Тиманюк В.А., Животова Е.Н. Биофизика

Подождите немного. Документ загружается.

191

íèå — ãóàíèí. Âî âðåìÿ ñèíòåçà ìàòðè÷íîé ÐÍÊ (òðàíñêðèïöèè) ãå-

íåòè÷åñêàÿ èíôîðìàöèÿ, ñîäåðæàùàÿñÿ íà îïðåäåëåííîì ó÷àñòêå

ÄÍÊ, ïî ïðèíöèïó êîìïëåìåíòàðíîñòè ïåðåõîäèò íà ÐÍÊ, íà êîòî-

ðîé êàê íà ìàòðèöå ïðîèñõîäèò ñèíòåç áåëêà (òðàíñëÿöèÿ) â ðèáîñî-

ìàõ. Ïðèñîåäèíåíèå íóæíûõ àìèíîêèñëîò ê ñèíòåçèðóþùåéñÿ ïîëè-

ïåïòèäíîé öåïè îñóùåñòâëÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ òðàíñïîðòíîé ÐÍÊ.

Òàêèì îáðàçîì, ÐÍÊ ÿâëÿåòñÿ ïîñðåäíèêîì ìåæäó ÄÍÊ è áåëêîì,

à â íåêîòîðûõ âèðóñàõ – íîñèòåëåì ãåíåòè÷åñêîé èíôîðìàöèè.

Ðàçëè÷íûå êîíôîðìàöèè ïîëèíóêëåîòèäíîé öåïè äîñòèãàþòñÿ

áëàãîäàðÿ âîçìîæíîñòè ïîâîðîòîâ âîêðóã íåêîòîðûõ ñâÿçåé

(ðèñ. 6.7.3). Êîíôîðìàöèÿ íóêëåèíîâûõ êèñëîò â çíà÷èòåëüíîé ñòå-

ïåíè îïðåäåëÿåòñÿ êîíôîðìà-

öèåé äåçîêñèðèáîçû â ÄÍÊ èëè

ðèáîçû â ÐÍÊ. Ìîëåêóëà óãëå-

âîäà ÿâëÿåòñÿ öèêëè÷åñêîé.

Â çàâèñèìîñòè îò òîãî, êàêîé èç

àòîìîâ óãëåðîäà (Ñ2' èëè Ñ3') íà-

õîäèòñÿ âíå ïëîñêîñòè îñòàëü-

íûõ ÷åòûðåõ àòîìîâ, ðàçëè÷àþò

ñëåäóþùèå êîíôîðìàöèè. Åñëè

àòîì Ñ2' èëè Ñ3' íàõîäèòñÿ ñ òîé

æå ñòîðîíû îò ïëîñêîñòè, ÷òî

è àòîì Ñ5', òî òàêàÿ êîíôîðìàöèÿ

íàçûâàåòñÿ ýíäî-, åñëè ñ äðóãîé

ñòîðîíû, òî — ýêçîêîíôîðìàöèÿ.

Ñëåäîâàòåëüíî, âîçìîæíû ÷åòû-

ðå ñëó÷àÿ: Ñ2'-ýíäî, Ñ3'-ýíäî-, Ñ2'-ýêçî- è Ñ3' -ýêçîêîíôîðìàöèè

(ðèñ. 6.7.4). Â çàâèñèìîñòè îò êîíôîðìàöèè óãëåâîäà, ðàçëè÷àþò äâà

ñåìåéñòâà êîíôîðìàöèé ÄÍÊ: À-ñåìåéñòâî (Ñ3' -ýíäîêîíôîðìà-

öèÿ, À-ôîðìà ÄÍÊ) è Â-ñåìåéñòâî (Ñ2'-ýíäîêîíôîðìàöèÿ, Â-, Ñ-

è Ò-ôîðìû ÄÍÊ). Èç ðèñ. 6.7.4 âèäíî, ÷òî â Ñ

-ýíäî- è Ñ

ýêçîêîíôîðìàöèÿõ óãîë ϕ íåâåëèê (ñîñòàâëÿåò 2—6°), ïîýòîìó

â Â-ñåìåéñòâàõ ÄÍÊ íóêëå-

îòèäíûå ïàðû ðàñïîëîæå-

íû ïî÷òè ïåðïåíäèêóëÿðíî

ê îñè ñïèðàëè, äëÿ Ñ

-ýíäî-

êîíôîðìàöèè ϕ = 20°. Êîí-

ôîðìàöèîííûå ïåðåõîäû

ÄÍÊ âíóòðè îäíîãî ñåìåé-

ñòâà îñóùåñòâëÿþòñÿ ïëàâíî,

à ïåðåõîä èç À- â Â-ñåìåé-

ñòâà — ñêà÷êîîáðàçíî, ñî-

ïðîâîæäàÿñü èçìåíåíèåì

êîíôîðìàöèè óãëåâîäà îò

-ýíäî ê Ñ

-ýêçî.

Ðèñ. 6.7.3. Óãëû ïîâîðîòà â çâåíå ïîëè-

íóêëåîòèäíîé öåïè

Ðèñ. 6.7.4. ×åòûðå íàèáîëåå óñòîé÷èâûå êîí-

ôîðìàöèè ñàõàðíîãî êîëüöà â íóêëåîòèäå

§ 6.7. Áèîôèçèêà íóêëåèíîâûõ êèñëîò

192

Ýòîò ìåòîä òàêæå ìîæíî èñïîëüçîâàòü ïðè èçìåðåíèè ñòåïåíè ñïèðàëüíî-

ñòè áåëêîâ, îäíàêî ìàêñèìóì èõ ïîãëîùåíèÿ ëåæèò â äàëåêîé óëüòðàôèîëåòîâîé

îáëàñòè (200 íì), ÷òî óñëîæíÿåò ñïåêòðîôîòîìåòðè÷åñêèå èçìåðåíèÿ.

