Прежде чем электроды будут применяться первый раз, они должны быть откалиброваны. Для этого имеются специальные калибровочные растворы, которые буферированы на определенные значения pH. Буферизация действует таким образом, что попадание незначительного количества воды при погружении электрода не мешает калибровке. Смысл калибровки состоит в том, чтобы погрешность электрода, связанную с изготовлением и использованием отъюстировать на определенные значения. При этом следует рассмотреть две ошибки: отклонение нулевой точки и «крутизна» погрешности.

Обе погрешности приводят к общей измерительной ошибке. Следовательно, должна проводиться калибровка двух точек с тем, чтобы обе ошибки измерения могли быть исправлены.

Погрешность нулевой точки. Расположенный вверху рисунок показывает кривую измерения и эталонную кривую. В этом примере кривая измерения очевидно отклоняется от эталонной кривой при pH 7, т.е. в нейтральной точке мы фиксируем очевидную погрешность нулевой точки, которая должна устраняться. Электроды сначала вводятся в калибровочный раствор с pH 7. При этом важно, чтобы, как минимум, были погружены в раствор стеклянная мембрана и диафрагма. В нашем примере измеряемая величина лежит выше необходимой, следовательно, отклоняется от номинальной. На потенциометре с меняющимся сопротивлением измеряемая величина юстируется на правильное значение. При этом вся кривая измерений параллельно смещается на погрешность нулевой точки так, чтобы она точно проходила через нейтральную точку. Таким образом, измерительный прибор выставляется на нулевую точку и готов к применению.

Для калибровки pH-электродов сначала необходима установка нулевой точки

Погрешность крутизны. После калибровки нулевой точки мы получаем ситуацию, изображенную на рядом расположенном рисунке. Ноль определяется точно, но измеряемая величина все еще имеет значительную ошибку, так как еще не определена точка крутизны. Теперь выбирается калибровочный раствор, значение pH которого отличается от 7. Большей частью используются буферные растворы в области pH от 4 до 9. Электрод погружается во второй буферный раствор и с использованием потенциометра находится отклонение крутизны от номинального (стандартного) значения. И лишь теперь кривая измерений совпадает с необходимой кривой; прибор откалиброван.

Если выставлена нулевая точка, должна быть выставлена вторая относительная величина – крутизна

Влияние температуры. На изменения значений pH оказывает влияние температура воды. При этом не ясно, необходима ли компенсация температуры в наших измерительных приборах. Расположенная рядом таблица показывает зависимость значений pH от температуры, причем прибор откалиброван при температуре 20 °C. Следует отметить, что для интересующих нас температур и значений pH ошибка измерений из-за отклонений в температуре ограничена вторым знаком после запятой. Поэтому такая ошибка измерений для аквариумистов не имеет практического значения и температурная компенсация не требуется. Наряду с отклонениями чисто измерительного характера на основе различного напряжения на электродах, следует иметь в виду температурные отклонения калиброванных растворов, которые приводятся в расположенной рядом таблице.

Мы видим здесь, что эти отклонения относительно малы и составляют не более чем ±2%.

Отклонение измеренных значений pH в зависимости от температуры

Зависимость температуры от буферных растворов

Контроль. Для контроля рекомендуется еще раз погрузить электроды в буферный раствор при pH 7 и проконтролировать, сходятся ли значения. Если значение pH электрода согласуется с измерительным прибором, он может применяться для измерений проб воды. Если есть персональные претензии к точности, калибровка должна повторяться в установленные сроки. В качестве рекомендации можно предложить от одной до двух недель. При калибровке pH электродов должно также обращаться внимание на то, насколько быстро значение pH на приборе приближается к значению pH в буферном растворе.

Потенциометрия – один из электрохимических методов анализа, основанный на определении концентрации электролитов путём измерения потенциала электрода, погружённого в исследуемый раствор.

Потенциал (от лат. potentia – сила) – понятие, харак-теризующее физические силовые поля (электрическое, магнитное, гравитационное) и вообще поля векторных физических величин.

Метод потенциометрического измерения концентра-ции ионов в растворе основан на измерении разности электрических потенциалов двух специальных электро-дов, помещённых в испытуемый раствор, причём один электрод – вспомогательный – в процессе измерения имеет постоянный потенциал.

Потенциал Е отдельного электрода определяют по уравнению Нернста (W.Nernst– немецкий физико-химик, 1869 – 1941) через его стандартный (нормальный) потенциалЕ 0 и активность ионова + , которые принимают участие в электродном процессе

Е = Е 0 + 2,3 lg a + , (4.1)

где E 0 – составляющая межфазной разности потенциалов, которая определяется свойствами электрода и не зависит от концентрации ионов в растворе;R – универсальная газовая постоянная;n – валентность иона;Т – абсолютная температура;F – число Фарадея (M.Faraday– английский физик ХIХ века).

