Источники энергии для мембранных и цитоплазматических процессов

Предмет и задачи биофизики

Это наука,изуч.физич.свойства биолог.объектов,физ-хим процессы,протекающие в них и лежащие в основе их функционирования

Не имеют присущего объекта исследования! в отличии от других наук

Структура биофизики

Методы: препаративный, воздействующий, высокомол.соед. регистрирующие,анализир., классифицир.,моделирующие и управляющие

Объекты: низкомолек.соед, органеллы,клетки, ткани и орг, ноосфера

 

Явления: внутриклет.взаимод. на уровне хим.сязей, электр.явления(движение ионов,зарядов), преобразование Е, Прием и переработка информации.

Особенности объектов: высокая хим. И структурная гетерогенность. Высокая интеграция. Необходимость поддержания постоянства внутр среды

Методов: интеграция множ.имеющихся методов анализа

Явлений: высокоскоординрованные процессы

 

Задачи биофизики

1.изуч.на молек.уровне структуры субклеточных образований и механизмов их функц-я.

2.выявление общ.закономерностей(обмн Е,вещества на уровне клетки и организма)

3. изуч.молек.механизмов транспорта через мембранные структуры

4.изуч.молек механизмов изиолого.процессов

5.изуч проц жизнедеят.живых орг при действии внешн факторов

6.кинетичский подход к изучению сложных систем

Единство принципов функционирования живых организмов

1.единство элементного состава

С-вход в сост всех орг соед,созд прочные связи,образ кратные связи

О2-обеспеч окисление, дыхание, N-в состав белков,пепт связь.нк,витамины,имеет пару свободных электронов, Н-состав орг соед,(=98%)Р-днк,кости,зубы, S-сод в АК, Na+К-насосы, Са+Мг-повыш активнсть ферментов,мышцы, Fe-сод в гемоглобине,Сl-в желудке,соляная кислота(=2%),Cu-фермент, F-зубы, J-щитов.железа,гормоны, Zn-витамины С,Е(=0,1 %)

2.принцип единства хим связей. Вытекает из 1 принципа. Поскольку хим.элементы у всех орг одинаковы

3.единство мембр тип строения субклет образований

Постоены по единому мембр типу(липидный бислой и белки),искл митохондрии и хлоропласты

4. единство клет строения (либо клетка,либо сост из клеток)

5.единство строения многоклет организма(жизнь менее чем в клетке невозможна)

 

Термодинамика

Наука о превращении одной Е в другую. термод.система-часть пространства с содержимым огранич от окр среды. Пример:органеллы,клетка, организм. воображаемая оболочка-ноосфера, реальная-ЦПМ,мембраны митохондрий

Е-колич.мера определен. вида движения материи при ее переходе из одного вида в др. определяет способность системы совершать работу. 4 вида Е: механическая -характ движение макротел,раздел на кинетич и потенц: кинетич-скорость движения точек системы,потенц-взаиморасположение тел относит друг друга в пространстве, тепловая -сумма кинет Е хаотич теплового движ всех атомов и молекл,показатель t. химич -Е взаимод всех атомов в молекуле и электрич -взаимод электроннозаряженных частиц.

1 закон термодинамики – закон сохренения Е(ломоносов 1852-57)

Теплота=внутр Е+работа, работа соверш за счет изменения внутренней Е

Следствие 1-закон гесса: Q1=Q2+Q3+Q4=Q5+Q6

Следсвтие 2-если 2 реакции у кот одинаковое начальное состояния,но разные конечные,то разница между эффектами этих реакций явл превращение одного конечного в другой,пример:

C+O2=CO2

C+1|2 O2= CO

2 закон. Энтропия-мера необратимости процесса. В любом теле сод.опредл.доля энтропии.Обратимый проц-кот может вернуться в коненое состояние из исходного. Теплота не может переходть само собой от более холоднго тела к более теплому.

.

Отличие живых систем от неживых:

Явл открытыми системами,открты для потоков вещ и Е, процессы в жив орг имеют необратимый хар-р,живые сист далеки от равновесия,они гетерофазны.

