| Головна |
| «« | ЗМІСТ | »» |
|---|
Характер і час протікання хімічного перетворення при різних умовах істотно залежать від механізму, за яким здійснюється це перетворення.
Механізмом реакції називається сукупність взаємодій молекул (частинок) реагуючих речовин, в результаті яких утворюються інші речовини - кінцеві продукти.
Наприклад, різні метаболічні шляхи, розглянуті в гл. 5, являють собою механізми перетворення одних біогенних речовин в інші.
По механізму все реакції підрозділяють на прості і складні.
Реакція називається простий, якщо продукт утворюється в результаті безпосередньої взаємодії молекул реагентів.
Наприклад, в реакції гідроксид-іонів АЛЕ і іонів водню Н * освіту молекул води (реакція нейтралізації) здійснюється в акті безпосереднього взаємодії іонів:
Простий є і реакція гемоглобіну з киснем:
Прості реакції називаються також одностадійньші, т. е. вони протікають в одну стадію. Часто така стадія називається елементарним актом.
Реакція називається складною, якщо кінцевий продукт виходить в результаті здійснення двох і більше простих реакцій (елементарних актів) з утворенням проміжних продуктів.
Всі біохімічні реакції складні. Типовою складною реакцією є реакція взаємодії глюкози СБН ^ Про з киснем О2 при клітинному диханні. У цьому процесі діоксид вуглецю СО2 і вода Н2О утворюються з глюкози в результаті більше двох десятків простих реакцій з таким же числом проміжних продуктів (див. Розд. 9.1).
Механізм процесу і його кінетика в значній мірі залежать від стану середовища.
При розгляді біохімічних перетворень, що протікають в живому організмі, не завжди просто вирішити, гомогенної або гетерогенної є ця реакція. Наприклад, життєво необхідна реакція освіти оксигемоглобіну нь + 02 = НЬС2 забезпечує постачання тканин тварин киснем, що надходять в легені при вдиху в газоподібному стані. ця реакція гомогенна, так як і гемоглобін, і кисень знаходяться в одній і тій же клітинної рідини - цитоплазмі еритроцитів - в розчиненому стані.
Велике число біохімічних перетворень протікає всередині біологічних мембран або на їх поверхні. Зокрема, окремі стадії біоокислення глюкози пов'язані з мембранами клітинних органел - мітохондрій. Тут вирішення питання про гомогенності або гетерогенності реакцій залежить від того, до якої фазі відносяться мембрани.
Одним з основних понять біологічної кінетики є швидкість хімічної реакції.
Швидкість хімічної реакції - міра швидкості протікання хімічних перетворень.
Нехай речовина X (реагент) перетворюється в речовину Y (продукт). Реакція записується у вигляді
У моменти часу t9 / 2 * - від початку реакції кількості речовини X (в молях) рівні п| (Х), /? 2 (Х). кількість Ап (Х) реагенту X, який перетворився на Y за час А / = / 2 - * ь одно
Тоді середня швидкість хімічної реакції vcp дорівнює
Очевидно, що розрахунок середньої швидкості хімічної реакції аналогічний розрахунку середньої швидкості руху спортсмена по дистанції. Нехай за час At пройдена дистанція As. Середня швидкість спортсмена дорівнює
Вивчення різних реакцій показує, що швидкість перетворення може змінюватися в ході реакції, т. Е. Швидкість є функцією часу: v = v (/), так само як і кількість реагенту є функцією часу: п = n (t). Тому замість середньої швидкості застосовують точну характеристику швидкості хімічного перетворення -миттєву швидкість, або просто швидкість хімічної реакції:
де dn / dt - похідна за часом / від функції n (t).
Дані визначення швидкості справедливі як для гомогенних, так і для гетерогенних реакцій. Однак швидкість гомогенних перетворень зручніше характеризувати зміною концентрації з реагенту:
де концентрація з = n / V(Моль / л) (V- обсяг системи, л).
Одиниця виміру швидкості реакції v в одиницях СІ - 1 моль / (л с).
У практиці біохімічних досліджень поряд з молярною концентрацією (моль / л) застосовують концентрації по масі (мг / 100 мл), по масовій частці (% / 100 мл) та ін. Одиниці виміру швидкості відповідно мг / (100 мл * с),% / (100 мл с).
Наприклад, число осілих еритроцитів Мер з досліджуваної проби крові можна виміряти, визначаючи їх масу т1р. Однак в клініці зручніше вимірювати висоту стовпчика І (Мм) осіли в капілярі еритроцитів. Очевидно, що за інших рівних умов маса осіли еритроцитів т) р пропорційна висоті Н. Тому важлива характеристика стану організму - швидкість осідання еритроцитів (ШОЕ) - вимірюється відповідно в мм / год.
Таким чином, в залежності від конкретного методу вимірювання швидкість процесу може виражатися в різних одиницях. Але завжди треба вміти перевести їх в одиниці СІ.
На основі розглянутих понять біологічна кінетика може бути визначена як наука про швидкостях протікання біологічних перетворенні і механізмах цих перетворень.
Для експериментального вимірювання швидкості хімічних реакцій необхідно мати дані про кількість або концентрації беруть участь в реакції речовин в різні моменти часу.
Отримані дані представляють у вигляді таблиць або у вигляді графіків - кінетичних кривих (рис. 10.1).
Мал. /0.1. Типова кінетична крива хімічної реакції:
° - експериментальні точки. п (Х) - кількість реагенту X, / - час
Експериментальні методи хімічної кінетики поділяють на хімічні, фізичні та біохімічні залежно від способу вимірювання кількості речовини або його концентрації в ході реакції.
В сучасної експериментальної кінетики до числа найбільш широко застосовуваних фізичних методів відносяться різні спектральні методи, які засновані на вимірах спектрів поглинання реагентів або продуктів в ультрафіолетовій, видимій та інфрачервоній областях.
Часто використовують також спектри електронного парамагнітного резонансу (ЕПР) і ядерного магнітного резонансу (ЯМР).
Істотною перевагою спектральних методів перед хімікоаналітічними є те, що вимірювання кількості речовини або концентрації проводяться безпосередньо в ході реакції. У цитології спектральні методи використовуються для кінетичних досліджень навіть на живих культурах клітин.
На рис. 10.2 наведені ультрафіолетові спектри солей сечової кислоти - уратів - в пробі крові. На осі ординат відкладена оптична щільність А. на осі абсцис - довжина хвилі X. Максимум оптичної щільності, в відпо з законом Ламберта-Бера, пропорційний концентрації солей сечової кислоти.
Мал. 10.2. Зміна спектра поглинання розчину уратів в реакції з уриказа (а) і залежність поглинання від часу (в хв) (Б)
У розчин, що містить пробу крові, додають фермент уриказу. Під дією цього ферменту в присутності кисню повітря сечова кислота окислюється і відповідно з часом зменшується максимум оптичної щільності в спектрі поглинання. За швидкістю зміни максимуму визначають зміст сечової кислоти.
Підвищений вміст уратів в крові є одним з діагностичних ознак подагри - важкого захворювання суглобів (див. Розд. 9.5).