Теоретическая часть
Кинетика изучает скорость, с которой совершаются биологические процессы и временно достигается стационарное состояние. Кинетика использует понятие скорость процесса. Скорость процесса пропорциональна концентрации исходных веществ. Это отражается следующим уравнением:
Здесь v – скорость процесса, [c] – концентрация вещества, k –коэффициент пропорциональности и носит название константы скорости.
Помимо зависимости от концентрации реагирующих веществ, скорость реакции зависит от температуры.
Зависимость константы скорости процесса от температуры определяется уравнением Аррениуса:
Здесь k-константа скорости;
z-число столкновений молекул между собой;
p-стерический коэффициент
Eа - энергия, которой должны обладать молекулы для осуществления реакции (энергия активации);
Т-температура по Кельвину;
R-универсальная газовая постоянная (R=1,987 кал\градмоль).
Величина Ea в формуле называется энергией активацией. Величина энергии активации при прочих равных условиях является постоянной для данной химической реакции, поэтому указанной величиной пользуются для характеристики типа самого процесса.
Другой количественной характеристикой того или иного процесса является температурный коэффициент Вант-Гоффа (Q10). Температурный коэффициент Q10 показывает, во сколько раз увеличивается скорость процесса при увеличении температуры на 10 C:
Здесь vT- скорость реакции при температуре Т,
vT+10 - скорость реакции при повышении температуры на 10C .
Энергия активации связана с температурным коэффициентом Q10 и величиной температуры до и после повышения (Т1 и Т2, соответственно) следующей зависимостью:
Рисунок 1. Зависимость логарифма скорости процесса от обратной температуры
Приведенной формулой пользуются для вычисления энергии активации процессов, в т. ч. и биологических, например, скорости секреции, пульсаций и других проявлений, характерных для живых систем.
Энергию активации можно рассчитать по диаграмме Аррениуса. Для этого прологарифмируем уравнение Аррениуса по основанию е:
Величиной lnpz пренебрегаем, тогда между lnk и 1/Т зависимость будет линейной (Рис. 1). По углу наклона прямой можно найти величину энергии активации.
По оси абсцисс отложена обратная температура, по оси ординат -логарифмы скорости реакции, -угол наклона прямой к оси абсцисс.
Практическая часть задание 1. Определить энергию активации сокращений изолированного сердца лягушки по температурному коэффициенту Вант-Гоффа
1. Приготовить две камеры с физиологическим раствором для хладнокровных при разных температурах. В одной из них устанавливается комнатная температура, в другой – с помощью термостата температура на 10 С выше комнатной. Влажными камерами могут служить стеклянные химические стаканчики.
2. Тщательно отпрепарировать сердце лягушки. Лягушку обездвиживают, разрушая зондом спинной мозг, и прикалывают к препаровальнной ванночке. Приподняв пинцетом кожу на брюшке, делают крестообразный разрез и отгибают лоскуты кожи в сторону. Тщательно вытерев ножницы от слизи, вводят кончик одной бранши под грудину и перерезают ее. Затем перерезают плечевой пояс посередине и, раздвигая в стороны верхние конечности, раскрывают грудную клетку. Сердце следует изолировать с некоторым количеством прилегающих тканей.
3. Отпрепарованное сердце лягушки поместить в физиологический раствор при комнатной температуре. Через 2-3 минуты после этого просчитать ритм его сокращений, для чего включают секундомер одновременно с началом отсчета и выключают его в момент 20-го или 30-го сокращения.
4. Затем сердце переносят во влажную камеру, в которой уже установлена необходимая температура и через 1-2 минуты просчитывают ритм его сокращений.
Для этого необходимо определить число сокращений изолированного сердца лягушки при двух температурах, отличающихся друг от друга на 10, и найти коэффициент Вант-Гоффа. Затем подставить его в формулу для вычисления энергии активации.
ПРИМЕР РАСЧЕТА
В опыте установлено, что при 35 изолированное сердце лягушки совершает 20 сокращений в течение 20 секунд, а при 25 20 сокращений происходят в течение 40 секунд. Из этих данных нетрудно вычислить, какое количество сокращений происходит в минуту при той и другой температуре.
При температуре 35о скорость сокращений составит 60 сокращений в минуту, а при 25о – 30 сокращений в минуту. Отсюда коэффициент Вант-Гоффа составит 60/30 = 2.
Десятичный логарифм 2 подставим в формулу и получим, что энергия активации изолированного сердца лягушки равна: Еа = 0,46 298 308 lg2 = 12666 (кал/град моль)