Лекции по биофизике. Лекции по биофизике учебнометодическое пособие
 Скачать 1.98 Mb.
|
|
и i K i e ei i 0 ) ( , Если снижение скорости ферментативного катализа при действии ингибитора определяется соотношением: ) ( 0 0 ei e e i , то, используя предыдущее уравнение, получим: 36 1 1 1 1 i i i m i i max max K , K i i K K S При этом изменяется m ax и m m K K , тогда: i K i / 1 1 max max . Чисто неконкурентное ингибирование встречается крайне редко, так как связывание ингибитора с аллостерическим центром практически неизбежно влияет на сродство активного центра к субстрату. Поэтому, как правило, выделяют смешанное ингибирование, когда изменяются и m K , и m ax / 1 / 1 , / 1 1 m ax m ax i i m m i K i K i K K K i где i K - и i K - константы диссоциации комплекса. В таком случае прямая 1 на рис.2 сместится и по углу, и по осям. Бесконкурентное ингибирование. Можно отметить, что в случае, когда i K , смешанное ингибирование превращается в конкурентное. Противоположностью ему является неконкурентное ингибирование, которое оказывается где-то в стороне, а ещѐ один вид, когда i K , , / 1 1 , / 1 1 max max i m m i K i K K K i m m K K max max . Этот тип осуществляется в той ситуации, когда: 37 ESI I ES S E , – то есть, чтобы осуществить ингибирование, сначала должен образоваться EI комплекс. Влияние температуры на скорость ферментативных реакций Причина влияния не в законе Аррениуса, а преимущественно в обратимой денатурации белка. Денатурация – образование неактивной формы фермента. Понятие температурного оптимума необходимо применять осторожно, так как денатурация процесс медленный, и результат будет зависеть от времени инкубации. Влияние рН на скорость ферментативных реакций Молекула фермента содержит значительное число кислых и основных групп. При рН 7 они либо полностью депротонированы (аспартат, глутамат), либо полностью пртонированы (аргинин, лизин). Однако группы гистидина (имдазольная) и цистеина (сульфгидрильная) имеют рК в диапазоне от 5 до 9. Максимум активности фермента достигается при: 2 2 1 pK pK pH , а ширина оптимума зависит от: 1 2 pK pK . Чем он больше, тем больше оптимум (диапазон рН, в котором активность больше 50%). при =0,5 оптимум 1,5 единиц рН при =1 оптимум 1,7 единиц рН при =2 оптимум 2,3 единиц рН при =3 оптимум 3,1 единиц рН Кроме того, важно отметить, что от рН зависит в основном V max , K m - почти не зависит, так как это константа равновесия процесса, рН не влияет на взаимодействие субстрата с ферментом (неконкурентный характер ингибирования). Задачи 1. Химическую реакцию изучают при двух температурах, 27 и 37 о С. Константы скорости прямой реакции при двух температурах равны соответственно 3,4 и 8,5 мин -1 . Рассчитайте энергию активации для этой реакции. Константы равновесия при этих температурах равны К 27 = 38 2,3 10 -6 и К 37 = 5,1 10 -6 . Рассчитайте из этих данных теплоту реакции и в заключение нарисуйте кривую потенциальной энергии для этой реакции. 2. Реакция имеет энергию активации 15500 кал и константу скорости реакции, при 20 о С равную 1,2 мин -1 . Рассчитайте, чему будет равна эта константа скорости при 0 о С. 3. Некоторая химическая реакция относится к типу А + В С + D. При одинаковых начальных концентрациях А и В для времени полупревращения получаются следующие данные: Начальная концентрация, М t 1/2 , мин 0,005 304 0,010 154 0,050 30,6 0,100 15,2 Докажите, что реакция следует кинетике второго порядка. 