Особенности протекания химических реакций в биологических системах рассматривает кинетика биологических процессов. Биологические реакции представляют собой ферментативные процессы, протекающие в сложно организованной системе. Такие системы обмениваются с окружающей средой энергией и веществом, вследствие чего их называют открытыми системами. Открытые системы обладают рядом специфических кинетических свойств, из которых наиболее важным следует считать возможность установления в них динамического стационарного состояния, при котором значения многих внутренних параметров системы (напр., концентрации компонентов) в течение определенного периода сохраняются постоянными. Это происходит потому, что процессы притока и оттока вещества взаимно компенсируют друг друга, что является одним из условий поддержания гомеостаза.

Другой особенностью биологических процессов является то, что в открытой системе сложные ферментативные реакции (полиферментативные процессы) обладают свойством осуществлять саморегуляцию, т. е. увеличивать или уменьшать скорость, вследствие активаций или ингибирования (торможения) процесса конечными продуктами или веществами, образующимися в ходе данной реакции. Скорость и направление такого процесса часто регулируются относительно небольшим количеством таких стадий, которые в данном случае можно считать управляющими (или определяющими). В случае совокупности последовательных реакций ими могут быть стадии, протекающие с наименьшей скоростью. При этом изменение скорости той или иной стадии под влиянием ингибитора или активатора приводит к изменению скорости протекания всего биологического процесса.

Скорость протекания реакций в живом организме определяется прежде всего ферментами управляющих стадий (ключевыми ферментами), могущими влиять на свойства других ферментов и структурные условия развития реакции.

Исследование различных простейших реакций, составляющих совокупность биологических процессов, с помощью методов химической кинетики показывает, что основные кинетические закономерности и их полное математическое описание оказываются достаточно сложным и даже в случае самых простых сочетаний элементарных химических реакций. Однако исследование кинетики сложного процесса существенно упрощается, если удается расчленить его на стадии, сильно различающиеся по временному масштабу — т. е. быстрые и медленные стадии. В случае простейшей ферментативной реакции быстрой стадией служит образование ферментсубстратного комплекса, а медленной — образование конечного продукта и т. д.

Различные биологические процессы протекают при участии разнообразных ферментов, которые ускоряют реакции. Фермент (Е), связываясь с субстратом реакции (S), образует ферментсубстратный активированный комплекс (ES). Реакция при этом протекает по схеме:

где P — продукт реакции. Первая стадия является обратимой, а вторая — необратимой (или слабо обратимой).

Ферментативные реакции имеют характерную особенность насыщения субстратом. При небольших концентрациях субстрата скорость ферментативной реакции увеличивается пропорционально его концентрации (реакция первого порядка), а при больших концентрациях становится постоянной (т. е. переходит в реакцию нулевого порядка).

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата описывается уравнением Михаэлиса — Ментен:

v = (V*S)/(km + S),

где v — скорость реакции, V — максимальная скорость реакции, km — константа Михаэлиса, численно равная концентрации субстрата, при которой скорость реакции достигает значения 0,5 V, S- концентрация субстрата .

Необходимо учесть, что кинетика многих ферментативных реакций оказывается более сложной, чем это следует из уравнения Михаэлиса, поскольку в ферментативной реакции могут участвовать несколько субстратов и образовываться несколько продуктов, а также принимать участие специфические обратимые или необратимые активаторы, или ингибиторы.

Важную роль в организме могут играть реакции, в ходе которых образуются продукты, сами служащие катализаторами данной реакции; такие реакции называются аутокаталитическими. Для такой реакции скорость зависит от концентрации как исходных, так и конечных веществ. Зависимость изменения концентрации конечного продукта во времени выражается в этом случае 5-образной кривой, показывающей, что выход продукта в течение начального промежутка времени (индукционный период) сравнительно мал, а затем скорость реакции резко возрастает и продукт быстро накапливается.

Особый интерес представляют так называемые цепные реакции. Начальная активация (инициирование) цепных реакций осуществляется свободными радикалами. По-видимому, именно такие реакции развиваются в биологических системах (в основном в мембранных структурах клеток) при радиационных поражениях организма или действии некоторых ядовитых веществ. Цепные реакции окисления липидов в мембранах приводят к быстрому развитию патологических процессов, связанных с разрушением клеточных структур. Скорость цепных реакций резко падает при действии веществ, реагирующих со свободными радикалами, что приводит к обрыву цепей окисления и торможению процесса. С этим связывают защитную роль ингибиторов радикальных процессов в реакции лучевого повреждения.

Огромное число процессов, катализируемых ферментами в живой клетке, составляет четко организованную пространственно-временную «сетку» взаимосвязанных реакций. В такой сложной системе отдельные реальные биохимические реакции представляют собой проточные открытые системы, скорость процесса в которых определяется в основном поступлением субстрата и оттоком конечных продуктов. Такие открытые системы находятся либо в стационарном состоянии, либо в процессе перехода из одного стационарного состояния в другое под воздействием каких-либо внешних факторов. Переход из одного стационарного состояния в другое характеризуется нестационарной кинетикой. При этом возможно появление периодических режимов (аутоколебаний концентраций реагентов). Подобные процессы могут возникать, в частности, при одновременном ингибировании фермента субстратом и продуктом реакции. Колебательные явления и периодические режимы хорошо изучены для процессов гликолиза, темновых реакций фотосинтеза, различного типа ферментативных реакций для биологических ритмов и т. д.

Изучение кинетики сложных систем, которыми и являются биологические процессы, часто требует применения метода математического моделирования, позволяющего описывать изменение основных параметров биологических систем и процессов во времени.