Ìîëåêóëû ÄÍÊ ÿâëÿþòñÿ ñàìûìè áîëüøèìè â ïðèðîäå. Íà-

ïðèìåð, êîëüöåâûå ÄÍÊ ôàãà Ò2 èìåþò äëèíó 49 ìêì, à ÄÍÊ

E. coli — 400 ìêì, ìîëåêóëÿðíàÿ ìàññà ïîñëåäíåé ñîñòàâëÿåò 10

Êàæäàÿ õðîìîñîìà ñîäåðæèò òîëüêî îäíó ìîëåêóëó ÄÍÊ, êîòîðàÿ

èìååò äëèíó îò íåñêîëüêèõ ìèëëèìåòðîâ äî íåñêîëüêèõ ñàíòèìåò-

ðîâ. Ñóììàðíàÿ äëèíà âñåõ ìîëåêóë ÄÍÊ îäíîé êëåòêè ÷åëîâåêà

ñîñòàâëÿåò îêîëî äâóõ ìåòðîâ.

Îãðîìíûå ðàçìåðû ìîëåêóë íóêëåèíîâûõ êèñëîò òðåáóþò èõ

îñîáîé óêëàäêè â ïðåäåëàõ ìàëûõ ðàçìåðîâ êëåòîê èëè âèðóñîâ.

Ýòî äîñòèãàåòñÿ çà ñ÷åò âîçìîæíîñòè îáðàçîâàíèÿ â ìîëåêóëå ÄÍÊ

ïåðåãèáîâ, ïåòåëü, ñóïåðñïèðàëåé, ÷òî ôîðìèðóåò åå òðåòè÷íóþ

ñòðóêòóðó.

Îñîáîå ñòðîåíèå ìîëåêóëû ÄÍÊ — ïëîòíàÿ óïàêîâêà àçîòèñ-

òûõ îñíîâàíèé, ñâÿçàííûõ ñèëüíûìè è ñëàáûìè âçàèìîäåéñòâèÿ-

ìè, — îáåñïå÷èâàåò âûñîêóþ ñîõðàííîñòü ãåíîâ äàæå ïðè çíà÷è-

òåëüíûõ âàðèàöèÿõ óñëîâèé îêðóæàþùåé ñðåäû. Êîìïëåìåíòàðíûå

ïàðû îñíîâàíèé ñâÿçàíû äðóã ñ äðóãîì âîäîðîäíûìè ñâÿçÿìè, êî-

òîðûå îòíîñÿòñÿ ê ñëàáûì âçàèìîäåéñòâèÿì. Íàïðèìåð, äëÿ Ã—Ö-

ïàð ýíåðãèÿ ñâÿçè Å

ñâ

ñîñòàâëÿåò âñåãî ëèøü 5 êÄæ/ìîëü, à êîí-

ñòàíòà äèññîöèàöèè Ê, ñîãëàñíî óðàâíåíèþ Áîëüöìàíà, —

5000 1

exp exp 0,14

8, 31 309 7



=− =− ==



⋅





, (6.7.2)

òî åñòü â îäíîìîëÿðíîì ðàñòâîðå íà êàæäûå 7 ïàð îñíîâàíèé ïðè-

õîäèòñÿ îäíà ðàçîðâàííàÿ. Äëÿ äâóõ ïàð îñíîâàíèé êîíñòàíòà äèñ-

ñîöèàöèè ñîñòàâëÿåò (1/7)

= 1/49. Äëÿ öåïè èç íåñêîëüêèõ òûñÿ÷

ïàð íóêëåîòèäîâ êîíñòàíòà äèññîöèàöèè óæå íàñòîëüêî ìàëà, ÷òî

ðàâíîâåñèå ïî÷òè ïîëíîñòüþ ñìåùåíî â ñòîðîíó îáðàçîâàíèÿ êîì-

ïëåêñîâ ïàð îñíîâàíèé.

Âòîðè÷íàÿ ñòðóêòóðà ÄÍÊ ÿâëÿåòñÿ ñòàáèëüíîé ëèøü â îïðåäå-

ëåííûõ óñëîâèÿõ. Èçìåíåíèÿ òåìïåðàòóðû, ðàñòâîðèòåëÿ, ðÍ, èîí-

íîãî ñîñòàâà ñðåäû ìîæåò ïðèâåñòè ê ðàçðóøåíèþ ñëàáûõ âîäîðîä-

íûõ ñâÿçåé ìåæäó ïàðàìè íóêëåîòèäîâ è îáðàçîâàíèþ âìåñòî

äâîéíîé ñïèðàëè ÄÍÊ èëè äâóñïèðàëüíûõ ó÷àñòêîâ ÐÍÊ îòäåëü-

íûõ íóêëåîòèäíûõ öåïåé, ñâîðà÷èâàþùèõñÿ â êëóáîê. Ýòîò ïðîöåññ

íàçûâàåòñÿ äåíàòóðàöèåé èëè ïëàâëåíèåì íóêëåèíîâûõ êèñëîò.

Â ïðîöåññå ïëàâëåíèÿ ÄÍÊ ïðîèñõîäèò óìåíüøåíèå âÿçêîñòè

ðàñòâîðà, à â îáëàñòè ìàêñèìàëüíîãî ïîãëîùåíèÿ (260 íì) – óâåëè-

÷åíèå îïòè÷åñêîé ïëîòíîñòè (ãèïîõðîìèçì). Ïîýòîìó ÿâëåíèå ïëàâ-

ëåíèÿ ëåãêî îáíàðóæèòü ïî ñïåêòðó ïîãëîùåíèÿ ÄÍÊ (ðèñ. 6.7.5).

Èçìåíåíèå ïîãëîùåíèÿ ÄÍÊ ïðè ïåðåõîäå ñïèðàëü—êëóáîê äàåò

êîëè÷åñòâåííóþ îöåíêó ñïèðàëüíîñòè ÄÍÊ

Ãëàâà 6. Ìîëåêóëÿðíàÿ áèîôèçèêà

193

Ðèñ. 6.7.5. Çàâèñèìîñòü îïòè÷åñêîé ïëîòíî-

ñòè D îò äëèíû âîëíû λ äëÿ ñïèðàëüíîé (1)

è êëóáêîîáðàçíîé (2) êîíôîðìàöèé ÄÍÊ òè-

ìóñà òåëåíêà â òÿæåëîé âîäå

Ðèñ. 6.7.6. Ïåðåõîä ñïèðàëü—êëó-

áîê â ÄÍÊ:

θ — äîëÿ ñïèðàëèçîâàííûõ çâåíüåâ;

θ = 1 äëÿ ïîëíîñòüþ ñïèðàëèçîâàííîé

ÄÍÊ; θ = 0 äëÿ ïîëíîñòüþ ðàñïëåòåí-

íîé ÄÍÊ

ÄÍÊ õàðàêòåðèçóåòñÿ íå îïðåäåëåííîé òåìïåðàòóðîé ïëàâëå-

íèÿ, à íåêîòîðûì òåìïåðàòóðíûì èíòåðâàëîì, â êîòîðîì ïðîèñ-

õîäèò ïåðåõîä ñïèðàëü—êëóáîê. S-îáðàçíûé âèä êðèâîé ïëàâëå-

íèÿ (ðèñ. 6.7.6) ñâèäåòåëüñòâóåò î êîîïåðàòèâíîñòè ýòîãî ïðîöåññà.

