Навігація
Головна
 
Головна arrow Техніка arrow БІОТЕХНІЧНІ СИСТЕМИ МЕДИЧНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ
Переглянути оригінал

КІНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНИХ РЕАКЦІЙ. РІВНЯННЯ МІХАЕЛІСА - МЕНТЕН І МОНО - ІЄРУСАЛИМСЬКОГО

Переважна більшість реакцій, що протікають в живих організмах, здійснюється за участю біологічних каталізаторів, які мають загальну назву ферменти. Характерна особливість ферментів - їх специфічність, під якою розуміється властивість ферментів змінювати швидкість одних реакцій, не впливаючи на швидкості інших реакцій, що протікають в клітині.

Катализом називається селективне зміна швидкості хімічної реакції речовиною, які беруть участь в реакції, кількість і склад якого не змінюються до моменту утворення кінцевих продуктів. Речовина, що має зазначеними властивостями, називається каталізатором.

Розрізняють два типи каталізу: позитивний (швидкість реакції зростає) і негативний (швидкість реакції зменшується).

Реакції, швидкість яких змінюється під дією продукту, називаються автокаталитически.

Зазвичай термін «каталіз» відносять до позитивного каталізу. У цьому сенсі цей термін буде застосовуватися нижче.

Зокрема, водородпероксід Н2О2, що утворюється як побічний интермедиат при внутрішньому диханні клітин, руйнується типовим ферментом - каталазой. При відсутності каталази водородпероксід розкладається повільно і накопичується в значних кількостях. Водородпероксід взаємодіє з біоорганічними речовинами клітини, окисляє їх, що може привести до загибелі клітини. Це властивість водородпероксіда використовується для знищення патогенних мікроорганізмів при обробці свіжих ран.

До складу каталази, як і до складу більшості ферментів, входить іон металу, тому ці каталізатори називають метав- лоферментамі. Хімічний аналіз показує, що в кожній молекулі каталази є іон заліза Fe, Саме іони заліза Fe 2 * прискорюють розкладання водородпероксіда. Однак істотною відмінністю є те, що в присутності каталази водородпероксід розкладається набагато швидше, ніж при такій же кількості солі заліза (II).

Розкладання водородпероксіда 2Н2О2 -> 2Н 2 0 + 0 2 як з наявністю зазначених каталізаторів, так і при їх відсутності протікає по закону першого порядку щодо водородпероксіда. У табл. 6.1 наведені відповідні значення констант швидкості реакції першого порядку до при кімнатній температурі, молярної концентрації каталізаторів і енергії активації.

За даних умов розкладання водородпероксіда в присутності іонів заліза Fe 2 * відбувається приблизно в 10 5 раз, а в присутності каталази - в Ю 10 разів швидше, ніж некаталітичні розкладання.

Таблиця 6.1. Значення констант швидкості реакції першого порядку молярної концентрації і енергії активації при кімнатній температурі

каталізатор

Сот, моль / л

до з " 1

Е " кДж / моль

немає

0

110 -6

75

Fe 2 "

0,01

6 10 2

40

каталаза

0,01

41 O ' 4

7

Вивчення залежності швидкості реакції субстрату від температури показує, що прискорює дію каталізаторів пов'язано з істотним зменшенням енергії активації Е а відповідного перетворення.

Так, наприклад, в разі водородпероксіда (див. Табл. 6.1) при некаталітичні розкладанні Е а = 75 кДж / моль. У присутності іонів заліза Fe 2+ Е а = 7 кДж / моль, т. Е. Значення енергії знижується більш ніж в 10 разів у порівнянні зі значенням енергії при розкладанні водородпероксіда при відсутності каталізаторів. Зменшення енергії активації, як це випливає з рівняння Арреніуса (6.15), збільшує швидкість реакції. При кімнатній температурі зміна величини Е а на 6 кДж / моль відповідає зміні швидкості приблизно в 10 разів.

Виникає питання: чим обумовлено зменшення енергії активації в присутності каталізатора? Щоб відповісти на це питання, необхідно більш детально розглянути особливості кінетики каталітичних реакцій, зокрема ферментативного каталізу.

Якщо зобразити кінетичні реакції субстрату в присутності ферменту у вигляді кривої, то можна виділити три ділянки (рис. 6.7). На ділянку I доводиться лише незначна частина загального часу протікання реакції - порядку декількох мілісекунд. Ця ділянка називається перехідним: швидкість змінюється від нуля до деякого стаціонарного значення v " (див. Рис. 6.7, б). На ділянці II швидкість приблизно постійна і дорівнює протягом декількох хвилин. Частина II називається стаціонарним, йому приблизно відповідає прямолінійний відрізок кінетичної кривої. На ділянці III швидкість реакції монотонно падає до нуля внаслідок витрачання субстрату. На дану ділянку припадає найбільша частина часу протікання реакції - порядку декількох десятків хвилин. У зв'язку з цим ділянку III називається основним.