Различия между стационарным состоянием системы и термод.равновесием

Термодинамическое равновесие	Стационарн состояние
Нет обмена с окр средой вещ и Е	Непрерывный обмен
Энтропия системы постоянна и соответствует мах	Энтропия постоянна,но не равна мах
Нет градиентов	Есть градиенты
Не надо затраты свободн Е	Постонные затраты
Вывод: система нереакционна способна,не соверш работу против внешних сил	В системе соверш необрат реакции,работоспособность постоянна

 

2 закон для стац сост,теорема пригожина

В стационарном сост при фиксированных внешних параметрах скорость обр. энтропии в результате необратимого процесса всегда больше 0 и стремится к минимальному значению

Принцип Ле-шателье

если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация, внешнее электромагнитное поле), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия.

Неустойчивое стац. сост-в котором система может вернутся в исходное или образовать новое стац.сост

 

Биоэнергетика.

Электронная схема жизни

Основой регистрируемых эффектов и феноменов в методе ГРВ является получение информации на уровне электронных процессов организма.

«Я глубоко убежден, что мы никогда не сможем понять сущность жизни, если ограничимся молекулярным уровнем… Удивительная тонкость биологических реакций обусловлена подвижностью электронов и объяснима только с позиций квантовой механики». [А. Сент-Дьердьи, Биоэлектроника. М.,Мир, 1971].

Эти слова великого биохимика долгое время оставались без внимания. Только в последние годы началось внедрение квантово-механических подходов в биологию. Электронная схема жизни – круговорот и превращение энергии в биологических системах на электронном уровне, является основой органической жизни. Поглощая свет, электроны хлорофиллов приобретают дополнительную энергию и переходят из основного в возбужденное состояние. Благодаря упорядоченной организации белково-хлорофиллового комплекса, который носит название фотосистемы (ФС), возбужденный электрон не тратит энергию на тепловые превращения молекул, а приобретает способность преодолевать электростатическое отталкивание, хотя расположенное рядом с ним вещество имеет более высокий электронный потенциал, чем хлорофилл. В результате, возбужденный электрон переходит на это вещество. Отбирая электроны у воды, фотосистема окисляет ее до молекулярного кислорода. Так, атмосфера Земли непрерывно обогащается кислородом. При переносе подвижного электрона по цепи структурно связанных между собой макромолекул, он тратит свою энергию на анаболические и катаболические процессы в растениях, а при соответствующих условиях, - и у животных. По современным представлениям, межмолекулярный перенос возбужденного электрона происходит по механизму туннельного эффекта в сильном электрическом поле.

Хлорофиллы служат промежуточной ступенькой в потенциальной яме между донором и акцептором электронов. Они принимают электроны от донора с низким энергетическим уровнем и за счет энергии солнца возбуждают их настолько, что они могут переходить на вещество с более высоким электронным потенциалом, чем донор. Это единственная, хотя и многоступенчатая, световая реакция в процессе фотосинтеза. Дальнейшие аутотрофные биосинтетические реакции не нуждаются в свете. Они происходят в зеленых растениях за счет энергии, заключенной в электронах, принадлежащих НАДФН и АТФ. За счет колоссального притока электронов из двуокиси углерода, воды, нитратов, сульфатов и прочих, сравнительно простых веществ, создаются высокомолекулярные соединения: углеводы, белки, жиры, нуклеиновые кислоты.

Благодаря поглощению фотонов, электроны достигают наивысшего биопотенциала в фотосистемах растений. С этого высокого энергетического уровня они дискретно (по ступенькам) спускаются на самый низкий в биосфере энергетический уровень – уровень воды. Энергия, отдаваемая электронами на каждой ступеньке этой лестницы, превращается в энергию химических связей и таким образом движет жизнью животных и растений. Электроны воды связываются растениями, а клеточное дыхание вновь порождает воду. Этот процесс образует электронный кругооборот в биосфере, источником которого служит Солнце.

Метод газоразрядной визуализации (ГРВ) можно с полным правом отнести к направлению квантовой биофизики. Стимулирование эмиссии электронов и фотонов с поверхности кожного покрова происходит за счет коротких (10 мкс) импульсов электромагнитного поля (ЭМП). Во время действия импульса ЭМП развивается серия импульсов тока (и свечения) длительностью примерно 10 нс каждый. За столь короткое время – 10 нс – ионно-деполизационные процессы в ткани развиться не успевают, поэтому ток может быть обусловлен транспортом электронов по структурным комплексам кожи, включенной в цепь протекания импульсного электрического тока.