4. Напишите уравнение Михаэлиса – Ментен и покажите, что при низких концентрациях S оно превращается в выражение для скорости реакции первого порядка, а при высоких концентрациях – в выражение для скорости реакции нулевого порядка. Докажите, что К м = S, если V = 1/2.V max 5. Приведенные ниже данные для аспартазы иллюстрируют преимущество, которым обладает одна форма уравнения Лайнувера-Берка по сравнению с другой. Постройте график результатов в соответствии с уравнениями. Из какого графика легче всего найти К м ? [S], М V, А/мин 0,002 0,045 0,005 0,115 0,020 0,285 0,040 0,380 0,060 0,460 0,080 0,475 0,100 0,505 6. Если в реакции нулевого порядка за 1сек прореагировало 0,01 Моля вещества, то какое количество вещества прореагирует за 30 сек? 7. Если в реакцию первого порядка вступает 1000 молекул, и за 1 сек 500 из них распадается, то сколько молекул распадается за 2 сек? 8. Рассчитайте период полупревращения для реакции омыления метилацетата в растворе гидроокиси натрия, если начальная концентрация 39 каждого реагента равна 0,03 М. Реакция протекает при 25 о С и константа скорости прямой реакции при этой температуре равна 11,5(моль мин) –1 9. Реакция имеет общую стехиометрию 2А + В продукты. Механизм реакции изучали, следя за исчезновением А и В при трех разных начальных концентрациях (в молях/л). Определите механизм реакции, найдите стадию, лимитирующую ее скорость и вычислите константу скорости для этой стадии. Время, мин Эксперимент 1 Эксперимент 2 Эксперимент 3 А В А В А В 0 0,100 0,100 0,100 0,200 0,05 0,100 1 0,050 0,075 0,050 0,175 0,033 0,092 3 0,025 0,0625 0,025 0,162 0,020 0,085 9 0,010 0,055 0,010 0,155 0,009 0,080 Реакция не подчиняется уравнениям скорости реакции 0-го, 1-го и 2-го порядков. 10. Суммарное уравнение реакции окисления NO имеет вид 2NO + O 2 2NO 2 Как полагают, механизм реакции включает две стадии: 2NO 1 1 К К N 2 O 2 N 2 O 2 + O 2 2 К 2NO 2 Напишите, воспользовавшись равновесным методом, выражение скорости для всей реакции, исходя из предположения, что вторая стадия определяет скорость процесса. Тест–задания 1. Предметом изучения кинетики является: A. Характер изменения параметров системы в пространстве B. Характер изменения параметров системы во времени C. Характер изменения параметров системы при изменении внешних условий 2. Левая часть кинетического уравнения составляется на основе: A. Второго закона термодинамики B. Критерия стационарности системы C. Закона действующих масс 3. В левой части кинетического уравнения стехиометрические коэффициенты помещаются как: A. Показатель степени B. Множитель C. Основание логарифма 4. Бимолекулярной реакцией из приведенных примеров является: A. А+В -> С 40 B. 2А+В -> С C. А -> В 5. Что является критерием определения порядка реакции? A. константа скорости реакции B. температура реакции C. показатели степени в правой части уравнения 6. Константа скорости реакции - это: A. скорость реакции при единичных концентрациях реагирующих веществ B. скорость реакции при стандартной температуре C. скорость реакции при стандартном давлении 7. Кинетика реакции нулевого порядка описывается уравнением: A. C = Co exp [-kt] B. C = Co - kt C. C = Co Ln(-kt) 8. Кинетика реакции первого порядка описывается уравнением: A. C = Co exp [-kt] B. C = Co - k C. C = Co Ln(-kt) 9. Обратимая реакция в закрытой системе завершается: A. Истощением запаса субстрата реакции B. Установлением стационарного состояния C. Накоплением "критической массы" продукта реакции 10. Скорость последовательных реакций определяется: A. скоростью самой медленной стадии B. скоростью самой быстрой стадии C. соотношением скоростей всех стадий реакции 11. Скорость параллельных реакций зависит от: A. наименьшей константы скорости реакции B. наибольшей константы скорости реакции C. соотношения констант скоростей протекающих стадий 12. Отметьте схему параллельных реакций: A. А -> В -> С B. B < - А -> C C. А -> В -> С -> A 13. Отметьте схему последовательных реакций: A. А -> В -> С B. B < - А -> C C. А -> В -> С -> A 14. Отметьте схему циклических реакций: A. А -> В -> С B. B < - А -> C C. А -> В -> С -> A 15. Обратимая реакция, протекающая в открытой системе, приводит к установлению стационарного состояния, если: 41 A. Скорость поступления