- •Биофизическая химия Сборник примеров и задач
- •Оглавление
- •Введение
- •1. Термодинамическое описание биохимических реакций
- •1.1. Расчёт изменения свободной энергии химических реакций
- •1.2. Практические расчёты при описании биохимических реакций
- •Примеры решения задач
- •Теоретические вопросы для самоподготовки
- •2. Стехиометрические расчёты биотехнологических процессов
- •2.1. Стехиометрия и материальный баланс микробиологических процессов
- •2.2. Расчёт выхода биомассы на субстрат (источник углерода)
- •Значения γs и максимальные теоретические значения выхода биомассы для различных субстратов
- •Оценка теплового эффекта и свободной энергии некоторых процессов биосинтеза
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Данные для решения задачи 1
- •Данные для решения задачи 2
- •Теоретические вопросы для самоподготовки
- •3. Ферментативная кинетика и катализ
- •3.1. Общая характеристика ферментов
- •3.2. Кинетическое описание ферментативных процессов
- •3.3. Различные типы координат, используемые для графического решения уравнения Михаэлиса–Ментен
- •3.4. Интегральная форма уравнения Михаэлиса–Ментен
- •3.5. Ингибирование ферментативных реакций
- •Кинетические схемы, основные формулы различных ферментативных процессов
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Теоретические вопросы для самоподготовки
- •Заключение
- •Приложение 1
- •Приложение 2 Константы диссоциации аминокислот, органических кислот и оснований
- •Константы диссоциации различных соединений при 25 °с
- •Приложение 3 Элементарный состав сухой биомассы микроорганизмов
- •Элементарный состав сухой биомассы микроорганизмов
- •Элементарный состав и восстановленность сухой биомассы микроорганизмов, выращенных в условиях непрерывного культивирования
- •Элементный состав и восстановленность сухой биомассы микроорганизмов различных типов дрожжей, выращенных в условиях непрерывного культивирования при лимитировании роста субстратом
- •Список литературы
- •Суясов Николай Александрович
Министерство образования и науки Российской Федерации
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева
Биофизическая химия Сборник примеров и задач
Утверждено Редакционным советом
университета в качестве учебного пособия
Москва
2010
УДК 577.3(076.1)
ББК 24.5:28.072я7
Б63
Рецензенты:
Кандидат биологических наук, научный сотрудник
Института биохимии им. А. Н. Баха РАН
Е. Г. Салина
Кандидат химических наук, доцент кафедры коллоидной химии
Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева
О. В. Яровая
Биофизическая химия. Сборник примеров и задач: учеб. пособие/
Б63 Н. А. Суясов, Е. А. Дудникова, Н. В. Хабибулина, М. М. Баурина. – М. :
РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2010. – 108 с.
ISBN 978-5-7237-0845-7
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 240901 – “Биотехнология”, а также бакалавров и магистров, специализирующихся по направлению 550800 – “Химическая технология и биотехнология”.
УДК 577.3(076.1)
ББК 24.5:28.072я7
ISBN 978-5-7237-0845-7 © Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, 2010
Оглавление
Введение 6
1. Термодинамическое описание биохимических реакций 8
1.1. Расчёт изменения свободной энергии химических реакций 8
1.2. Практические расчёты при описании биохимических реакций 10
Примеры решения задач 17
Теоретические вопросы для самоподготовки 23
2. Стехиометрические расчёты биотехнологических процессов 25
2.1. Стехиометрия и материальный баланс микробиологических процессов 25
2.2. Расчёт выхода биомассы на субстрат (источник углерода) 29
2.3. Энергетическая эффективность процессов микробиологического синтеза 32
Наиболее часто в биохимии и динамике клеточных популяций используются две термодинамических характеристики – энтальпия (ΔH) и свободная энергия Гиббса (ΔG), которые описывают, соответственно, тепловой эффект и самопроизвольность реакции при постоянных температуре и давлении. Примеры ΔН0 и ΔG0кат. для ряда микробиологических процессов представлены в табл. 2. 33
Расчёт теплового эффекта. Стехиометрическое уравнение позволяет определить тепловой эффект брутто-процесса ферментации. В термохимических расчётах обычно используются стандартные теплоты образования реагентов ∆Н0f ,298, которые невелики по абсолютной величине, что увеличивает точность расчёта. В микробиологических процессах для расчёта ∆Н0298 используют уравнение: 33
Примеры решения задач 36
Пример 1. Составьте уравнение реакции анаболизма, катаболизма, брутто-реакции при аэробном культивировании биомассы дрожжей на питательной среде, содержащей в качестве источника азота NH4OH, углерода – глюкозу, а состав получаемой биомассы – , экономический коэффициент составляет 0,4. 36
Задачи для самостоятельного решения 43
Теоретические вопросы для самоподготовки 48
3.1. Общая характеристика ферментов 49
3.2. Кинетическое описание ферментативных процессов 53
где r0 – начальная скорость реакции; [S] – концентрация субстрата ([S] ≈ [S]0); [P] – концентрация продукта ([P] ≈ 0); k2 – константа скорости стадии ферментативного превращения; KS – константа диссоциации комплекса [ES]. 56
3.3. Различные типы координат, используемые для графического решения уравнения Михаэлиса–Ментен 56
3.5. Ингибирование ферментативных реакций 62
Примеры решения задач 73
Пример 1. Определите значения rmax и k2 гидролиза бутирилхолина, катализируемого холинэстеразой, исходя из данных таблицы. [E]0 = 5,0·10–6 моль/л. 73
Задачи для самостоятельного решения 76
Теоретические вопросы для самоподготовки 84
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 86
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 88
Свободная энергия образования, теплоты образования 88
различных соединений 88
Приложение 2 93
Константы диссоциации аминокислот, 93
органических кислот и оснований 93
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 99
Элементарный состав сухой биомассы микроорганизмов 99
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 112