Рассмотренные представления показывают, что основным резервуаром свободной энергии в биологических системах являются электронно-возбужденные состояния сложных молекулярных комплексов. Эти состояния непрерывно поддерживаются за счет кругооборота электронов в биосфере, источником которого является солнечная энергия, а основным «рабочим веществом» - вода. Часть состояний тратится на обеспечение текущего энергоресурса организма, часть может запасаться впредь, подобно тому, как это происходит в лазерах после поглощения импульса накачки.

Протекание импульсного электрического тока в непроводящих биологических тканях может обеспечиваться за счет межмолекулярного переноса возбужденных электронов по механизму туннельного эффекта с активированным перескоком электронов в контактной области между макромолекулами. Таким образом, можно предположить, что формирование специфических структурно-белковых комплексов в толще эпидермиса и дермы кожи обеспечивает формирование каналов повышенной электронной проводимости, экспериментально измеряемых на поверхности эпидермиса как акупунктурные точки. Гипотетически можно предположить наличие таких каналов и в толще соединительной ткани, что может быть ассоциировано с «энергетическими» меридианами. Иными словами, понятие переноса «энергии», характерное для представлений Восточной медицины и режущее слух человеку с европейским образованием, может быть ассоциировано с транспортом электронно-возбужденных состояний по молекулярным белковым комплексам. При необходимости совершения физической или умственной работы в данной системе организма, электроны, распределен ные в белковых структурах, транспортируются в данное место и обеспечивают процесс окислительного фосфорилирования, то есть энергетического обеспечения функционирования локальной системы. Таким образом, организм формирует электронное «энергетическое депо», поддерживающее текущее функционирование и являющееся базисом для совершения работы, требующей мгновенной реализации огромных энергоресурсов или протекающей в условиях сверхбольших нагрузок, характерных, например, для профессионального спорта.

Это позволяет заключить, что метод ГРВ дает возможность косвенным образом судить об уровне энергетических запасов молекулярного уровня функционирования структурнобелковых комплексов организма человека.

Изложенные принципы определяют пути и направления внедрения метода ГРВ-биоэлектрографии.

Законы биоэнергетики.

ПЕРВЫЙ ЗАКОН БИОЭНЕРГЕТИКИ

Живая клетка избегает прямого использования энергии внешних ресурсов для совершения полезной работы. Она сначала превращает их в одну из трех конвертируемых форм энергии ("энергетических валют"), а именно: в АТФ, или , которые затем расходуются для осуществления различных энергоемких процессов.

Иными словами, клетка предпочитает "денежное" обращение, а не бартер. Простейшим примером запасания энергии в конвертируемой форме может быть гликолиз, или расщепление углеводов до молочной кислоты:

углевод + АДФ + Н3РО4→молочная кислота + АТФ, (1)

где АДФ - аденозиндифосфорная кислота.

Если затем АТФ используется, например, для совершения механической работы (у животных для мышечного сокращения), то цепь событий завершается расщеплением АТФ до АДФ и Н3РО4 сократительным белком - АТФазой (актомиозином):

АТФ→АДФ + Н3РО4 + механическая работа.(2)

В целом же использование углеводов для энергообеспечения работы мышцы выразится уравнением (3), являющимся суммой уравнений (1) и (2):

Углевод→молочная кислота + механическая работа.(3)

Если источником энергии для мышечной работы служит не гликолиз, а дыхание, то есть окисление кислородом питательных веществ, например углеводов, то посредником также окажется АТФ, но путь к нему будет более сложным. Сначала за счет дыхания будет образован (4), а затем израсходуется для синтеза АТФ из АДФ и Н3РО4 (5):

углевод + О2 → + Н2О + СО2,(4)

+ АДФ + Н3РО4 →АТФ.(5)

В целом весь процесс, называемый дыхательным фосфорилированием, описывается уравнением (6) (стехиометрические коэффициенты не проставлены):

углевод + О2 + АДФ + Н3РО4→Н2О + СО2 + АТФ.(6)

При фотосинтезе в хлоропластах зеленых растений происходят синтез углеводов, выделение О2 и образование за счет энергии света:

свет + Н2О + СО2→ + углевод + О2.(7)

Затем утилизируется для синтеза АТФ по уравнению (5).