Òåìïåðàòóðà ïëàâëåíèÿ äâîéíîé ñïèðàëè ÄÍÊ çàâèñèò îò ñî-

îòíîøåíèÿ ÀÒ- è ÃÖ-ïàð. Àäåíèí ñâÿçàí ñ òèìèíîì äâóìÿ âîäî-

ðîäíûìè ñâÿçÿìè, à ãóàíèí ñ öèòîçèíîì — òðåìÿ. Ïîýòîìó, ÷åì

áîëüøå â ñîñòàâå ÄÍÊ ÃÖ-ïàð, òåì âûøå åå òåìïåðàòóðà ïëàâëå-

íèÿ. Òàê, äëÿ ñèíòåòè÷åñêîãî ïîëèìåðà ïîëè-ÀÒ òåìïåðàòóðà ïëàâ-

ëåíèÿ ñîñòàâëÿåò 65 °Ñ, à äëÿ ïîëè-ÃÖ — 104 °Ñ.

Çíà÷åíèå òåìïåðàòóðû ïëàâëåíèÿ íóêëåèíîâûõ êèñëîò çàâèñèò

òàêæå îò êîíöåíòðàöèè êàòèîíîâ â ðàñòâîðå: ÷åì îíà âûøå, òåì

âûøå òåìïåðàòóðà ïëàâëåíèÿ (çàâèñèìîñòü áëèçêà ê ëîãàðèôìè-

÷åñêîé). Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî â ðàñòâîðå ïðîèñõîäèò äèññîöè-

àöèÿ ôîñôàòíîé êèñëîòû. Îáðàçóþùèåñÿ îòðèöàòåëüíûå çàðÿäû

îòòàëêèâàþò äðóã îò äðóãà êîìïëåìåíòàðíûå öåïè. Êàòèîíû â ýòîì

ñëó÷àå êîìïåíñèðóþò îòðèöàòåëüíûé çàðÿä è óìåíüøàþò ñèëû

îòòàëêèâàíèÿ.

ÏÐÈÌÅÐÛ ÐÅØÅÍÈß ÇÀÄÀ×

Çàäà÷à 6.1. Ïðè ïåðåíîñå ýòàíà èç áåíçîëà â âîäó ïðè òåìïåðàòóðå

t = 25 °Ñ ýíòàëüïèÿ H óìåíüøèëàñü íà 9240 Äæ/ìîëü, à ýíòðîïèÿ S —

íà 84 Äæ/(ìîëü•Ê). Ðàññ÷èòàéòå èçìåíåíèå ïîëíîãî òåðìîäèíàìè÷åñêî-

ãî ïîòåíöèàëà ∆G â ýòîì ïðîöåññå. Áóäåò ëè áåíçîë ðàñòâîðÿòüñÿ â âîäå?

ÏÐÀÊÒÈ×ÅÑÊÈÅ È ÒÅÑÒÎÂÛÅ ÇÀÄÀÍÈß

Ïðàêòè÷åñêèå è òåñòîâûå çàäàíèÿ

194

Ðåøåíèå. Èçìåíåíèå ïîëíîãî òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ïîòåíöèàëà ñîñòà-

âèò:

GHTS

∆=∆−∆

∆G = –9240 – 298•(–84) ≈ 15,8•10

Äæ/ìîëü = 15,8 êÄæ/ìîëü.

Òàê êàê ∆G > 0, òî áåíçîë ñëàáî ðàñòâîðèì â âîäå.

Çàäà÷à 6.2. Ïðè íåôåðìåíòàòèâíîì ðàçëîæåíèè ïåðåêèñè âîäîðîäà

ýíåðãèÿ àêòèâàöèè ðåàêöèè ñîñòàâëÿåò Å

àêò. í

= 75 êÄæ/ìîëü, à ïðè ó÷àñ-

òèè ôåðìåíòà êàòàëàçû ñíèæàåòñÿ äî Å

àêò. ô

= 8 êÄæ/ìîëü. Ðàññ÷èòàéòå,

âî ñêîëüêî ðàç óâåëè÷èòñÿ ñêîðîñòü ôåðìåíòàòèâíîé ðåàêöèè ïî ñðàâíå-

íèþ ñ íåôåðìåíòàòèâíîé ïðè òåìïåðàòóðå t = 25 °Ñ.

Ðåøåíèå. Îòíîøåíèå ñêîðîñòåé ðåàêöèè ðàâíî îòíîøåíèþ êîíñòàíò

ýòèõ ðåàêöèé:

= ,

èëè, ñîãëàñíî óðàâíåíèþ Àððåíèóñà,

exp

vRT



−



−











−





 

   



 



ãäå v

è v

— ñêîðîñòè;

 

 

— ýíåðãèè àêòèâàöèè ôåðìåíòà-

òèâíîé è íåôåðìåíòàòèâíîé ðåàêöèé ñîîòâåòñòâåííî. Ïîäñòàâëÿÿ ÷èñ-

ëåííûå äàííûå, ïîëó÷àåì:

75 10 8 10

exp

8,81 298



⋅−⋅



⋅







= 5,6•10

Çàäà÷à 6.3. Èñïîëüçóÿ óñëîâèå çàäà÷è (6.2), ðàññ÷èòàéòå, ïðè êàêîé

òåìïåðàòóðå ñðåäû t

ñêîðîñòü íåôåðìåíòàòèâíîé ðåàêöèè áóäåò ðàâíà

ñêîðîñòè ôåðìåíòàòèâíîé ïðè òåìïåðàòóðå t

= 25 °Ñ.

Ðåøåíèå. Ïðè óñëîâèè, ÷òî v

= v

, èç óðàâíåíèÿ Àððåíèóñà ïîëó÷àåì:

акт. ф

акт. н

exp exp

RT RT



−=−





îòêóäà

 

 

Ïîäñòàâëÿÿ ÷èñëåííûå äàííûå, ïîëó÷àåì:

1акт. н

акт. ф

298 75 10

810

⋅⋅

⋅

= 2794 Ê,

t ≈ 2500 °Ñ.

Ãëàâà 6. Ìîëåêóëÿðíàÿ áèîôèçèêà

195

ÇÀÄÀ×È ÄËß ÑÀÌÎÑÒÎßÒÅËÜÍÎÃÎ ÐÅØÅÍÈß

6.1. Â ýíåðãèþ âîäîðîäíîé ñâÿçè îñíîâíîé âêëàä âíîñèò ýíåðãèÿ ýëåê-

òðîñòàòè÷åñêîãî ïðèòÿæåíèÿ ìåæäó àòîìîì âîäîðîäà è àòîìàìè O, N, F

èëè Cl. Ñ÷èòàÿ, ÷òî âçàèìîäåéñòâóþùèå àòîìû íåñóò äðîáíûé çàðÿä, ðàâ-

íûé ïîëîâèíå ýëåìåíòàðíîãî, è íàõîäÿòñÿ íà ðàññòîÿíèè r = 0,17 íì,

âû÷èñëèòå ýíåðãèþ âîäîðîäíîé ñâÿçè â âîäå (ε = 80) è áåëêå (ε = 3,5).

Ñðàâíèòå ïîëó÷åííûé îòâåò ñ ýíåðãèåé òåïëîâîãî äâèæåíèÿ ( ~ kT ) ïðè

òåìïåðàòóðå Ò = 300 Ê.

6.2. Èîí Na

è ãðóïïà

−

− íàõîäÿòñÿ íà ðàññòîÿíèè r =1 íì. Êàêóþ

ðàáîòó À íåîáõîäèìî ñîâåðøèòü, ÷òîáû óâåëè÷èòü ýòî ðàññòîÿíèå âäâîå?

Äèýëåêòðè÷åñêàÿ ïðîíèöàåìîñòü ñðåäû ε = 80.

6.3. Âû÷èñëèòå ýíåðãèþ äèïîëü-äèïîëüíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ìîëåêóë

ýòèëîâîãî ñïèðòà, íàõîäÿùèõñÿ â âîäíîì ðàñòâîðå (ε = 80) íà ðàññòîÿíèè

r = 1,2 íì ïðè òåìïåðàòóðå t = 17 °C. Äèïîëüíûé ìîìåíò ìîëåêóëû ýòè-

ëîâîãî ñïèðòà ð = 5,67•10

–30

Êë•ì.

6.4. Ñèëà âçàèìîäåéñòâèÿ ìîëåêóë âîäû è êèñëîðîäà íà ðàññòîÿíèè

r = 0,3 íì ðàâíà F = 0,06 ïÍ. Âû÷èñëèòå ïîëÿðèçóåìîñòü α ìîëåêóë êèñ-

ëîðîäà. Äèïîëüíûé ìîìåíò âîäû ð = 6,1•10

–30

Êë•ì; äèýëåêòðè÷åñêàÿ

ïðîíèöàåìîñòü ñðåäû ε = 80.

6.5. Ïðè ïåðåíîñå íåïîëÿðíîãî ñîåäèíåíèÿ èç ïîëÿðíîãî ðàñòâîðèòå-

ëÿ â âîäó ïðè òåìïåðàòóðå t = 25 °Ñ ýíòàëüïèÿ ïîíèæàåòñÿ íà

H∆ = –8,3 êÄæ/ìîëü, à ýíòðîïèÿ — íà S∆ = –68 Äæ/(ìîëü•Ê). Âû÷èñ-

ëèòå èçìåíåíèå ñâîáîäíîé ýíåðãèè Ãèááñà

G∆ â ýòîì ïðîöåññå.

6.6. Ïðè ïåðåíîñå íåêîòîðîãî êîëè÷åñòâà íåïîëÿðíîãî ñîåäèíåíèÿ èç

íåïîëÿðíîãî ðàñòâîðèòåëÿ â âîäó ñâîáîäíàÿ ýíåðãèÿ Ãèááñà óâåëè÷èëàñü

íà 3,85 êÄæ, ýíòàëüïèÿ è ýíòðîïèÿ óìåíüøèëèñü, ñîîòâåòñòâåííî íà 2,7

è 22,5 Äæ/Ê. Âû÷èñëèòå òåìïåðàòóðó t ðàñòâîðà.

6.7. Ïîòåíöèàëüíûé áàðüåð ïåðåõîäà ìîëåêóë ýòàíà èç îäíîé òðàíñ-

êîíôîðìàöèè â äðóãóþ ÷åðåç öèñ-ôîðìó ïðè ïîâîðîòå âîêðóã Ñ–Ñ-ñâÿ-

çè íà óãîë ϕ = 120

ðàâåí U

= 12,5 êÄæ/ìîëü. Ðàññ÷èòàéòå ïîòåíöèàëü-

íóþ ýíåðãèþ ìîëåêóë ýòàíà ïðè çíà÷åíèÿõ óãëà ϕ = 0, 30, 60, 120, 180, 240

è 360

6.8. Îïðåäåëèòå ýôôåêòèâíûé ðàäèóñ r

âàí-äåð-âààëüñîâîãî âçàèìî-

äåéñòâèÿ àòîìîâ óãëåðîäà è àçîòà. Ýìïèðè÷åñêèå êîíñòàíòû ïîòåíöèàëà

Ëåííàðäà—Äæîíñà ðàâíû À = 907,2•10

–9

è Â = 1537,2•10

–6

êÄæ•íì

/ìîëü.

