Физиологическая калориметрия. Фотометрия

ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ. ФОТОМЕТРИЯ

Аннотация. В рамках данной статьи будут рассмотрены особенности применения таких методов, как физиологическая калориметрия и фотометрия.

Ключевые слова: методы экспериментов, калориметрия, физиологическая калолиметрия, фотометрия.

Биологическая калориметрия возникла как экспериментальный метод очень рано после научной революции. В восемнадцатом веке Лавуазье и Лаплас построили чисто изотермический калориметр, который позволял контролировать теплоту, связанную с дыханием морской свинки, и установили, что этот процесс представляет собой своего рода горение, сопряженное с потреблением кислорода. Это была довольно сложная система и стратегия «сверху-вниз», по сравнению с широко применяемым современным подходом «снизу-вверх», когда системы разбиваются на (простые) элементы. По мере постепенного заложения основ термодинамики калориметры стали использоваться в основном для изучения химических реакций. Для изучения биологических взаимодействий, при которых происходит разрыв и образование нековалентных связей, требуется высокочувствительное оборудование, и это стало возможным в 1960-х годах^[1].

Теплота (Q) — универсальное свойство, сопровождающее практически любой процесс. Теплота — это тепловая энергия, передаваемая между различными элементами внутри системы или между системой и ее окружением на протяжении всего процесса. Тепло можно использовать для контроля любого процесса. В частности, при изучении химической реакции связанное с ней тепло дает фундаментальную информацию на молекулярном уровне о лежащих в ее основе взаимодействиях, которые нарушаются и формируются на протяжении всего процесса. Хотя теплота является функцией процесса, она становится функцией состояния (равной изменению энтальпии, Δ H 0), когда процесс протекает при постоянном давлении. В лаборатории или в живых системах химические реакции протекают при постоянном давлении (обычно в роли общего баростата выступает атмосфера) и температуре (при использовании изотермических ванн).

Таким образом, в этих условиях фундаментальным термодинамическим потенциалом, определяющим реализуемость процессов, является энергия Гиббса (Δ G 0). Энергия Гиббса состоит из изменения энтальпии и вклада энтропии (- T ∆ S 0)^[2].

Константы равновесия и термодинамические параметры определяются относительно стандартной концентрации (C 0 = 1 M), которая используется для обезразмеривания констант равновесия и установления шкалы энергии и энтропии Гиббса. Существуют различные типы калориметров, доступных для использования, в зависимости от типа изучаемого процесса или типа информации, к которой нужно получить доступ экспериментально. Таким образом, калориметры могут быть изотермическими или неизотермическими (например, калориметры горения, капельные или сканирующие калориметры), в которых тепло или тепловая мощность измеряются как функция времени в изотермических или неизотермических условиях. Калориметры можно классифицировать по методике эксперимента при смешении реагентов (титрационные, периодические, проточные калориметры) или по принципу измерения (тепловые, изопериболические, теплокомпенсационные, адиабатические)^[3].

В настоящее время в биологической калориметрии используются два основных высокочувствительных калориметра: изотермический титрационный калориметр (ИТК), используемый для изучения взаимодействий между биомолекулами, и дифференциальный сканирующий калориметр (ДСК), используемый для изучения структурной стабильности биологических макромолекул^[4].

В свою очередь, фотометрия — это наука об измерении видимого света в единицах, взвешенных в соответствии с чувствительностью человеческого глаза. Это количественная наука, основанная на статистической модели зрительной реакции человека на свет, то есть нашего восприятия света, в тщательно контролируемых условиях. Фотометрический эквивалент яркости называется освещенностью и измеряется в люменах на квадратный метр (люкс).