В некоторых случаях у бактерий дыхание или анаэробное (бескислородное) расщепление питательных веществ дает не , а . Соответственно работа в этих случаях может поддерживаться за счет расхода . Большую роль играет в животной клетке. Здесь образуется на плазмалемме за счет энергии АТФ и расходуется для аккумуляции в протоплазме различных веществ, поступающих в клетку извне. Поскольку перенос этих веществ происходит в область большей концентрации, а следовательно, большего осмотического давления, он связан с совершением осмотической работы. Эта работа описывается уравнениями (8) и (9):

АТФ → + АДФ + Н3РО4,(8)

→осмотическая работа.(9)

У морских бактерий осмотическая работа также поддерживается за счет , а у пресноводных - за счет . Химическая работа по энергоемкому синтезу разнообразных химических соединений "оплачивается" обычно энергией АТФ, а образование тепла для нужд терморегуляции - энергией . Механическая работа у бактерий (вращение жгутиков) обеспечивается посредством или . Общая схема возможных путей превращения энергии в живых клетках показана на рис. 2.

ВТОРОЙ ЗАКОН БИОЭНЕРГЕТИКИ
Продолжая аналогию с финансами, можно сказать, что клетка держит часть капитала в наличных деньгах, а часть - в чеках, причем часто в двух разных банках. Чтобы убедиться в справедливости этого закона, придется бегло познакомиться с энергетикой клеток, принадлежащих к различным царствам живой природы. Основные типы энергетики клетки показаны на рис. 3-5.

Рис. 3. Энергетика бактерий: а - морские аэробные бактерии, использующие в качестве первичной "энергетической валюты". Ионы H^+откачиваются из клетки за счет энергии света или окисления кислородом субстратов дыхания, например: углеводов, жиров или белков (1), и возвращаются назад сопряженно с синтезом АТФ или совершением других видов химической, механической или осмотической работы (2). АТФ может образовываться также гликолизом (3) и использоваться для поддержания осмотической или химической работы по биосинтезу необходимых клетке веществ (4). может также превращаться в путем обмена внешних ионов H^+ на внутренние ионы Na^+ (5). В свою очередь, поддерживает осмотическую или механическую работу. У пресноводных аэробных бактерий отсутствуют процессы, связанные с Na^+, то есть (5) и (6); б - морские аэробные бактерии, использующие в качестве первичной "энергетической валюты" . Эти бактерии способны к существованию в условиях, когда поддержание невозможно. Na^+ откачивается из клетки за счет дыхания (1) и возвращается внутрь сопряженно с образованием АТФ или совершением осмотической либо механической работы (2). АТФ используется при химической или осмотической работе (3); в - морские анаэробные бактерии, первично использующие. Живут за счет образования АТФ при расщеплении субстратов гликолиза (1). АТФ тратится либо непосредственно на совершение химической и осмотической работы (2), либо на образование (3). Последняя также поддерживает осмотическую работу (4) или дает (5), используемую для той же цели (6). У пресноводных бактерий процессы (5) и (6) отсутствуют; г - морские анаэробные бактерии, первично использующие. Ситуация отличается от рис. 3, в тем, что АТФ сразу превращается в , минуя стадию образования .

 

У морских бактерий (рис. 3) имеются по меньшей мере АТФ и , но очень часто также и . У пресноводных бактерий (на рисунке не показано), "валютой" служат АТФ и . Что касается , то она, как правило, отсутствует из-за низкой концентрации Na⁺ в среде обитания.

 

Рис. 4. Энергетика растительной клетки. Энергия света используется для накачки ионов H^+ внутрь тилакоидов хлоропластов (1). Ионы H^+ выходят из тилакоидов с образованием АТФ (2). В митохондриях дыхание поддерживает откачку H^+ из органелл (3). При входе ионов H^+ в митохондрии происходит синтез АТФ или совершается осмотическая работа (4). Третьим механизмом синтеза АТФ может быть гликолиз (5). Образовавшись тем или иным способом, АТФ расходуется затем при различных видах работы (6) или тратится на создание на плазмалемме (7) либо тонопласте - мембране вакуоли (10). затем используется для осмотической работы (8, 11) или откачки Na^+ из клетки (9). Роль ограничивается стабилизацией на плазмалемме.

 

Клетки растений (рис. 4) располагают АТФ и . Что касается , то она может вторично (за счет ) образовываться на плазмалемме, но обычно играет подчиненную роль фактора, стабилизирующего уровень на этой мембране. Животная клетка (рис. 5) располагает всеми тремя "валютами". При этом для плазмалеммы характерна натриевая энергетика, а для внутриклеточных мембран - протонная. Живые системы, имеющие только одну конвертируемую форму энергии, не обнаружены.