субстрата в систему постоянна B. Скорость удаления продукта реакции из системы постоянна C. Скорости поступления субстрата в систему и удаления продукта реакции из системы постоянны 16. Автоколебательный характер реакции возможен в том случае, если: A. Убыль субстрата реакции постоянно восполняется B. Продукт реакции постоянно удаляется из системы C. Продукт реакции влияет на скорость реакции 17. Модель Лотки (1925) описывает: A. Автоколебательный химический процесс B. Периодические колебания в системе "хищник - жертва" C. Колебания скоростьи синтеза белка в клетке 18. Модель Вольтерры (1930) описывает: A. Автоколебательный химический процесс B. Периодические колебания в системе "хищник - жертва" C. Колебания скоростьи синтеза белка в клетке 19. Модель Гудвина (1966) описывает: A. Автоколебательный химический процесс B. Периодические колебания в системе "хищник - жертва" C. Колебания скоростьи синтеза белка в клетке 20. Автоколебательный процесс может быть незатухающим: A. в открытой системе B. в закрытой системе C. в любой системе Правильные варианты ответов 1. B 2. C 3. A 4. A 5. C 6. A 7. B 8. A 9. B 10. A 11. C 12. B 13. A 14. C 15. C 16. C 17. A 18. B 19. C 20. B 42 III. КВАНТОВАЯ БИОФИЗИКА Классификация и стадии фотобиологических процессов Квантовая биофизика изучает электронную структуру биомакромолекул (белков и нуклеиновых кислот), электронные переходы в этих молекулах и пути превращения энергии возбужденного состояния молекул и их продуктов. Относительно изменения уровня свободной энергии (Е 0 ) системы фотобиологические процессы можно подразделить на: 1. Процесс повышения Е 0, который происходит при фотосинтетических процессах (синтез биологических соединений под влиянием света, фотосинтез). 2. Информационные процессы, которые не связаны со значительным изменением Е 0 (фотопериодизм, фототаксис, зрение животных). 3. Процесс понижения Е 0 может вызывать: а) повреждающее действие света Летальные реакции Мутации Патофизиологические процессы (временное нарушение процессов жизнедеятельности). б) физиологический процесс. Природа света и его физические характеристики. Понятие кванта. Орбитальная структура атомов и молекул и энергетические уровни. Свет имеет двойственную природу: с одной стороны свет – это поток квантов, с другой стороны, свет имеет волновую природу. В связи с этим свет характеризуется частотой ( ) и длиной волны ( ), а также энергией кванта: h E Чем выше частота света (а значит меньше длина волны), тем больше энергия кванта, так как их произведение дает скорость света (с): c . Каждый электрон занимает в молекуле определенный энергетический уровень, характеризующийся определенной энергией. В невозбужденной молекуле электроны занимают уровни с наименьшей энергией. Это электронные уровни. На каждом заполненном уровне может находиться два электрона с противоположными (антипараллельными) спинами +1/2 и –1/2. Суммарный спиновый момент в этом случае равен 0. Такие уровни называют синглетными. Состояние молекулы, в которой электроны находятся на низших синглетных уровнях в невозбужденном состоянии, называется основным. 43 Под воздействием света электроны могут переходить с основного синглетного на другой возбужденный синглетный уровень, с более высокой энергией. Такие переходы не сопровождаются изменением спина. Рис. 3. Образование возбужденных энергетических уровней, характеризующихся определенной энергией. 1 – синглетного; 2 – триплетного. Время жизни электрона в возбужденном синглетном состоянии очень мало и равно 10 -8 - 10 -9 с. Следует помнить, что электронный переход осуществляется при поглощении 1 кванта света. Ряд молекул обладает так называемыми триплетными уровнями, на которых находятся неспаренные электроны, особенностью которых является проявление возможности однонаправленного спинового момента. Суммарный спиновый момент в этом случае может быть равен трем значениям: –1, 0 или +1. Переход из основного синглетного состояния в триплетное запрещен, т.