Уравнение Нернста, выведенное для узкого класса электрохимических систем металл – раствор катионов этого же металла, справедливо в значительно более широких пределах.

Потенциометрический метод наиболее широко применяют для определения активности ионов водорода, характеризующей кислотные или щелочные свойства раствора.

Появление водородных ионов в растворе вызвано диссоциацией (от лат. dissociatio - разъединение) части молекул воды, распадающихся на ионы водорода и гидроксила:

H 2 O ↔
+
. (4.2)

По закону действующих масс константа К равновесия реакции диссоциации воды равнаK =
.
/
.

Концентрация недиссоциированных молекул в воде настолько велика (55,5 М), что её можно считать постоянной, поэтому уравнение (5.2) упрощают:
= 55,5 =
.
, где
- константа, называемая ионным произведением воды,
= 1,0∙10 -14 при температуре 22 о С.

При диссоциации молекул воды ионы водорода и гидроксила образуются в равных количествах, следовательно, их концентрации одинаковы (нейтраль-ный раствор). Исходя из равенства концентраций и известной величины ионного произведения воды, имеем

[Н + ] =
=
= 1∙10 -7 . (4.3)

Для более удобного выражения концентрации ионов водорода химик Зеренсен (P.Sarensen– датский физико-химик и биохимик) ввёл понятиеpH( p– начальная буква датского словаPotenz– степень,H– химический символ водорода).

Водородный показатель рН – величина, характери-зующая концентрацию (активность) ионов водорода в растворах. Он численно равен десятичному логарифму концентрации ионов водорода
, взятому с обратным знаком, т.е.

рН = - lg
. (4.4)

Водные растворы могут иметь рН в интервале от 1 до 15. В нейтральных растворах при температуре 22 о С рН = 7, в кислых рН < 7, в щелочных рН > 7.

При изменении температуры контролируемого раствора электродный потенциал стеклянного электрода меняется из-за наличия коэффициента S = 2,3∙в уравнении (4.1). Вследствие этого одной и той же величине рН при разных температурах раствора соответствуют различные значения эдс электродной системы.

Зависимость эдс электродной системы от рН при разных температурах представляет собой пучок прямых (рис. 4.1), пересекающихся в одной точке. Эта точка соответствует величине рН раствора, при которой эдс электродной системы не зависит от температуры, её называют изопотенциальной (от греч.  - равный, одинаковый и …потенциальная ) точкой. Координаты изопотенциальной точки (Е И и рН И) являются важнейшими характеристиками электродной системы. С учётом температуры статическая характеристика (4.1) примет вид

Статьи данного раздела можно загрузить в формате Ворда (текст и рисунки) и в формате Эксель (текст, рисунки, работающие фрагменты расчетов)

Однако если вам все же не нравится пользоваться картинками, рассмотренными на предыдущем уроке, то можно предложить коротенькие программы, работающие в диапазоне NaCl=0--500 мкг/кг и t=10--50 оС с погрешностью экстраполяции до 2 мкг/кг в пересчете на натрий, что гораздо меньше погрешности самого замера. Эти программы вы обнаружите в файле Фрагмент.xls, они имеют следующий табличный вид:

NaCl при контакте с воздухом:

Если в воздухе помещения содержание углекислого газа больше, чем принято в расчете, то концентрация NaCl, рассчитанная по этим фрагментам, будет завышенной.

Теперь о качестве наших данных. Всегда сохраняйте исходную информацию. Если вы записали показания прибора - электропроводность или рН, - то запишите и температуру измеряемого раствора. Для рН укажите был ли при замере включен термокомпенсатор и вообще посмотрите по инструкции к прибору, что он делает при отклонении температуры пробы от стандартной температуры. Когда вы определяете в пробе рН, электропроводность или гидратную щелочность, особенно в пробе с большим исходным содержанием углекислоты, то имейте ввиду, что ваша проба уже не та, что была в момент ее отбора. Неведомое количество углекислоты уже успело перейти из пробы в воздух или наоборот.

Из Винницы как-то позвонили и спросили, как нужно откорректировать рН по температуре. Как раз этого может быть и не следует делать на объекте. Во всяком случае записывайте исходные рН и температуру пробы, а колонку для скорректированного значения рН предусмотрите отдельно.

Теперь о том, как скорректировать рН. Боюсь, что в общем виде на этот "простой" вопрос вам не ответит и сотня мудрецов. Вот так, например, выглядит зависимость рН от температуры для абсолютно чистой воды.