Рис. 5. Энергетика животной клетки. Ионы H^+ откачиваются из митохондрий за счет дыхания (1) и возвращаются назад сопряженно с синтезом АТФ или совершением митохондриями осмотической работы (2). АТФ может также получаться при гликолизе (3) и использоваться для производства работы (4), а также создания на плазмалемме (5). Затем расходуется для концентрирования веществ в клетке, то есть для осмотической работы (6). Кроме того, АТФ поддерживает генерацию на мембранах секреторных гранул (7), лизосом и эндосом, также способных совершать определенные виды осмотической работы (8)

ТРЕТИЙ ЗАКОН БИОЭНЕРГЕТИКИ

"Энергетические валюты" клетки могут превращаться одна в другую. Поэтому получения хотя бы одной из них за счет внешних ресурсов достаточно для поддержания жизнедеятельности.

Иначе говоря, не столь важно, в какой "валюте" поступит доход, если "валюта" эта конвертируемая. Взаимопревращение АТФ, и осуществляется специальными ферментами. Взаимопереход АТФ катализируется H⁺-АТФ-синтазой, превращение АТФ обеспечивается Na⁺-АТФ-синтазой, а равновесие осуществляется H⁺ / Na⁺ -антипортером.
Наиболее яркой иллюстрацией действия третьего закона служат примеры тех редких форм жизни, которые используют одну-единственную энергопроизводящую реакцию для поддержания всего разнообразия энергоемких процессов. Такого рода примеры описаны, как правило, применительно к бактериям, избравшим для своего существования определенные природные ниши.
Так, анаэробные бактерии могут за счет гликолиза производить АТФ, который затем используется в процессах энергообеспечения либо непосредственно, либо после превращения в или . Железобактерии способны окислять кислородом ион Fe2 + в ион Fe3 +, образуя . Эта единственная реакция дыхания питает все потребляющие энергию процессы, в том числе синтез АТФ из АДФ и H₃РO₄. Описаны бактерии, использующие только свет в качестве энергетических ресурсов. Но, пожалуй, наиболее удивительна энергетика бактерии Propionigenium modestum, обнаруженной недавно в иле морского пролива неподалеку от Венеции. У этой бактерии нет ни фотосинтеза, ни дыхания, ни гликолиза. Вся необходимая энергия черпается из единственной реакции декарбоксилирования янтарной кислоты в пропионовую. Этот процесс сопряжен с генерацией , которая утилизируется для совершения осмотической работы либо превращается в АТФ посредством Na⁺-АТФ-синтазы. Propionigenium modestum живет в анаэробных условиях вместе с другими бактериями, образующими янтарную кислоту в качестве конечного продукта брожения.
В то же время гораздо чаще встречаются случаи, когда живая клетка располагает несколькими источниками энергии. Так, животные и некоторые виды бактерий могут использовать для энергообеспечения как дыхание, так и гликолиз. В клетках растений и фотосинтезирующих бактерий к этим двум процессам добавляется еще и фотосинтез. Однако, как правило, даже и в этих более сложных случаях какой-то один процесс доминирует в каждый конкретный момент времени, чтобы смениться другим при изменении условий.

Общая схема энергетических преобразований в клетке

Химические свойства

Структура аденозинтрифосфорной кислоты

Систематическое наименование АТФ:

9-β-D-рибофуранозиладенин-5'-трифосфат, или

9-β-D-рибофуранозил-6-амино-пурин-5'-трифосфат.

Химически АТФ представляет собой трифосфорный эфир аденозина, который является производным аденина и рибозы.

Пуриновое азотистое основание — аденин — соединяется β-N-гликозидной связью с 1'-углеродом рибозы. К 5'-углероду рибозы последовательно присоединяются три молекулы фосфорной кислоты, обозначаемые соответственно буквами: α, β и γ.

АТФ относится к так называемым макроэргическим соединениям, то есть к химическим соединениям, содержащим связи, при гидролизе которых происходит освобождение значительного количества энергии. Гидролиз макроэргических связей молекулы АТФ, сопровождаемый отщеплением 1 или 2 остатков фосфорной кислоты, приводит к выделению, по различным данным, от 40 до 60 кДж/моль.