к. этот переход должен сопровождаться обращением спина электрона, а для этого необходима энергия. На триплетный уровенье электрон попадает из возбужденного синглетного состояния. Время жизни электрона в триплетном состоянии на много дольше, чем в синглетном, и составляет: 10 -4 - 10 сек. Многоатомные макромолекулы кроме электронных энергетических уровней имеют вращательные и колебательные подуровни. Их существование и энергетические характеристики связаны с внутримолекулярными движениями, например, ядер атомов. В зависимости от величины энергии состояния они представляют следующую последовательность: электронный > колебательный > вращательный уровни. Взаимодействие света с веществом Спектр поглощения Способность молекулы поглощать свет зависит от ее электронной конфигурации. При поглощении света происходит переход электронов в возбужденное состояние. Данным веществом поглощается свет определенной длины волны. Поглощательную способность вещества отражает спектр поглощения. 44 Спектр поглощения представляет собой сумму индивидуальных полос поглощения, каждая из которых соответствует переходу между двумя электронными уровнями. Так как сложные молекулы обладают не только электронными, но и вращательными и колебательными подуровнями, их спектр поглощения представляет собой сплошную линию – зависимость интенсивности поглощения света от его длины волны. Обычно спектр поглощения имеет вид кривой с одним или несколькими максимумами, которые отражают наибольшую способность поглощать свет именно этой длины волны и являющейся одной из главных спектральных характеристик. Закон поглощения света Бугера – Ламберта – Бера Мерой интенсивности поглощения служит оптическая плотность D. Эта величина вводится через закон поглощения Бугера – Ламберта – Бера: интенсивность поглощенного света (I 0 -I) уменьшается по экспоненциальному закону в зависимости от концентрации растворенного вещества (с) и длины оптического пути (l): В дифференциальной форме изменение интенсивности равно: kIcdl dI Решение уравнения с учетом константы интегрирования I=I 0 при l=0: kcl e I I 0 или l c k I I 0 ln При переходе к десятичному логарифму: l c I I D 0 lg ,где: I 0 - интенсивность падающего света, I- интенсивность света, прошедшего через объект, k и -константы пропускания света веществом. Их соотношение друг с другом определяется тем, что: lg ln 303 , 2 и тогда: lg ln 303 , 2 k Закон Бугера – Ламберта – Бера выполняется при условиях: Свет монохроматический –одной длины волны (частоты). Отсутствие взаимодействия между молекулами Беспорядочная ориентация молекул Последние два условия выполняются в случае разбавленных растворов. Закон Бугера – Ламберта – Бера является основой для абсорбционной спектрометрии, позволяющей определять количество (концентрацию) веществ, основываясь на линейной зависимости их содержания в растворе от степени поглощения – оптической плотности. Фотоэлектроколориметр и спектрофотометр – приборы абсорбционной спектрофотометрии. Последний отличает способность устанавливать постоянную волну возбуждающего света монохроматором. 45 Пути размена энергии возбужденного состояния молекулы При поглощении кванта света молекула переходит в возбужденное состояние. Так как долго находиться в этом состоянии молекула не может, она возвращается в основное состояние. Энергия возбужденного состояния может тратиться (размениваться) на разные процессы при: переходе в основное состояние с выделением энергии в виде тепла; высвечивании квантов света: люминесценция (флюоресценция и фосфоресценция); миграции энергии; фотохимической реакции. По своей сути все фотобиологические процессы – это пути размена энергии возбужденного состояния молекул. |