Залежності концентрації субстрату cs (а) і швидкості реакції V ( 6) від часу

Мал. 6.7. Залежності концентрації субстрату cs (а) і швидкості реакції V ( 6) від часу:

I, II, III - перехідний, стаціонарний і основний ділянки

Загальна форма кінетичної кривої (див. Рис. 6.7, а), яка описує ферментативний каталіз, має S-подібний характер, типовий для послідовних реакцій (див. Рис. 6.5). Така схожість дозволяє припустити, що в ході ферментативної реакції субстрат утворює деякий интермедиат. Ретельне вивчення кінетики ферментативних реакцій підтверджує висловлене припущення: у всіх ферментативних реакціях субстрат S утворює з молекулою ферменту Е з'єднання ES, яке називається фермент-субстратним комплексом. Фермент-субстратної комплекс може розпадатися по двох шляхах. При розпаді по першому шляху знову формуються вихідні молекули субстрату S і ферменту Е. При розпаді іншим шляхом відбувається утворення молекули продукту Р і регенерація молекули ферменту Е.

Таким чином, механізм ферментативного каталізу описується наступними стадіями:

Вперше докази розглянутого механізму дії ферментів отримали Л. Міхаеліс та М. Ментен в 1913 р Ці ж вчені вивели формулу залежності стаціонарної швидкості v CT ферментативної реакції від концентрації субстрату (рівняння Міхаеліса - Ментен): де cs - концентрація субстрату на початку ділянки І кінетичної кривої (див. рис. 6.7, а); ц тах - максимальна швидкість; До і і c s - постійні величини для даних ферменту і субстрату. Подальшу розробку, пов'язану з ферментативної кінетики, провели Моно і Єрусалимський.

Залежність стаціонарної швидкості ферментативної реакції від концентрації з $ субстрату

Мал. 6.8. Залежність стаціонарної швидкості ферментативної реакції від концентрації з $ субстрату

Особливості залежності стаціонарної швидкості а ст від концентрації

c s субстрату (рис. 6.8) можна встановити наступним чином.

При малих концентраціях субстрату (c s <до АТ М ) величиною c s в знаменнику вираження (6.16) можна знехтувати. Тоді залежність стаціонарної швидкості від концентрації Cs набуває вигляду

т. е. швидкість » ст пропорційна концентрації c s . Відповідно до таким характером залежності початкова ділянка кривої являє собою пряму лінію з тангенсом кута нахилу, рівним з 5 »До м .

При великих концентраціях субстрату (cs »АГ М ) в знаменнику вираження (6.16) можна знехтувати величиною До м , в зв'язку з чим запишемо

З виразу (6.18) випливає, що при великих концентраціях субстрату швидкість досягає максимального значення, рівного » тах , і не залежить від величини c s . Відповідно ділянку кривої на рис. 6.8 при великих значеннях cs є пряму, паралельну осі абсцис.

Якщо для деякого ферменту експериментально вивчена залежність стаціонарної швидкості ферментативної реакції від концентрації з $ цього субстрату (див. Рис. 6.8), то неважко визначити чисельні значення постійних До м і ^ тах .

Як це було показано вище, величина г; тах дорівнює максимально можливої швидкості реакції перетворення субстрату при даній концентрації ферменту.

З виразу (6.16) ясно, що постійна До м чисельно дорівнює такій концентрації субстрату, при якій стаціонарна швидкість відповідає половині максимальної. Ця величина отримала назву константи Міхаеліса (див. Рис. 6.8).

Спостережувану залежність стаціонарної швидкості п ст ферментативної реакції від концентрації легко пояснити, виходячи з механізму ферментативного каталізу.

Очевидно, що швидкість перетворення субстрату з утворенням продукту Р пропорційна концентрації фермент-субстратного комплексу (стадія II). При малих концентраціях субстрату в розчині є деяка кількість вільних молекул ферменту Е, не пов'язаних в фермент-субстратної комплекс SE. Тому при підвищенні концентрації субстрату концентрація комплексів зростає (стадія I) і відповідно зростає швидкість реакції.

При великих концентраціях субстрату практично всі молекули ферменту пов'язані в фермент-субстратні комплекси SE. У зв'язку з цим подальше збільшення концентрації субстрату практично не підвищує концентрації комплексів і, отже, швидкість реакції залишається постійною.

Освіта фермент-субстратні комплексів також дозволяє пояснити зниження енергії активації перетворення субстрату (див. Табл. 6.1). Зв'язування в комплекс призводить до перерозподілу електронів в молекулі субстрату, що, в свою чергу, зменшує міцність розриваються зв'язків і відповідно енергію активації.

Розглянуті в розд. 6.6 приклади наочно показують, як на основі кінетичних закономірностей із залученням термодинаміки можна прогнозувати перебіг у часі хімічних реакцій, в тому числі і біохімічних перетворень.

 
Переглянути оригінал
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Нерухомість
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Техніка
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук