10.1. Биофизическая химия I

Работы 1-6 недель

Домашняя работа № 1: «Тандемные процессы»

Используя знания, полученные при изучении физики, физической химии, биохимии, общей биологии и др., а так же используя материалы периодической печати, найти не менее двух примеров тандемных процессов (обосновать их с позиции термодинамики).

Работа оценивается в 2 балла.

Домашняя работа № 2: «Введение поправок при расчетах реальных растворов кислот и оснований»

Вывести уравнение для расчета поправок на частичную диссоциацию оснований, на реакцию катиона.

Работа оценивается в 3 балла.

Курсовая работа: «Решение задач по термодинамике

биологических процессов»

Курсовая работа составляется из трех задач аналогичных приведенным ниже.

Задача 1.

Определите ΔG⁰(СО₂), если известно, что при 30⁰С активность углекислого газа в насыщенном растворе составляет 5,3*10^-4моль/моль, а при аэрировании воды газовой смесью с Р(СО₂)=0,05 атм ΔĞ⁰(СО₂)= -382,9 кДж/моль.

Задача 2.

Рассчитайте растворимость водорода в воде, если известно, что при аэрировании воды газовой смесью с Р(Н₂)=0,001 атм ΔĞ⁰(Н₂) составляет 10,8 кДж/моль

(Т = 30 ⁰С).

Задача 3.

Рассчитайте растворимость азота в воде, если известно, что при аэрировании воды газовой смесью с Р(N₂)=0,79 атм ΔĞ⁰(N₂) составляет 28,1 кДж/моль (Т = 30⁰С).

Задача 4.

Определите ΔG⁰(СН₄), если известно, что при 30⁰С активность метана в насыщенном растворе составляет 23,3*10^-6моль/моль, а при аэрировании воды метаном с Р(Н₂)=1 атм ΔĞ⁰(СН₄)= -23,9 кДж/моль.

Задача 5.

Рассчитайте ΔG⁰, ΔĞ⁰, ΔĞ' для реакции в водном растворе:

R₁NH₃⁺+R₂COO^-→R₁NHCOR₂+H₂O,

если известно, что:

Задача 6.

Рассчитайте ΔG⁰, ΔĞ⁰, ΔĞ' для реакции в водном растворе:

R₁NH₂+R₂COOH→R₁NHCOR₂+H₂O,

если известно, что:

Задача 7.

Рассчитайте ΔG⁰, ΔĞ⁰, ΔĞ' для реакции в водном растворе:

R₁NH₃⁺+R₂COO^-→R₁NHCOR₂+H₂O,

если известно, что:

Задача 8.

Рассчитайте ΔG⁰, ΔĞ⁰, ΔĞ' для реакции в водном растворе:

R₁NH₂+R₂COOH→R₁NHCOR₂+H₂O,

если известно, что:

Задача 9.

а) Одна из стадий цикла лимонной кислоты может быть описана следующим уравнением: пируват + ½ О₂+ КоА → ацетил-КоА + СО₂+ Н₂О.

Рассчитайте ΔĞ⁰' для этого процесса, учитывая поправку на диссоциацию пирувата, если известно, что ΔĞ_р-ии(пируват + ½ О₂+ КоА → ацетил-КоА + СО₂+ Н₂О)_{концентрации компонентов=1 моль/л, Р(газов)=1атм}= 2,30 кДж/моль (Н₂О как компонент не учитывать), рН = 7, температура 30⁰С, Ка₁(пировиноградная кислота) = 10^-6,10, а (растворенных веществ)=1, Р⁰'(СО₂)=0,05 атм учитывая, что аэрирование осуществляется смесью с Р(О₂)=0,25 атм, растворимость кислорода – 7,63 мг/л.

б) Рассчитайте как изменится ΔĞ⁰' этого процесса при снижении рН до 6. Предположите, можно ли регулировать этот процесс варьированием рН, какие могут быть ограничения.

Задача 10.

а) Дрожжи рода Saccharomycesв аэробных условиях (в присутствии О₂) способны окислять глюкозу до СО₂, в то время как в анаэробных условиях осуществляется спиртовое брожение. Рассчитайте (на 1 моль глюкозы) ΔĞ⁰, ΔĞ⁰' (условия: 30⁰С, а (растворенных веществ)=1, Р⁰'(СО₂)=0,05 атм) для обоих процессов учитывая, что аэрирование осуществляется смесью с Р(О₂)=0,3 атм, растворимость кислорода – 7,63 мг/л, а ΔG⁰_образ.(СО₂газ)= -386,23 кДж/моль,

ΔG⁰_образ.(Н₂О жид.)= -237,19 кДж/моль,

ΔĞ_образ.(глюкоза_{р-р 1 моль/л}) = -917,22 кДж/моль,

ΔĞ_образ.(этанол_{р-р 1 моль/л}) = -181,54 кДж/моль.

б) В каком из двух случаев и во сколько раз будет использовано большее количество глюкозы на конструктивный обмен (анаболизм), где будет больший прирост дрожжевой биомассы? Ответ обоснуйте.

Задача 11.

а) Фосфорилирование глюкозы в гликолизе может быть описано следующим уравнением:

глюкоза + НРО₄^2-→ глюкозо-1-Ф^2-+ Н₂О.

Рассчитайте ΔĞ⁰' для этого процесса, учитывая поправку на реакцию аниона, если известно, что

ΔĞ_р-ии(глюкоза + Н₃РО₄→ глюкозо-1-Ф^2-Н⁺₂+ Н₂О)_{концентрации компонентов=1 моль/л}= 2,30 кДж/моль (Н₂О как компонент не учитывать), рН = 7, температура 30⁰С, а (растворенных веществ)=1, Ка₁(Н₃РО₄) = 10^-2,12, Ка₂(Н₃РО₄) = 10^-7,20, Ка₃(Н₃РО₄) = 10^-12,4, Ка₁(глюкозо-1-Ф^2-Н⁺₂) = 10^-1,10, Ка₂(глюкозо-1-Ф^2-Н⁺₂) = 10^-6,51.

б) Объясните, почему при расчетах поправки на реакцию НРО₄^2-диссоциацией этого аниона можно пренебречь (доказать).

Задача 12.

а) В результате гетероферментативного кисломолочного сбраживания глюкозы помимо молочной кислоты (CH₃CHOHCOOH) может образовываться спектр различных продуктов. Так в случае бифидобактерий выделяется также уксусная кислота, а при сбраживании глюкозы культуройLeuconostocmesenteroidesпомимо целевого продукта выделяется этанол и углекислый газ. Рассчитайте (на 1 моль глюкозы) ΔĞ⁰, ΔĞ⁰' (условия: 37⁰С, а (растворенных веществ)=1, Р⁰'(СО₂)=0,05 атм) для обоих процессов учитывая, что ΔG⁰_образ.(СО₂газ)= -386,23 кДж/моль,

ΔĞ_образ.(глюкоза_{р-р 1 моль/л}) = -917,22 кДж/моль,

ΔĞ_образ.(молочная кислота_{р-р 1 моль/л}) = -517,81 кДж/моль,

ΔĞ_образ.(уксусная кислота_{р-р 1 моль/л}) = -399,07 кДж/моль,

ΔĞ_образ.(этанол_{р-р 1 моль/л}) = -181,54 кДж/моль.

б) Сравните ΔĞ⁰для обоих процессов, обоснуйте разницу с точки зрения статистического смысла энтропии.

Работа оценивается в 10 баллов.

Всего на 1-6 неделях можно получить 15 баллов.

Работы 7-12 недель