То же, но при контакте с воздухом:

А вот поправка рН на температуру для этих двух графиков оказалась одинаковой:

Переход от измеренного pHt к рН при t=25 оС для этих графиков можно сделать по формуле:

Более строгим подходом было бы взять не 1 и 3 мг/л свободной углекислоты, а 1 и 3 мг/л общей (недиссоциированной и диссоциированной) углекислоты. Этот фрагмент, при желании, вы найдете на Лист4, но результаты по этому фрагменту не будут существенно отличаться от приведенных на этом Листе.

Имейте ввиду, что фрагменты для углекислоты приведены применительно к водам, где кроме углекислоты нет щелочей или кислот и, в частности, нет аммиака. Подобное случается только на некоторых ТЭС с котлами среднего давления.

240 мкмоль/мин

0,002 мкмоль

Молярная активность указывает, сколько молекул субстрата превращается од­ ной молекулой фермента за I минуту (молярную активность иногда обозначают как «число оборотов»), В табл. 2.5 приведена молярная активность некоторых ферментов.

Таблица 2.5. Молярная активность некоторых ферментов

Так называемый бифункциональный фермент имеет наиболее низкую моляр­ ную активность среди известных. Однако это не означает, что его физиологичес­ кая роль тоже низка (подробнее об этом ферменте см. рис. 9.31).

Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры, pH и времени инкубации

Зависимость скорости реакции от температуры. Скорость ферментативных ре­ акций, как и всяких других, зависит от температуры: при повышении температу­ ры на каждые 10 0C скорость увеличивается примерно вдвое (правило Вант-Гоф­ фа). Однако для ферментативных реакций это правило справедливо лишь в обла­ сти низких температур - до 50-60 °С. При более высоких температурах ускоряется денатурация фермента, что означает уменьшение его количества; со­ ответственно снижается и скорость реакции (рис. 2.17, г). При 80-90 0C большин­ ство ферментов денатурируется практически мгновенно. Количественное опреде­ ление ферментов рекомендуется проводить при 25 °С.

Зависимость скорости реакции от pH. Изменение pH приводит к измене­ нию степени ионизации ионогенных групп в активном центре, а это влияет на сродство субстрата к активному центру и на каталитический механизм. Кроме того, изменение ионизации белка (не только в области активного центра) вызы­ вает конформационные изменения молекулы фермента. Колоколообразная фор­ ма кривой (рис. 2.17, д) означает, что существует некоторое оптимальное состоя­ ние ионизации фермента, обеспечивающее наилучшее соединение с субстратом и катализ реакции. Оптимум pH для большинства ферментов лежит в пределах от 6 до 8. Однако есть и исключения: например, пепсин наиболее активен при pH 2. Количественное определение ферментов проводят при оптимальном для данно­ го фермента pH.

Зависимость скорости реакции от времени. По мере увеличения времени инкубации скорость реакции снижается (рис. 2.17, е). Это может происходить

вследствие уменьшения концентрации субстрата, увеличения скорости обратной реакции (в результате накопления продукта прямой реакции), ингибирования фермента продуктом реакции, денатурации фермента. При количественном оп­ ределении ферментов и кинетических исследованиях измеряют начальную ско­ рость реакции (скорость непосредственно после начала реакции). Время, в тече­ ние которого скорость с допустимым приближением можно считать начальной, для каждого фермента и для данных условий подбирается экспериментально, на основе графика, представленного на рис. 2.17, е. прямолинейный участок графи­ ка, начинающийся от отметки нулевого времени, соответствует интервалу време­ ни, в течение которого скорость реакции равна начальной скорости или близка к ней (на рисунке этот интервал отмечен пунктирной линией).

ИНГИБИТОРЫ ФЕРМЕНТОВ

Ингибиторами ферментов называют вещества, снижающие их активность. Наи­ больший интерес представляют ингибиторы, взаимодействующие с активным центром фермента. Такие ингибиторы чаще всего являются структурными анало­ гами субстрата и, следовательно, комплементарны активному центру фермента. Поэтому они подавляют активность только одного фермента или группы фермен­ тов с очень сходным устройством активного центра. Различают ингибиторы кон­ курентные и неконкурентные, обратимые и необратимые.

