Статистическая термодинамика - Киттель Ч.
Скачать (прямая ссылка):
миоглобин + кислород ±=f. оксимиоглобин,
или в других обозначениях
Mb + 02 *=* МЬ02. (8)
Миоглобин представляет собой один из очень важных белков. Структура его
молекулы известна, а молекулярный вес равен 17 ООО. Для наших целей нам
нужно знать лишь, что каждая молекула Mb может присоединять одну молекулу
кислорода в форме молекулярного кислорода. Реакция (8) изучается в водном
растворе.
282
ГЛ. 21. РАВНОВЕСИЕ В РЕАКЦИЯХ
Нас интересует доля молекул миоглобина, присоединивших молекулу
кислорода. Обозначим через [Mb] концентрацию миоглобина, через [02] -
концентрацию кислорода и через [МЬ02]-
концентрацию оксимиоглобина.
]ft\ 1----------------------1. Тогда для искомой доли молекул
можно написать:
[МЬО,]
45
10 OJ • /о У р /• / V 20 'С Зб'С ¦^35 °С
f 'Ло'С
f-
[МЬ02] + [Mb]
или
[Mb]
[МЮ2]
+ 1
[02]
[Mb] [Р2] [МЮ2]
[о2]
(9)
2 О 6 Концентрация 02, отн.еЗ.
Рис. 21.3. Реакция молекулы миоглобина Mb с кислородом может
рассматриваться как пример адсорбции молекулы 02 каким-либо узлом большой
молекулы миоглобина [108].
По оси ординат отложена функция [МЮ2]
f =* 7мк; 7 7м"кг>"Г Результаты очень
Это выражение (как и (7)) имеет форму f - с1(с0 + с), где теперь с -
концентрация молекул кислорода в водном растворе. Заметим, что член
[Mb] [02]
[МЮ2]
который выступает в роли со, образован множителями, являющимися
переменными величинами. Возможно, поэтому, что в данной конкретной
комбинации он действительно не зависит от давления, а зависит только от
температуры. Далее мы увидим, что этот результат соответствует частному
случаю закона действующих масс.
Зависимости долей молекул Mb, присоединивших кислород, от концентрации
для различных температур показаны на рис. 21.3. На рис. 21.4 сравниваются
кривые насыщения кислородом для миоглобина и гемоглобина (гемоглобин -
компонента крови, переносящая кислород; он состоит из четырех
молекулярных единиц, каждая из которых почти идентична молекулярной
цепочке миоглобина и способна присоединять одну кислородную молекулу).
Классическая работа по адсорбции, кислорода гемоглобином была
выполнена Христианом Бором [111],
(МЫ + [МЬ0,1 хорошо согласуются с изотермой Леиг-мюра. Каждая молекула
миоглобина может адсорбировать одну молекулу Ог. Полученные кривые
показывают зависимость доли миоглобина. содержащего адсорбированный 02,
от парциального давления О*. Кривые построены для раствора миоглобина
человека. Миоглобин содержится в мышцах; он, в частности, определяет цвет
мяса.
АДСОРБЦИЯ КИСЛОРОДА
283
отцом Нильса Бора. Кривая насыщения кислородом для гемо-глобина НЬ
указывает на более медленное нарастание при низких давлениях, т. е.
свидетельствует о том, что энергия связи О? с молекулой НЬ ниже, чем с
Mb. ___
При более высоких давлениях <?т кислорода кривая для НЬ имеет участок с
вогнутостью; это никогда не наблюдается для Mb и играет важную
физиологическую роль для человека.
Задача 21.1. Адсорбция Oj на Mb и НЬ. Показать, что если четыре узла на
молекуле НЬ, адсорбирующие кислород, не взаимодействуют друг с другом, то
^ кривая насыщения должна быть такой же, как и для Mb.
Задача 21.2. Термическая ионизация водорода. Рассмотрим образование
атомарного водорода в реакции е + Н+
$ Н, где е - электрон, как адсорбцию электрона протоном Н+. Показать, что
равновесные концентрации реагирующих компонент удовлетворяют соотношению
[е] [Н+] ехр (-0/т)
[Н]
(10)
где 0 - энергия, необходимая для ионизации атомарного водорода, квантовый
объем Рд относится к электрону
- (2jI/*2 V'
1 - V. тх )
(И)
го во во во юо т
Давление 02, мм р/л. ст.
Рис. 21.4 Кривая насыщения 02, адсорбируемого молекулами мио-глобина (Mb)
и гемоглобина (НЬ) в водном растворе [109].
По оси абсцисс отложено парциальное давление 02, по оси ординат - доля
молекул Mb, содержащих одну связанную молекулу О: или долю гемоглобиновых
цепочек с одной связанной молекулой Ог. Концентрация кислорода в
гемоглобине изменяется весьма сильна в интервале давлений от
артериального до венозного, и, очевидно, последнее об' стоятельство
играет важную физиологическую роль. Кривая для многлобина имеет форму,
предсказанную для реакции Mb + 02 -г- МЬ02, кривая для гемоглобина -
другую форму, возможно, из-за взаимодействия молекул 02> связанных с
четырьмя цепочками молекулы НЬ (другое объяснение см. в [110])
и т - масса электрона. Здесь мы пренебрегаем спинами частиц, но это
предположение не влияет на окончательный результат.
Если все электроны и протоны появляются в результате ионизации водородных
атомов, то концентрации протонов и электронов одинаковы, т. е.
[е] = [Н]1^ Vq''1 ехр (- 0/2т).
(12)
(Аналогичная задача возникает в физике полупроводников в связи с
термической ионизацией атомов примеси, которые служат донорами
электронов.) Отметим следующие особенности приведенного соотношения.
а. Экспонента содержит 720, а не 0, откуда следует, что мы здесь имеем
дело не с задачей о простом учете фактора Больцмана (0 - энергия