6.9. Ýôôåêòèâíûé ðàäèóñ r

âàí-äåð-âààëüñîâîãî âçàèìîäåéñòâèÿ äâóõ

àòîìîâ êèñëîðîäà ðàâåí 0,32 íì. Âû÷èñëèòå ìèíèìàëüíóþ ýíåðãèþ èõ

âçàèìîäåéñòâèÿ, åñëè êîíñòàíòà ïîòåíöèàëà Ëåííàðäà—Äæîíñà ðàâíà

À = 609•10

–9

êÄæ•íì

/ìîëü.

6.10. Äåíàòóðàöèÿ íåêîòîðîãî áåëêà ïðîèñõîäèò ïðè òåìïåðàòóðå

t = 45 °C è ñîïðîâîæäàåòñÿ èçìåíåíèåì ýíòàëüïèè íà âåëè÷èíó

∆Í = 175 êÄæ/ìîëü. Âû÷èñëèòå èçìåíåíèå ýíòðîïèè ∆S.

6.11. Ñêîðîñòü õèìè÷åñêîé ðåàêöèè óâåëè÷èâàåòñÿ ñ ïîâûøåíèåì òåì-

ïåðàòóðû. Ýòîò ýôôåêò õàðàêòåðèçóåòñÿ òåìïåðàòóðíûì êîýôôèöèåíòîì,

ðàâíûì îòíîøåíèþ ñêîðîñòè ïðè òåìïåðàòóðå (t + 10°) ê ñêîðîñòè ïðè

Ïðàêòè÷åñêèå è òåñòîâûå çàäàíèÿ

196

òåìïåðàòóðå t. Âû÷èñëèòå ýíåðãèþ àêòèâàöèè E



ðåàêöèè, äëÿ êîòîðîé

ïðè òåìïåðàòóðå t = 27° òåìïåðàòóðíûé êîýôôèöèåíò ðàâåí 2.

6.12. Ïðè êîíöåíòðàöèè ñóáñòðàòà [S] = 3 ììîëü/ë ôåðìåíòàòèâíàÿ

ðåàêöèÿ ïðîòåêàåò ñî ñêîðîñòüþ v = 12 ììîëü/ìèí. Êîíñòàíòà Ìèõàýëè-

ñà k

= 3,7 ììîëü/ë. Âû÷èñëèòå ìàêñèìàëüíóþ ñêîðîñòü

max

ýòîé ðåàê-

öèè. Ïðè êàêîé êîíöåíòðàöèè ñóáñòðàòà []S

′

ñêîðîñòü ðåàêöèè ðàâíà

ïîëîâèíå ìàêñèìàëüíîé?

6.13. Èñïîëüçóÿ óñëîâèå çàäà÷è (6.12), âû÷èñëèòå ñêîðîñòè ðåàêöèè v

è v

â ïðèñóòñòâèè êîíêóðåíòíîãî è íåêîíêóðåíòíîãî èíãèáèòîðîâ, âçÿ-

òûõ â îäèíàêîâîé êîíöåíòðàöèè [I] = 2 ììîëü/ë. Êîíñòàíòà èíãèáèðîâà-

íèÿ k

= 0,4 ììîëü/ë.

6.14. Ðàññ÷èòàéòå êîíñòàíòó äèññîöèàöèè íóêëåîòèäíîé öåïè, ñîñòî-

ÿùåé èç ÷åòûðåõ ïàð íóêëåîòèäîâ, åñëè êîíñòàíòà äèññîöèàöèè îäíîé

ïàðû íóêëåîòèäîâ ðàâíà 1/7.

ÂÎÏÐÎÑÛ ÒÅÑÒÎÂÎÃÎ ÊÎÍÒÐÎËß

6.1. Ýíåðãèÿ âàí-äåð-âààëüñîâîãî ïðèòÿæåíèÿ îáðàòíî ïðîïîðöèî-

íàëüíà:

à) r ;á) r

;â) r

;ã) r

;ä) r

ãäå r — ðàññòîÿíèå ìåæäó àòîìàìè.

6.2. Êîîðäèíàöèîííîå ÷èñëî âîäû â ñòðóêòóðå ëüäà ñîñòàâëÿåò:

à) 1; á) 2; â) 3; ã) 4; ä) 5.

6.3. Êîîðäèíàöèîííîå ÷èñëî âîäû â æèäêîì ñîñòîÿíèè ñîñòàâëÿåò

îêîëî:

à) 2,3; á) 3; â) 4; ã) 4,4; ä) 5,7.

6.4. Ïðè îáðàçîâàíèè óïîðÿäî÷åííîé ñòðóêòóðû âîäû:

à) ∆S < 0, ∆H < 0, ∆G < 0; ã) ∆S < 0, ∆H > 0, ∆G < 0;

á) ∆S > 0, ∆H > 0, ∆G > 0; ä) ∆S < 0, ∆H > 0, ∆G > 0.

â) ∆S > 0, ∆H < 0, ∆G > 0;

6.5. Ïðè ðàñòâîðåíèè â âîäå ãèäðîôîáíîãî ñîåäèíåíèÿ:

à) ∆S > 0, ∆H > 0, ∆G < 0; ã) ∆S < 0, ∆H > 0, ∆G < 0;

á) ∆S > 0, ∆H > 0, ∆G > 0; ä) ∆S < 0, ∆H < 0, ∆G > 0.

â) ∆S < 0, ∆H < 0, ∆G < 0;

6.6. Çàâèñèìîñòü ýíåðãèè ìîëåêóë, èìåþùèõ îñåâóþ ñèììåòðèþ Ñ

îò óãëà ïîâîðîòà ϕ ïðèáëèæåííî îïðåäåëÿåòñÿ ôîðìóëîé:

à) U = 1/2U

(1 – sin3ϕ); ã) U = 1/3U

(1 + cos3ϕ);

á) U = 1/2U

(1 – cos3ϕ); ä) U = 1/4U

(1 – cos2ϕ).

