kemiske reaktioner Oscillerende reaktioner i kemiske og biologiske systemer Preben Graae Sørensen p. 1

Transkript

1 kemiske reaktioner Oscillerende reaktioner i kemiske og biologiske systemer Preben Graae Sørensen Kemisk Institut Københavns Universitet p. 1

2 hvad er oscillerende kemiske reaktioner? I en oscillerende kemisk reaktion varierer koncentrationerne periodisk med tiden. p. 2

3 hvad er oscillerende kemiske reaktioner? I en oscillerende kemisk reaktion varierer koncentrationerne periodisk med tiden. Herom skrev Walther Nernst i sin Theoretische Chemie fra 1921: p. 2

4 hvad er oscillerende kemiske reaktioner? I en oscillerende kemisk reaktion varierer koncentrationerne periodisk med tiden. Herom skrev Walther Nernst i sin Theoretische Chemie fra 1921: Emnet var meget omdiskuteret indtil 1950 da Zhabotinsky beskrev en reaktion opdaget af Belousov, som viste oscillationer i et omrørt kemisk system og bølger i et uomrørt system. p. 2

5 Oscillationer i ferroin Belousov-Zhabotinsky reaktionen. indholdsoversigt p. 3

6 Oscillationer i ferroin Belousov-Zhabotinsky reaktionen. Metabolske oscillationer i gærceller indholdsoversigt p. 3

7 Oscillationer i ferroin Belousov-Zhabotinsky reaktionen. Metabolske oscillationer i gærceller Ca oscillationer i muskelceller i blodårer indholdsoversigt p. 3

8 Oscillationer i ferroin Belousov-Zhabotinsky reaktionen. Metabolske oscillationer i gærceller Ca oscillationer i muskelceller i blodårer Demonstrations og Eleveksperimenter indholdsoversigt p. 3

9 Oscillationer i ferroin Belousov-Zhabotinsky reaktionen. Metabolske oscillationer i gærceller Ca oscillationer i muskelceller i blodårer Demonstrations og Eleveksperimenter indholdsoversigt Numerisk simulation af kemiske mekanismer p. 3

10 Kemisk mekanisme for ferroin-bz-reaktionen ferroin-bz-reaktion Jichang Wang (2005). [H 2 O]=55.5M og [H + ] = 0.8M er inkluderet i hastighedskonstanterne. p. 4

11 Kemisk mekanisme for ferroin-bz-reaktionen ferroin-bz-reaktion Oscillationer er ikke en egenskab ved den enkelte reaktion, men en funktion af det samlede reaktionssystem som ofte er meget kompliceret Jichang Wang (2005). [H 2 O]=55.5M og [H + ] = 0.8M er inkluderet i hastighedskonstanterne. p. 4

12 Kemisk mekanisme for ferroin-bz-reaktionen ferroin-bz-reaktion Oscillationer er ikke en egenskab ved den enkelte reaktion, men en funktion af det samlede reaktionssystem som ofte er meget kompliceret 0.3 bz dat Jichang Wang (2005). [H 2 O]=55.5M og [H + ] = 0.8M er inkluderet i hastighedskonstanterne. p. 4

13 oscillationer af stofskiftet i gærceller Tilsætning af glukose at 400s Tilsætning af KCN at 650s Fluorescence af [NAD(P)H] i en omrørt suspension af gær celler Gær celler høstet når glukosen er sluppet op og sultet i nogle timer. p. 5

14 oscillationer af stofskiftet i gærceller Tilsætning af glukose at 400s Tilsætning af KCN at 650s Fluorescence af [NAD(P)H] i en omrørt suspension af gær celler Gær celler høstet når glukosen er sluppet op og sultet i nogle timer. Opdaget af Duysens and Amesz (1957) og studeret af B.Chance (1965) p. 5

15 oscillationer af stofskiftet i gærceller Tilsætning af glukose at 400s Tilsætning af KCN at 650s Fluorescence af [NAD(P)H] i en omrørt suspension af gær celler Gær celler høstet når glukosen er sluppet op og sultet i nogle timer. Opdaget af Duysens and Amesz (1957) og studeret af B.Chance (1965) Periode ca. 30s p. 5

16 åben gær reaktor og reaktions netværk Glucose Cyanide Cell suspens c 3 c 2 c 1 c 5 c c 4 Outflow 1: inglc Glcx 2: GlcTrans ATP Glc 3: HK ADP G6P 4: PGI ATP ADP 22: storage 23: consum ATP ADP 24: AK ATP + AMP 2 ADP F6P ATP 5: PFK [NADH] time / s + NAD 6: ALD GAP FBP 7: TIM ADP DHAP NADH + NAD 15: lpglyc Glyc 8: GAPDH 16: difglyc Intracellulære reaktioner Extracellulære reaktioner Transport gennem celle membranen 9: lppep NADH ADP ATP ADP BPG PEP Glycx 17: outglyc ODE stofskifte model 20 variables 24 reactions 60 parameters 10: PK ATP 20: lacto 21: incn 11: PDC CNx - ACAx NADH 18: difaca 12: ADH + NAD Pyr ACA EtOH EtOHx 13: difetoh 19: outaca 14: outetoh p. 6