АТФ + H₂O → АДФ + H₃PO₄ + энергия

АТФ + H₂O → АМФ + H₄P₂O₇ + энергия

Высвобожденная энергия используется в разнообразных процессах, протекающих с затратой энергии.

[править]Роль в организме

Главная роль АТФ в организме связана с обеспечением энергией многочисленных биохимических реакций. Являясь носителем двух высокоэнергетических связей, АТФ служит непосредственным источником энергии для множества энергозатратных биохимических и физиологических процессов. Всё это реакции синтеза сложных веществ в организме: осуществление активного переноса молекул через биологические мембраны, в том числе и для создания трансмембранного электрического потенциала; осуществления мышечного сокращения.

Помимо энергетической АТФ выполняет в организме ещё ряд других не менее важных функций:

· Вместе с другими нуклеозидтрифосфатами АТФ является исходным продуктом при синтезе нуклеиновых кислот.

· Кроме того, АТФ отводится важное место в регуляции множества биохимических процессов. Являясь аллостерическим эффектором ряда ферментов, АТФ, присоединяясь к их регуляторным центрам, усиливает или подавляет их активность.

· АТФ является также непосредственным предшественником синтеза циклического аденозинмонофосфата — вторичного посредника передачи в клетку гормональногосигнала.

· Также известна роль АТФ в качестве медиатора в синапсах.

Пути синтеза

В организме АТФ синтезируется путём фосфорилирования АДФ:

АДФ + H₃PO₄ + энергия → АТФ + H₂O.

Фосфорилирование АДФ возможно двумя способами: субстратное фосфорилирование и окислительное фосфорилирование (используя энергию окисляющихся веществ). Основная масса АТФ образуется на мембранах митохондрий в ходе окислительного фосфорилирования H-зависимой АТФ-синтазой. Субстратное фосфорилирование АТФ не требует участия мембранных ферментов, оно происходит в процессе гликолиза или путём переноса фосфатной группы с других макроэргических соединений.

Реакции фосфорилирования АДФ и последующего использования АТФ в качестве источника энергии образуют циклический процесс, составляющий суть энергетического обмена.

В организме АТФ является одним из самых часто обновляемых веществ, так у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин. В течение суток одна молекула АТФ проходит в среднем 2000—3000 циклов ресинтеза (человеческий организм синтезирует около 40 кг АТФ в день), то есть запаса АТФ в организме практически не создаётся, и для нормальной жизнедеятельности необходимо постоянно синтезировать новые молекулы АТФ.

Энергетика фотосинтеза

Важнейшей особенностью процесса фотосинтеза является то, что он протекает с использованием энергии солнечного света. Лучистая энергия — это энергия электромагнитных колебаний, которая характеризуется определенной длиной волны, частотой колебания и скоростью распространения. Длина волны измеряется в нанометрах, а частота колебаний—в герцах (длина волны — расстояние между двумя последовательными пиками одного цикла, частота колебаний — частота появления пиков). Собственно свет, или область электромагнитных колебаний, воспринимаемая человеческим глазом, лежит в пределах длины волн от 400 до 700 нм. Более короткие волны характерны для ультрафиолетовых лучей, а более длинные — для инфракрасных. Известно, что при пропускании луча света через призму он разлагается на отдельные участки, имеющие различную окраску (спектр). В пределах видимого света в зависимости от длины волны окраска лучей различна. Обладая волновыми характеристиками, свет проявляет и корпускулярные свойства. Лучистая энергия излучается и распространяется в виде отдельных дискретных единиц — квантов или фотонов. Квант света обладает энергией, которая прямо пропорциональна частоте колебаний и обратно пропорциональна. Энергия квантов разных областей спектра может быть вычислена в электронвольтах или в килоджоулях на моль. 1 моль квантов, или 1 Эйнштейн, соответствует числу квантов, равному 6,023x1023 (число Авогадро).

 

Скорость реакции

Скорость реакции — изменение количества одного из реагирующих веществ за единицу времени в единице реакционного пространства. Является ключевым понятием химической кинетики. Скорость химической реакции — величина всегда положительная, поэтому, если она определяется по исходному веществу (концентрация которого убывает в процессе реакции), то полученное значение умножается на −1.

Например для реакции:

выражение для скорости будет выглядеть так:

.

В 1865 году Н. Н. Бекетовым и в 1867 году Гульдбергом и Вааге был сформулирован закон действующих масс:

Скорость химической реакции в каждый момент времени пропорциональна концентрациям реагентов, возведенным степени, равные их стехиометрическим коэффициентам.