â) U = 1/3U

(1 + sin2ϕ);

6.7. Â áåëêàõ êîâàëåíòíûìè ñâÿçÿìè ñòàáèëèçèðîâàíû ïðåèìóùåñò-

âåííî:

à) òîëüêî ïåðâè÷íàÿ ñòðóêòóðà;

á) ïåðâè÷íàÿ è âòîðè÷íàÿ ñòðóêòóðû;

â) ïåðâè÷íàÿ, âòîðè÷íàÿ è òðåòè÷íàÿ ñòðóêòóðû;

ã) òîëüêî ÷åòâåðòè÷íàÿ ñòðóêòóðà;

ä) âñå òèïû îðãàíèçàöèè áåëêà.

Ãëàâà 6. Ìîëåêóëÿðíàÿ áèîôèçèêà

197

6.8. Åñëè â áåëêå îòíîøåíèå ÷èñëà ïîëÿðíûõ îñòàòêîâ ê íåïîëÿðíûì

(b) ïðåâûøàåò îòíîøåíèå îáúåìà ãèäðîôèëüíîé ôàçû ê îáúåìó ãèäðî-

ôîáíîãî ÿäðà (b

), òî ãëîáóëà áóäåò ñòðåìèòüñÿ:

à) ïðèíÿòü ñôåðè÷åñêóþ ôîðìó;

á) ïðèíÿòü âûòÿíóòóþ ôîðìó;

â) îáðàçîâàòü íàäìîëåêóëÿðíóþ ñòðóêòóðó;

ã) ïðàâèëüíûé îòâåò íå ïðèâåäåí.

6.9. Äåéñòâèå ôåðìåíòîâ ñâîäèòñÿ:

à) ê óâåëè÷åíèþ ñâîáîäíîé ýíåðãèè êîíå÷íîãî ïðîäóêòà;

á) óìåíüøåíèþ ñâîáîäíîé ýíåðãèè êîíå÷íîãî ïðîäóêòà;

â) óâåëè÷åíèþ ýíåðãèè àêòèâàöèè êàòàëèçèðóåìîé ðåàêöèè;

ã) óìåíüøåíèþ ýíåðãèè àêòèâàöèè êàòàëèçèðóåìîé ðåàêöèè;

ä) èçìåíåíèþ õèìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ â ðåàêöèÿõ.

6.10. Óðàâíåíèå Ìèõàýëèñà—Ìåíòåí èìååò âèä:

à)

max

[]

= ;ã)

max

[]

;

á)

max

[]

= ;ä)

max

[]

â)

max

[]

kSv

;

6.11. Â ïðèñóòñòâèè êîíêóðåíòíîãî èíãèáèòîðà:

à) ñêîðîñòü ðåàêöèè íå èçìåíÿåòñÿ;

á) ñêîðîñòü ðåàêöèè óâåëè÷èâàåòñÿ;

â) ìàêñèìàëüíàÿ ñêîðîñòü ðåàêöèè íå èçìåíÿåòñÿ;

ã) ìàêñèìàëüíàÿ ñêîðîñòü ðåàêöèè óìåíüøàåòñÿ;

ä) ìàêñèìàëüíàÿ ñêîðîñòü ðåàêöèè óâåëè÷èâàåòñÿ.

6.12. Â ïðèñóòñòâèè íåêîíêóðåíòíîãî èíãèáèòîðà:

à) ñêîðîñòü ðåàêöèè íå èçìåíÿåòñÿ;

á) ñêîðîñòü ðåàêöèè óâåëè÷èâàåòñÿ;

â) ìàêñèìàëüíàÿ ñêîðîñòü ðåàêöèè íå èçìåíÿåòñÿ;

ã) ìàêñèìàëüíàÿ ñêîðîñòü ðåàêöèè óìåíüøàåòñÿ;

ä) ìàêñèìàëüíàÿ ñêîðîñòü ðåàêöèè óâåëè÷èâàåòñÿ.

6.13. ßâëåíèå ãèïîõðîìèçìà ÄÍÊ çàêëþ÷àåòñÿ:

à) â óâåëè÷åíèè îïòè÷åñêîé ïëîòíîñòè â îáëàñòè 260 íì ïðè ïåðåõîäå

ñïèðàëü—êëóáîê;

á) óâåëè÷åíèè âÿçêîñòè;

â) çíà÷èòåëüíîì ñäâèãå ìàêñèìóìà ñïåêòðà ïîãëîùåíèÿ â êîðîòêî-

âîëíîâóþ îáëàñòü;

ã) óâåëè÷åíèè êîëè÷åñòâà âîäîðîäíûõ ñâÿçåé ìåæäó íóêëåîòèäàìè;

ä) óìåíüøåíèè êîíñòàíòû äèññîöèàöèè íóêëåîòèäíûõ ïàð.

Ïðàêòè÷åñêèå è òåñòîâûå çàäàíèÿ

Ãëàâà 7

ÑÂÎÉÑÒÂÀ ÆÈÄÊÎÑÒÅÉ

È ÒÂÅÐÄÛÕ ÒÅË

Æèäêîñòè ñîñòàâëÿþò íàèáîëüøóþ ÷àñòü ëþáîãî æèâîãî îðãà-

íèçìà, ïðåäñòàâëÿÿ ñîáîé ñðåäó, â êîòîðîé ðàñòâîðåíû âåùåñòâà,

ðàñïîëàãàþòñÿ ìàêðîìîëåêóëû, îðãàíåëëû, êëåòêè. Æèäêîñòè ïðè-

íèìàþò íåïîñðåäñòâåííîå ó÷àñòèå â îáìåíå âåùåñòâ è ðàñïðåäå-

ëåíèè ëåêàðñòâ â îðãàíèçìå. Çíàíèå èõ ìîëåêóëÿðíîé ñòðóêòóðû,

çàêîíîâ ïåðåìåùåíèÿ, òàêèõ ñâîéñòâ, êàê âÿçêîñòü, ïîâåðõíîñòíîå

íàòÿæåíèå, íåîáõîäèìî ïðè èçó÷åíèè çàêîíîâ êðîâîîáðàùåíèÿ

è ðÿäà äðóãèõ áèîôèçè÷åñêèõ ïðîáëåì.

Èíôîðìàöèÿ î ñòðóêòóðå è ñâîéñòâàõ òâåðäûõ òåë ïîçâîëÿåò

èçó÷àòü ðàáîòó îïîðíî-äâèãàòåëüíîãî àïïàðàòà, ïðîöåññû äåôîð-

ìàöèè òêàíåé, îðãàíîâ, êëåòîê.