17 [NADH]/mM simulation af glykolysemodel i lukket system 1.0 c HCN =0mM c HCN =5mM time/s Simulation af oscillationer med og uden tilsætning af KCN p. 7

18 periodiske sammentrækninger i blodkar: Vasomotion Struktur og kemi i glatte muskelceller (blå) og endothelceller (gule) B.Hald et.al. Pflugers Arch (2012) p. 8

19 periodiske sammentrækninger i blodkar: Vasomotion Struktur og kemi i glatte muskelceller (blå) og endothelceller (gule) Eksperimentelle målinger af vasomotion (a) (b) (a) (b) Ca oscillationer i de glatte muskelceller uden (a) og med (b) tilsætning af nor-adrenalin. C.Aalkjær et.al. Acta Physiol (2011) B.Hald et.al. Pflugers Arch (2012) p. 8

20 koblede oscillatorer En omrørt kemisk reaktor kan modelleres som en enkelt oscillator, da omrøringen sikrer at koncentrationene er ens overalt i systemet. Hvis omrøringen stoppes, vil forskellige dele af systemet kunne oscillere ude af takt. p. 9

21 koblede oscillatorer En omrørt kemisk reaktor kan modelleres som en enkelt oscillator, da omrøringen sikrer at koncentrationene er ens overalt i systemet. Hvis omrøringen stoppes, vil forskellige dele af systemet kunne oscillere ude af takt. Eksperimenter med BZ reaktion i flad kuvette eller Petriskål illustrerer, hvad der sker ved utilstrækkelig eller uden omrøring. p. 9

22 koblede oscillatorer En omrørt kemisk reaktor kan modelleres som en enkelt oscillator, da omrøringen sikrer at koncentrationene er ens overalt i systemet. Hvis omrøringen stoppes, vil forskellige dele af systemet kunne oscillere ude af takt. Eksperimenter med BZ reaktion i flad kuvette eller Petriskål illustrerer, hvad der sker ved utilstrækkelig eller uden omrøring. I gærcellerne og i muskelcellerne er hver enkelt celle en oscillator, og de enkelte oscillatorer er lokalt koblet ved udveksling af kemiske stoffer. Når koblingen øges, bliver cellerne mere og mere synkroniserede. p. 9

23 modellering af komplekse kemiske reaktioner Koncentrationsforløb for komplekse kemiske reaktioner kan i praksis kun findes ved numerisk simulation. p. 10

24 modellering af komplekse kemiske reaktioner Koncentrationsforløb for komplekse kemiske reaktioner kan i praksis kun findes ved numerisk simulation. Mange programmer tillader kun input af differentialligniger, selv om input af kemisk kinetiske ligninger er det nemmeste (Dynafit Copasi). p. 10

25 modellering af komplekse kemiske reaktioner Koncentrationsforløb for komplekse kemiske reaktioner kan i praksis kun findes ved numerisk simulation. Mange programmer tillader kun input af differentialligniger, selv om input af kemisk kinetiske ligninger er det nemmeste (Dynafit Copasi). Mit forslag er at bruge en tekstfil som input som for reaktionerne. For reaktionen A B C er den: stime = 0; dtime = 0.01; etime = 5; 1: A -> B ; k> = 1; 2: B -> C ; k> = 1; [A](0) = 1; p. 10

26 kemisk signalhastighed I biologiske systemer fungerer kemiske bølger som signaler hvor de kemiske reaktioner kan øge signalhastigheden betragteligt. p. 11

27 kemisk signalhastighed I biologiske systemer fungerer kemiske bølger som signaler hvor de kemiske reaktioner kan øge signalhastigheden betragteligt. Ren diffusion med diffusionskonstant D = cm2 sec Tid for kemisk signal at bevæge sig længden l t(l) = l2 D t(1cm) = 13min p. 11

28 kemisk signalhastighed I biologiske systemer fungerer kemiske bølger som signaler hvor de kemiske reaktioner kan øge signalhastigheden betragteligt. Ren diffusion med diffusionskonstant D = cm2 sec Tid for kemisk signal at bevæge sig længden l t(l) = l2 D t(1cm) = 13min Diffusionen hjælpes af reaktionen A+2B k 3B Fronthastighed v = (D k [A] 2 0 ) Hvis k = M 2 sec 1 og [A] 0 = 0.01M bliver t(l) = 1 l t(1cm) = 0.4sec v p. 11