Малоновая кислота HOO C -CH2-COOH является структурным аналогом ян­ тарной кислоты, поэтому она может присоединяться к активному центру сукцинатдегидрогеназы (см. выше). Ho дегидрирование малоновой кислоты невозмож­ но. Если в реакционной смеси имеются одновременно и янтарная, и малоновая кислоты, то происходят следующие процессы:

E + S J ± E S « 2 E + P

Некоторые молекулы фермента оказываются занятыми ингибитором (I) и не участвуют в реакции превращения субстрата: следовательно, скорость образования продукта снижается. Если повышать концентрацию субстрата, то доля комплекса ES увеличивается, а комплекса EI уменьшается: субстрат и ингибитор конкурируют за активный центр фермента. Это пример конкурентного ингибирования. При до­ статочно высокой концентрации субстрата весь фермент будет в форме комплекса ES и скорость реакции будет максимальной, несмотря на присутствие ингибитора.

Некоторые ингибиторы образуют комплекс не со свободным ферментом, а с фермент-субстратным комплексом:

В этом случае повышение концентрации субстрата не уменьшает действие ин­ гибитора; такие ингибиторы называются неконкурентными.

В некоторых случаях ингибитор может подвергаться химическому превраще­ нию под действием фермента. Например, n-нитрофенилацетат гидролизуется протеолитическим ферментом химотрипсином; гидролиз происходит в две ста­ дии (рис. 2.18).

Рис. 2.18. Гидролиз л-нитрофенилацетата химотрипсином

Сначала ацетильный остаток присоединяется к гидроксильной группе остатка серина в активном центре фермента (реакция а), а затем происходит гидролиз ацетил-фермента (реакция б). Первая стадия протекает быстро, а вторая - очень медленно, поэтому даже при небольших концентрациях и-нитрофенилацетата значительная часть молекул фермента находится в ацетилированной форме, и скорость гидролиза природного субстрата (пептидов) снижается. Такие ингиби­ торы называют псевдосубстратами или плохими субстратами.

Иногда химическое превращение ингибитора в активном центре приводит к образованию промежуточного продукта, очень прочно, необратимо связанного с ферментом: такое явление называют суицидным катализом. Например, 3-хлора- цетолфосфат необратимо ингибирует триозофосфатизомеразу. Этот ингибитор является структурным аналогом диоксиацетонфосфата: он дехлорируется и нео­ братимо присоединяется к остатку глутаминовой кислоты в активном центре фер­

Рис. 2.19. Необратимое ингибирование триозофосфатизомеразы

Ингибиторами могут быть не только аналоги субстратов, но и аналоги коферментов, способные занимать место настоящего кофермента, но не способные выполнять его функцию.

Взаимодействие фермента с ингибитором часто в такой же мере специфич­ но, как и взаимодействие с субстратом или коферментом. На этом основано

применение ингибиторов для избирательного подавления активности того или иного фермента в сложной ферментной системе или в организме. В частности, многие лекарственные вещества являются ингибиторами определенных ф ер­ ментов.

Есть ингибиторы, действующие менее избирательно. Например, и-хлормерку- рибензоат является специфическим реагентом на сульфгидрильные группы в бел­ ках (рис. 2.20). Поэтому и-хлормеркурибензоат ингибирует все ферменты, кото­ рые имеют SH-группы, участвующие в катализе.

Рис. 2.20. Реакция л-хлормеркурибензоата с сульфгидрильными группами белков

Другим примером может служить ингибирование диизопропилфторфосфатом пептидгидролаз и эстераз, имеющих серин в активном центре. Ингибитор необра­ тимо присоединяется к остатку серина (рис. 2.21).

Рис. 2.21. Ингибирование диизопропилфторфосфатом сериновых ферментов

Остатки серина вне активного центра при этом остаются незатронутыми; сле­ довательно, фермент сам катализирует реакцию, которая губит его. Диизопропилфторфосфат - представитель группы фосфорорганических соединений, об­ ладающих чрезвычайно высокой токсичностью. Токсическое действие обусловле­ но именно ингибированием ферментов, и прежде всего ацетилхолинэстеразы (см. гл. 22).

Пенициллин, одно из самых известных и распространенных лекарств, приме­ няется для лечения ряда инфекционных заболеваний. Пенициллин необратимо ингибирует фермент бактерий гликопептид-трансферазу. Этот фермент участву­ ет в синтезе бактериальной стенки, и поэтому в присутствии пенициллина размно­ жение бактерий невозможно. Гликопептид-трансфераза содержит остаток сери­ на в активном центре (сериновая пептидгидролаза). В молекуле пенициллина есть амидная связь, по свойствам сходная с пептидной связью (рис. 2.22). В результате разрыва этой связи, катализируемого ферментом, остаток пенициллина оказыва­ ется необратимо связанным с ферментом.

Ингибиторы - очень эффективные инструменты для исследования строения активного центра ферментов и механизма катализа. Ингибиторы, необратимо