§ 7.1. ÑÒÐÎÅÍÈÅ ÆÈÄÊÎÑÒÅÉ

Ïðè ïîíèæåíèè òåìïåðàòóðû è óìåíüøåíèè îáúåìà ãàç ïåðå-

õîäèò â æèäêîå ñîñòîÿíèå, êîòîðîå ÿâëÿåòñÿ ïðîìåæóòî÷íûì ìåæ-

äó ãàçîîáðàçíûì è òâåðäûì. Îáëàñòü ñóùåñòâîâàíèÿ æèäêîñòè

îãðàíè÷åíà ïðè íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ ôàçîâûì ïåðåõîäîì â òâåð-

äîå ñîñòîÿíèå (êðèñòàëëèçàöèÿ), à ïðè âûñîêèõ — â ãàçîîáðàçíîå

(èñïàðåíèå).

Ðàññòîÿíèå ìåæäó ìîëåêóëàìè âåùåñòâà, íàõîäÿùåãîñÿ â æèä-

êîì ñîñòîÿíèè, ñóùåñòâåííî ìåíüøå, ÷åì ìåæäó ìîëåêóëàìè ãàçà,

ïîýòîìó â æèäêîñòÿõ áîëüøîå çíà÷åíèå èìåþò ñèëû ìåæìîëåêó-

ëÿðíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, êîòîðûå óäåðæèâàþò ìîëåêóëû æèäêî-

ñòè äðóã âîçëå äðóãà çíà÷èòåëüíîå âðåìÿ. Îáëàäàÿ äîâîëüíî âûñî-

êîé ïîäâèæíîñòüþ è ïîñòîÿííî ïåðåìåùàÿñü èç îäíîãî ïîëîæåíèÿ

â äðóãîå, ìîëåêóëû æèäêîñòè ñîâåðøàþò õàîòè÷åñêèå êîëåáàíèÿ.

Â æèäêîñòè ñóùåñòâóþò èçìåíÿþùèåñÿ ñêîïëåíèÿ (êëàñòåðû)

àòîìîâ è ìîëåêóë, îáëàäàþùèå îïðåäåëåííîé óïîðÿäî÷åííîñòüþ.

199

Ðåíòãåíîâñêèå èññëåäîâàíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî ìèêðîñòðóêòóðà æèä-

êîñòè çíà÷èòåëüíî áëèæå ê òâåðäûì òåëàì, ÷åì ê ãàçàì. Â æèäêî-

ñòÿõ íå òîëüêî îáðàçóþòñÿ è ðàçðóøàþòñÿ êëàñòåðû, íî è ïðîèñõî-

äÿò ôëóêòóàöèè äâèæåíèÿ ìàññû â ìèêðîîáúåìàõ æèäêîñòè, äàæå

â òîì ñëó÷àå, åñëè ñðåäíÿÿ ñêîðîñòü äâèæåíèÿ æèäêîñòè êàê öåëî-

ãî ðàâíà íóëþ.

Äëÿ æèäêîñòåé õàðàêòåðåí òàê íàçûâàåìûé áëèæíèé ïîðÿäîê

ðàñïîëîæåíèÿ ÷àñòèö, à èìåííî ÷àñòèöû, íàõîäÿùèåñÿ íà íåáîëü-

øîì, ñðàâíèìîì ñ ìåæìîëåêóëÿðíûì, ðàññòîÿíèè îò çàäàííîé

÷àñòèöû, ðàñïîëîæåíû â òîé èëè èíîé ñòåïåíè óïîðÿäî÷åííî ïî

îòíîøåíèþ ê íåé. Ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ ðàññòîÿíèÿ ýòîò ïîðÿäîê

èñ÷åçàåò, â òî âðåìÿ êàê äëÿ êðèñòàëëè÷åñêèõ òåë óïîðÿäî÷åííîñòü

ñîõðàíÿåòñÿ â çíà÷èòåëüíûõ îáúåìàõ (òàê íàçûâàåìûé äàëüíèé ïî-

ðÿäîê).

Âñå ýòî â öåëîì îáóñëîâëèâàåò ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà

æèäêîñòè, òàêèå, êàê òåêó÷åñòü, ìàëàÿ ñæèìàåìîñòü, áîëüøàÿ ñà-

ìîäèôôóçèÿ è ò. ï.

Ïî ìåðå óìåíüøåíèÿ ðàññòîÿíèÿ ìåæäó ìîëåêóëàìè æèäêîñòè

áûñòðî âîçðàñòàþò ñèëû îòòàëêèâàíèÿ, è ïîýòîìó êîýôôèöèåíò

ñæèìàåìîñòè

=− ⋅

(7.1.1)

î÷åíü ìàë. ×èñëîâîå çíà÷åíèå K äëÿ áîëüøèíñòâà æèäêîñòåé ïî-

ðÿäêà 0,2—1,5 ÃÏà

–1

. Ïîýòîìó â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ æèäêîñòü

ìîæíî ñ÷èòàòü íåñæèìàåìîé.

Æèäêîñòè èìåþò îáùèå ñâîéñòâà è ñ ãàçàìè, è ñ òâåðäûìè òåëà-

ìè. Ïîäîáíî ãàçàì, æèäêîñòè ïðèíèìàþò ôîðìó ñîñóäà, â êîòîðîì

íàõîäÿòñÿ, íå èìåþò äàëüíåãî ïîðÿäêà ðàñïîëîæåíèÿ ÷àñòèö; ïîäîáíî

òâåðäûì òåëàì, çàíèìàþò îïðåäåëåííûé îáúåì, èìåþò áîëüøóþ

ïëîòíîñòü è ìàëóþ ñæèìàåìîñòü, ñîõðàíÿþò óïîðÿäî÷åííîñòü â ðàñ-

ïîëîæåíèè ÷àñòèö, íî òîëüêî íà íåáîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ.

Â öåëîì ïðîáëåìà ñòðîåíèÿ æèäêîñòåé èçó÷åíà åùå íåäîñòà-

òî÷íî. Äî íàñòîÿùåãî âðåìåíè îòñóòñòâóåò ñòðîãàÿ è îáùåïðèç-

íàííàÿ òåîðèÿ ýòîãî âîïðîñà. Îò÷àñòè ýòî âûçâàíî ïðîìåæóòî÷-

íûì ïîëîæåíèåì æèäêîñòåé ìåæäó ãàçàìè è òâåðäûìè òåëàìè.

