Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Методичка БФХ / методичка БФХ сентябрь1.doc
Скачиваний:
145
Добавлен:
10.02.2017
Размер:
1.65 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева

БИОФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Сборник примеров и задач

Утверждено Редакционным советом

университета в качестве учебного пособия

Москва 2009

УДК 663.18:664 (075.8)

ББК 28.072.я73

0-28

Рецензенты:

Кандидат биологических наук, научный сотрудник

Института биохимии им. А. Н. Баха РАН

Е. Г. Салина

Биофизическая химия. Сборник примеров и задач: учеб. пособие/

0-28 Н.А. Суясов, Е.А. Дудникова. – М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2009. – 120 с.

ISBN 978-5-7237-0682-8

Настоящее учебное пособие содержит краткое теоретическое обоснование и подходы к практическому приложению основных понятий и закономерностей химической термодинамики и кинетики к биохимическим превращениям. В пособие включены основные типы задач, из таких разделов курса Биофизическая химия как: Термодинамика биотехнологических и микробиологических процессов, Составление материального баланса культивирования микроорганизмов, Ферментативная кинетика и катализ, а также приведены примеры их решения.

Предназначается для студентов IVкурса специальности “Биотехнология”, а также бакалавров и магистров, специализирующихся по направлению “Химическая технология и биотехнология”.

УДК 663.18: 664(075.8)

ББК 28.072.я73

ISBN 978-5-7237-0682-8 © Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, 2009

© Суясов Н.А., Дудникова Е.А., 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Биофизическая химия как учебная дисциплина для подготовки специалистов естественнонаучного профиля преподается уже более 40 лет. Усвоение дисциплины базируется на знаниях в области физики, физической химии, общей биологии, биохимии и др..

Биофизическая химия, являясь преимущественно биологической наукой, поскольку основной объект исследования представляет собой живой организм, в полной мере использует универсальный характер основных физических и химических законов, строгость математических подходов при изучении процессов жизнедеятельности. С учетом этого, биофизическая химия может быть определена как наука о фундаментальных закономерностях, лежащих в основе биологических явлений и их практическом приложении для описания биопроцессов.

В свое время основатель квантовой механики Э. Шредингер в своей знаменитой книге «Что такое жизнь с точки зрения физики» неоднократно подчеркивал, что с позиций физики живой организм относится к открытым термодинамическим системам с непрерывным обменом веществом и энергией с окружающей средой. Во многом благодаря именно этому, биологические науки в большинстве своем носят исключительно описательный характер. В то время как, использование современных методов и подходов физики и физической химии при изучении биохимических реакций и биологических систем позволяет выявить научные закономерности процессов, протекающих как на молекулярном уровне в отдельных клетках, так и на уровне популяций живых организмов.

Особый интерес для биотехнологов представляет приложение термодинамики необратимых процессов к живым системам. Кроме важных теоретических выводов о существовании и свойствах сопряженных реакций, такой подход позволяет на строго научной основе давать стехиометрическое описание не только отдельных биохимических реакций, но и микробиологических процессов в целом, а также трактовать энергетические показатели потребления различных субстратов микробными клетками.

Также исключительно важное значение имеет приложение закономерностей химической кинетики для описания биохимических реакций. Это объясняется не только широким практическим применением ферментов в промышленности, но и тем, что процессы в живой природе протекают почти исключительно ферментативным путем. Таким образом, количественное изучение и кинетическое описание ферментативных реакций создают научные основы процессов инженерной энзимологии, а для микробиологических производств дают возможность обосновать выбор оптимального режима биосинтеза и открывают принципиальные пути регулирования и управления жизнедеятельностью микроорганизмов.

Таким образом, принимая во внимание современные требования и подходы к изучению процессов, протекающих в живых системах, и их практическому применению в промышленности, биофизическая химия играет существенную роль при подготовке специалистов в области биологических технологий.

Настоящее учебное пособие позволяет ознакомиться с практическим приложением основных закономерностей физики и физической химии к биологическим системам и сформировать навыки количественных термодинамических и кинетических расчетов биохимических реакций и их совокупностей, осуществляемых в ходе роста и размножения микробных клеток.

Основы термодинамического описания биохимических реакций

Термодинамическое описание биохимических реакций имеет важное значение для теоретического и практического изучения биологических процессов. Такой подход к ферментативным превращениям в биологических объектах позволяет не только учитывать энтальпийные показатели (тепловой эффект) биохимических реакций, но и оценивать направление отдельных стадий по данным о свободной энергии Гиббса в тех реальных условиях, в которых реакции протекают.

Применение химической термодинамики к биохимическим превращениям имеет ряд особенностей, связанных со спецификой этих процессов, протекающих в водных растворах при низких концентрациях реагентов и в присутствии ферментов. В принципе, однако, не существует никаких ограничений при использовании понятий и закономерностей химической термодинамики к описанию процессов на клеточном уровне.

Одно из наиболее важных приложений понятия свободной энергии заключается в оценке самопроизвольности любых процессов, в том числе и биологических реакций. Действительно, равенство: –W’=ΔGдает возможность предсказать направление протекания любого обратимого процесса в изобарно-изотермических условиях: если расчет изменения свободной энергии при предлагаемом переходе системы из первого во второе состояние дает величинуΔG<0, то очевидно, чтоW’в таком процессе будет положительна, то есть система способна не только самопроизвольно совершить указанный переход, но и совершить работу против внешних сил. Обратный результатΔG>0 означает, что для предполагаемого перехода работа будет отрицательна, то есть её надо будет совершать над системой извне. Ясно, что такой процесс не может быть самопроизвольным, то есть возможно лишь превращение системы в обратном направлении. Наконец, результатΔG=0 означает, что первое и второе состояния энергетически неразличимы (равновесие не нарушается). Понятно, что все сказанное выше полностью относится к любым реакциям, если первое состояние отнести к исходным веществам, второе – к продуктам.

Одним из важнейших уравнений химической термодинамики является изотерма Вант-Гоффа, связывающая изменение свободной энергии Гиббса с константой равновесия реакции. При общей записи химического превращения в виде

константа равновесия описывается зависимостью

где āВj; āAi– активности продуктов и исходных веществ в равновесной смеси. Если исходные активности реагентов обозначить через а конечные активности продуктов обозначить черезизотерму Вант - Гоффа можно представить в виде такой зависимости

(111111)

При проведении процесса в условиях, когда начальные активности исходных веществ и конечные активности продуктов равны единице, то есть от стандартного состояния исходных реагентов до стандартного состояния продуктов, второй член правой части уравнения (4.30) обращается в нуль и

(ззззззззз)

Входящее в уравнение (ззззззззз) стандартное изменение свободной энергии Гиббса ΔG0 описывает таким образом только вполне конкретный процесс при данных температуре и давлении, который во многих случаях оказывается чисто гипотетическим. Естественно, что величина и знак ΔG0 уже не говорят о самопроизвольности или несамопроизвольности реакции, а лишь позволяют найти значение константы равновесия и таким образом рассчитать, например, состав равновесной смеси. Впрочем, при биохимических реакциях чаще приходится поступать наоборот: по измеренным в эксперименте равновесным активностям (концентрациям) реагентов рассчитывают константу равновесия и далее по уравнению (ззззззззз) находят стандартное изменение свободной энергии. Напомним, однако, что полное уравнение (4.30) вполне пригодно для решения вопроса о направлении биохимической реакции, если известны так называемые физиологические концентрации или активности реагентов и.

Соседние файлы в папке Методичка БФХ