ферхюльста)
- •Выполнение работы
- •Задание 3. Циклические математические модели: модель "хищник-жертва" (модель Вольтера-Лотки)
- •Выполнение работы
- •Литература:
- •Контрольные вопросы.
- •Тема 3. Информация и живой организм. Теория информации. Теоретическая часть
- •Практическая часть Задание 1. Изучение информационно-энтропийных характеристик распределения.
- •Задание 2. Изучение информационно-энтропийных характеристик сердечного ритма
- •Тема 4. Изучение электрической активности органов живых объектов Теоретическая часть
- •Практическая часть Задача 1. Изучение работы электрокардиографа
- •Методика
- •Ход работы
- •Обработка результатов
- •Задача 2. Регистрация ээг человека и ее изменений при различных функциональных пробах.
- •Методика
- •Ход работы
- •Обработка и обсуждение результатов
- •Литература:
- •Контрольные вопросы.
- •Тема 5. Биофизика рецепции Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть Задание 1. Изучение спектральной характеристики уха на пороге слышимости.
- •Подготовка к работе
- •Порядок работы
- •Воздушное звукопроведение
- •Костное звукопроведение
- •Литература:
- •Контрольные вопросы
Контрольные вопросы.
1. Каковы общие требования безопасности при проведении лабораторных работ по биофизике?
2. Каковы общие правила безопасности при работе с химическими веществами?
3. Правила безопасности при работе с центрифугами.
4. Каковы основные типы поражения электрическим током?
5. Какова зависимость действия тока от его величины?
6. Какие органы критичны по отношению к действию электрическим током?
7. Какие меры первой помощи оказываются пострадавшему.
Тема 1. Кинетика биологических процессов. Теоретическая часть
Все биологические процессы протекают во времени. Для описания и оценивания этого удобной количественной характеристикой является скорость реакции или скорость процесса. Знание механизмов реакций и процессов, обеспечивающих их протекание с той или иной скоростью, зависимость скорости от различных факторов (концентрации веществ, температуры, рН, наличия катализаторов-ферментов, активаторов, ингибиторов и т.д.) позволяет прогнозировать развитие реакций или процессов, оптимизировать их протекание в нужном направлении и с необходимым результатом.
Представим химическое превращение в виде простой реакции:
Скоростью этой химической реакции будет величина накопления продукта в единицу времени
;
Кинетика базируется на фундаментальном положении Гулдберга-Вааге, согласно которому скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, соответствующих их стехиометрическим коэффициентам. Это положение, связывающее активные концентрации веществ со скоростью реакции, так же известно как закон действующих масс. В соответствие с этим законом скорость реакции может быть выражена в следующем виде:
где к – коэффициент пропорциональности, называемый константа скорости реакции.
Рассмотрим вариант простейшей реакции 1 -го порядка, когда Скорость реакции в этом случае можно выразить как
Знак минус на расходование реагента в ходе реакции.
Пусть в начальный момент времени t=0 концентрация вещества А равна [А]0. После начала реакции начнется постепенное расходование реагента А и к моменту времени t = t его концентрация станет [А]. Используя эти граничные условия, проинтегрируем уравнение скоростей, предварительно разделим переменные
;
; ;
Отсюда или или ;
Из этого уравнения после потенцирования выражение для зависимости| изменения концентрации вещества от времени
При переходе к десятичным логарифмам получается ;
Отсюда определяется константа скорости , где [А]0 и [А] - начальная и конечная концентрации вещества А.
Помимо зависимости от концентрации реагентов скорость реакции существенно зависит от температуры. Известно эмпирическое правило, называемое законом Вант-Гоффа, согласно которому при повышении температуры на 10° скорость реакции возрастает приблизительно в 2 раза. Отношение констант скоростей реакции при двух температурах, различающихся на 10°, называется температурным коэффициентом .
Правило Вант-Гоффа приближенное, поскольку температурный коэффициент Q10 меняется с температурой. Более точная зависимости скорости реакции (константы скорости) от температуры выражается уравнением Аррениуса, которое учитывает кинетическую энергию реагентов, определяющих характер влияния на скорость реакции: , где А — предэкспоненциальный множитель, Т — абсолютная температура (К), R — универсальная газовая постоянная (1.98•10-3 ккал/М•градус), Еа - энергия активации. Она характеризует величиной энергетического потенциального барьера, который молекулы реагентов должны преодолеть для взаимодействия.
Для любого температурного интервала Q10 вычисляется по формуле Вант-Гоффа: , где К1 и К2 константы скорости реакции при температурах t1 и t2 соответственно.
Очевидно при t2 = t1 + 10, ; (пpи )
При изучении биологических процессов вычисление К обычно затруднительно и ее заменяют непосредственно величиной скорость процесса. Энергия активации, т.е. температурная характеристика процесса выводится из уравнения Аррениуса для скорости химической реакции:
, где Ea - энергия активации.
Из уравнения следует: .
Формула устанавливает простое соотношение между Еа и Q10. Действительно, при T2-T1=10 и при переходе от ln к lg путем умножения на модуль 2,3 имеем: [кал/град•моль].
Энергия активации связана с температурным коэффициентом эмпирическим соотношением:
Прологарифмировав интегральное уравнение Аррениуса, получим выражение, удобное для определения величины энергии активации из экспериментально полученных величин:
Из этого выражения следует, что (или ) линейно зависит от величины обратной температуры (1/Т) (рис.1.1). Это очень удобно для графического представления кинетических экспериментальных данных. Если по оси ординат откладывать значения (или ), а по оси абсцисс -1/Т (координаты Аррениуса), то из наклона этого графика легко определяется величина энергии активации Еа.
отсюда ;
Рис. 1.1. Диаграмма Аррениуса (представление экспериментальных данных в координатах Аррениуса).
Наиболее точно зависимость константы скорости реакции от температуры определяется на основе теории абсолютных скоростей реакций Эйринга. Эта зависимость выражается уравнением Эйринга:
, где к0 - постоянная Больцмана 1.88*10-23 Дж/К; h - постоянная Планка 6.625*10-34 Дж*сек; — изменение энтропии и энтальпии соответственно в результате химического превращения или процесса.
|
Рис. 1.2. Примерный вид зависимости ЧСС от температуры. |