Для элементарных реакций показатель степени при значении концентрации каждого вещества часто равен его стехиометрическому коэффициенту, для сложных реакций это правило не соблюдается. Кроме концентрации на скорость химической реакции оказывают влияние следующие факторы:

· природа реагирующих веществ,

· наличие катализатора,

· температура (правило Вант-Гоффа),

· давление,

· площадь поверхности реагирующих веществ.

Если мы рассмотрим самую простую химическую реакцию A + B → C, то мы заметим, что мгновенная скорость химической реакции величина непостоянная.

Уравнение Аррениуса

Уравне́ние Арре́ниуса устанавливает зависимость константы скорости химической реакции от температуры .

Согласно простой модели столкновений химическая реакция между двумя исходными веществами может происходить только в результате столкновения молекул этих веществ. Но не каждое столкновение ведёт к химической реакции. Необходимо преодолеть определённый энергетический барьер, чтобы молекулы начали друг с другом реагировать. То есть молекулы должны обладать некой минимальной энергией (энергия активации ), чтобы этот барьер преодолеть. Из распределения Больцмана для кинетической энергии молекул известно, что число молекул, обладающих энергией , пропорционально . В результате скорость химической реакции представляется уравнением, которое было получено шведским химиком Сванте Аррениусом из термодинамических соображений:

Здесь характеризует частоту столкновений реагирующих молекул, — универсальная газовая постоянная.

В рамках теории активных соударений зависит от температуры, но эта зависимость достаточно медленная:

Оценки этого параметра показывают, что изменение температуры в диапазоне от 200 °C до 300 °C приводит к изменению частоты столкновений на 10 %.

В рамках теории активированного комплекса получаются другие зависимости от температуры, но во всех случаях более слабые, чем экспонента.

Уравнение Аррениуса стало одним из основных уравнений химической кинетики, а энергия активации — важной количественной характеристикой реакционной способности веществ.

Вопрос

Миграция энергии и электронов в биологических структурах.

Под миграцией энергии понимают безызлучательный перенос энергии или электронов между молекулами, находящимися в основном состоянии или между отдельными частями одной молекулы. Возможность переноса электронов обеспечивается наличием коллективизированных π-электронных облаков. Выделяют три механизма миграции энергии:

1. Индуктивно-резонансный.

Происходит миграция энергии по синглетным уровням. Возбуждённым электроном донора генерируется переменное магнитное поле, которое взаимодействует с электроном акцептора. Если частота переменного поля совпадает с частотой перехода электрона донора на возбуждённый уровень, происходит перенос энергии. Такой механизм имеет место при небольших энергиях взаимодействия, но перенос может происходить на большие расстояния.

Обменно-резонансный.

В этом случае происходит обмен электронами триплетных уровней. Для осуществления такого обмена необходимо частичное перекрывание электронных облаков донора и акцептора.

Экситонный механизм.

Этот механизм имеет место при больших энергиях взаимодействия. При этом возбуждение передаётся с донора на акцептор раньше релаксации самого донора. При этом может произойти передача сразу на несколько молекул-доноров. Эта область передачи возбуждения называется экситон.

Перенос электрона между взаимодействующими группами происходит по туннельному механизму и сопряжён с изменением конформации молекул.

 

 

ЭКСИТОННЫЙ МЕХАНИЗМ

Экситонный механизм - это бездиссипативный процесс переноса энергии в кристаллах, где возможно возбуждение коллективных состояний. Тогда возбуждением одновременно охватывается несколько сотен молекул. Время колебательной релаксации по подуровням состояния S ₁ (~10^-12 с) существенно больше, чем время переноса (10^-13-10^-14с). Возбуждение как бы "бежит" по верхним колебательным подуровням взаимодействующих молекул, не успевая локализоваться на каждой из них в отдельности. Область возбуждения, охватывающая одновременно большое число молекул называется экситоном.

Различают когерентный и некогерентный экситоны. Когерентность - это согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Когерентный экситон возникает, когда время переноса возбуждения намного меньше времени внутримолекулярной колебательной релаксации. Именно большая величина времени релаксации обеспечивает сохранение фазы возбуждения соседних молекул и образование когерентного экситона. Распространение когерентных экситонов можно представить в виде диффузии экситонного возбуж