Ñîãëàñíî íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííîé òåîðèè ß. È. Ôðåíêåëÿ, âäàëè

îò êðèòè÷åñêîé òî÷êè ìîëåêóëû æèäêîñòè ñîâåðøàþò íåðåãóëÿð-

íûå êîëåáàíèÿ ñî ñðåäíåé ÷àñòîòîé 1/τ

(áëèçêîé ê ÷àñòîòàì êîëå-

áàíèé ÷àñòèö â êðèñòàëëàõ) îêîëî ïîëîæåíèÿ ðàâíîâåñèÿ, âðåìÿ

îò âðåìåíè ïåðåñêàêèâàÿ â íîâîå ïîëîæåíèå íà ðàññòîÿíèå δ, ðàâ-

íîå ñðåäíåìó ðàññòîÿíèþ ìåæäó ñîñåäíèìè ÷àñòèöàìè:

§ 7.1. Ñòðîåíèå æèäêîñòåé

200

δ≈ =

⋅

, (7.1.2)

ãäå n — êîíöåíòðàöèÿ ìîëåêóë æèäêîñòè (÷èñëî ÷àñòèö â åäèíèöå

îáúåìà); M — åå ìîëÿðíàÿ ìàññà; N

— ÷èñëî Àâîãàäðî; ρ — ïëîò-

íîñòü æèäêîñòè. Ïî ïîðÿäêó âåëè÷èíû δ ðàâíî ðàçìåðó ñàìèõ ìî-

ëåêóë (

~10

−

δ ì).

Êàæäûé ñêà÷îê ïðîèñõîäèò ïðè ñîîáùåíèè ìîëåêóëå ýíåðãèè

àêòèâàöèè

акт

E , äîñòàòî÷íîé äëÿ ðàçðûâà ñâÿçåé ñ îêðóæàþùèìè

ìîëåêóëàìè è ïåðåõîäà â îêðóæåíèå äðóãèõ ìîëåêóë. Ñðåäíåå âðå-

ìÿ æèçíè ìîëåêóëû âî âðåìåííîì ïîëîæåíèè ðàâíîâåñèÿ, òàê

íàçûâàåìîå âðåìÿ ðåëàêñàöèè, ìîæåò áûòü âû÷èñëåíî ïî ôîðìóëå,

âûòåêàþùåé èç ðàñïðåäåëåíèÿ Áîëüöìàíà:

акт

exp



τ=τ





, (7.1.3)

ãäå τ

— ñðåäíèé ïåðèîä êîëåáàíèé ìîëåêóëû îêîëî ïîëîæåíèÿ

ðàâíîâåñèÿ â äàííûõ óñëîâèÿõ (

~10

−

τ ñ); k — ïîñòîÿííàÿ Áîëüö-

ìàíà; Ò — òåìïåðàòóðà. Âåëè÷èíà τ ñîñòàâëÿåò

12 11

10 –10

−−

ñ äëÿ

íèçêîìîëåêóëÿðíûõ æèäêîñòåé è óìåíüøàåòñÿ ñ ðîñòîì ìîëåêó-

ëÿðíîé ìàññû.

Èñòî÷íèêîì ýíåðãèè àêòèâàöèè ÿâëÿåòñÿ òåïëîâîå äâèæåíèå

ñîñåäíèõ ìîëåêóë, ïîýòîìó ÷àñòîòà ïåðåñêîêîâ ðåçêî âîçðàñòàåò

ñ óâåëè÷åíèåì òåìïåðàòóðû, ÷òî âëå÷åò çà ñîáîé çíà÷èòåëüíîå

óìåíüøåíèå âÿçêîñòè æèäêîñòè. Òàê, äëÿ âîäû ïîâûøåíèå òåìïå-

ðàòóðû îò 0 äî 70 °Ñ âûçûâàåò ïîíèæåíèå âÿçêîñòè â 4,5 ðàçà.

Â ðåçóëüòàòå áîëüøîãî ÷èñëà ïåðåñêîêîâ ìîëåêóë â æèäêîñòÿõ

ïðîèñõîäèò ñàìîäèôôóçèÿ, îïèñûâàåìàÿ çàêîíîì Ôèêà. Êîýôôè-

öèåíò äèôôóçèè äëÿ æèäêîñòè çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû T, ðàçìå-

ðîâ äèôôóíäèðóþùèõ ìîëåêóë è âÿçêîñòè ñðåäû η. Äëÿ ñôåðè÷å-

ñêèõ ìîëåêóë êîýôôèöèåíò äèôôóçèè ìîæåò áûòü âû÷èñëåí ïî

ôîðìóëå:

πη

, (7.1.4)

ãäå R — ðàäèóñ äèôôóíäèðóþùèõ ìîëåêóë.

Êîýôôèöèåíò äèôôóçèè â æèäêîñòÿõ íà ÷åòûðå-ïÿòü ïîðÿäêîâ

ìåíüøå, ÷åì â ãàçàõ. Ýòî îáóñëîâëåíî òåì, ÷òî ñðåäíÿÿ äëèíà ñâî-

áîäíîãî ïðîáåãà â æèäêîñòÿõ ïðèìåðíî íà òðè ïîðÿäêà, à ñðåäíÿÿ

ñêîðîñòü

/v =δ τ

— íà îäèí-äâà ïîðÿäêà ìåíüøå, ÷åì â ãàçàõ.

Òåïëîåìêîñòü æèäêîñòè ìàëî îòëè÷àåòñÿ îò òåïëîåìêîñòè òâåð-

äîé ôàçû âáëèçè òî÷êè ïëàâëåíèÿ è çàâèñèò îò ìîëåêóëÿðíîé ñòðóê-

òóðû. Æèäêîñòè ñ áîëüøèì ìîëåêóëÿðíûì âåñîì îáëàäàþò îáû÷-

Ãëàâà 7. Ñâîéñòâà æèäêîñòåé è òâåðäûõ òåë