Биокинетика

(краткий конспект лекций)

составил к.ф.-м.н. А. В. Чернышев.

(http://cyto.kinetics.nsc.ru/biomed/staff.html)

Глава 1. Введение в биокинетику

1. Предмет изучения биокинетики

Развитие биологической кинетики (биокинетики) связано с постановкой следующих вопросов.

• Что определяет протекание биологических процессов во времени?

• Каковы пути и возможности ускорения биохимических реакций?

• Какая стадия определяет скорость того или иного биологического явления?

• Какие события на молекулярном уровне задают динамику развития в целом?

• …

Исследование количественных закономерностейразвития биологических процессов во времени на молекулярном уровне составляетпредметбиокинетики.

Биокинетика – наука, изучающая на молекулярном уровне закономерности развития биологических процессов в системах in vitro, живых органах и тканях, клеточных популяциях.

2. Химическая кинетика как основа биокинетики

В биокинетике количественное описание биологических процесов на молекулярном уровне основано на базовых законах химической кинетики.

1.2.1. Современные представления о механизме химической реакции

Чтобы произошла химическая реакция, необходимо, чтобы энергия взаимодействующих молекул была больше энергии активации (Аррениус, 1889).

На рис. 1.1 приведены различные типы химических реакций.

Рис. 1.1. Типы химических реакций.

Некоторые простые (элементарные) химические реакции:

(бимолекулярная)

(мономолекулярная, изомеризация)

(мономолекулярная, диссоциация)

1.2.2. Скорость химической реакции

Для элементарной (простой) химической реакции, которая представлена стехиометрическим уравнением

(1.1)

определяется скорость реакции:

(1.2)

и выполняется закон действующих масс:

(1.3)

где k – константа скорости химической реакции. Универсальный метод определения порядка и константы скорости химической реакции в эксперименте:

(1.4)

Для расчета кинетики сложной реакции, механизм которой составлен из простых реакций, используется принцип независимости элементарных стадий:

(1.5)

(1.6)

1.2.3. Константа равновесия

В принципе, любая элементарная реакция обратима:

(1.7)

В равновесии

(1.8)

(1.9)

где K называется константой равновесия.

1.2.4. Выражения для константы скорости элементарной химической реакции

Зависимость константы скорости от температуры (Аррениус):

(1.10)

где - константа Больцмана. В общем случае, предэкспонент в (1.10) зависит от температуры:

Теория активированного (переходного) комплексапозволяет рассчитать:

(1.11)

где: - трансмиссионный множитель (обычно);- постоянная Планка;,,- изменение энергии Гиббса, энтропии и энтальпии (соответственно) при переходе от реагентов к активированному (переходному) комплексу.

1.2.5. Влияние pH на скорость химической реакции

Возможные схемы:

(1.12a)

(1.12b)

(1.12c)

При фиксированном значении pHскорость реакций (1.12a-c) можно описывать через эффективную константу скорости:

Типичные зависимости k_эфф(pH) для схем (1.12a-c) представлены на рис. 1.2.

Рис. 1.2.Наиболее типичныеpH-зависимости эффективной константы скорости реакции.