Ферментативный катализ

Ферментативный катализ

Ферментативный катализ – каталитические реакции, протекающие с участием ферментов – биологических катализаторов белковой природы. Ферментативный катализ имеет две характерные особенности:

1. Высокая активность. на несколько порядков превышающая активность неорганических катализаторов, что объясняется очень значительным снижением энергии активации процесса ферментами. Так, константа скорости реакции разложения перекиси водорода, катализируемой ионами Fе 2+. составляет 56 с -1 ; константа скорости этой же реакции, катализируемой ферментом каталазой, равна 3.5·10 7. т.е. реакция в присутствии фермента протекает в миллион раз быстрее (энергии активации процессов составляют соответственно 42 и 7.1 кДж/моль). Константы скорости гидролиза мочевины в присутствии кислоты и уреазы различаются на тринадцать порядков, составляя 7.4·10 -7 и 5·10 6 с -1 (величина энергии активации составляет соответственно 103 и 28 кДж/моль).

2. Высокая специфичность. Например, амилаза катализирует процесс расщепления крахмала, представляющего собой цепь одинаковых глюкозных звеньев, но не катализирует гидролиз сахарозы, молекула которой составлена из глюкозного и фруктозного фрагментов.

Согласно общепринятым представлениям о механизме ферментативного катализа, субстрат S и фермент F находятся в равновесии с очень быстро образующимся фермент-субстратным комплексом FS, который сравнительно медленно распадается на продукт реакции P с выделением свободного фермента; т.о. стадия распада фермент-субстратного комплекса на продукты реакции является скоростьопределяющей (лимитирующей).

F + S <––9gt; FS ––> F + P

Исследование зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата при неизменной концентрации фермента показали, что с увеличением концентрации субстрата скорость реакции сначала увеличивается, а затем перестает изменяться (рис. 2.12) и зависимость скорости реакции от концентрации субстрата описывается следующим уравнением:

Здесь Кm – константа Михаэлиса, численно равная концентрации субстрата при V = ½Vmax. Константа Михаэлиса служит мерой сродства между субстратом и ферментом: чем меньше Кm. тем больше их способность к образованию фермент-субстратного комплекса.

Характерной особенностью действия ферментов является также высокая чувствительность активности ферментов к внешним условиям – рН среды и температуре. Ферменты активны лишь в достаточно узком интервале рН и температуры, причем для ферментов характерно наличие в этом интервале максимума активности при некотором оптимальном значении рН или температуры; по обе стороны от этого значения активность ферментов быстро снижается.

Ферментативный катализ

Рис. 2.12 Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.

Механизм ферментативного катализа

Последовательность событий в ферментативном катализе можно описать следующей схемой. Вначале формируется субстрат-ферментный комплекс. При этом происходит изменение конформаций ферментной молекулы и молекулы субстрата, последняя фиксируется в активном центре в напряженной конфигурации. Так формируется активированный комплекс, или переходное состояние. — высокоэнергетическая промежуточная структура, которая энергетически менее устойчива, чем исходные соединения и продукты. Важнейший вклад в суммарный каталитический эффект вносит процесс стабилизации переходного состояния —взаимодействия между аминокислотными остатками белка и субстратом, находящимся в напряженной конфигурации. Разность значений свободной энергии для исходных реагентов и переходного состояния соответствует свободной энергии активации (&#&16;G # ). Скорость реакции зависит от величины (&#&16;G # ). чем она меньше, тем больше скорость реакции, и наоборот. По сути DG представляет собой «энергетический барьер», который требуется преодолеть для осуществления реакции. Стабилизация переходного состояния понижает этот «барьер» или энергию активации. На следующем этапе происходит сама химическая реакция, после чего образовавшиеся продукты освобождаются из фермент-продуктного комплекса.

Можно выделить несколько причин высокой каталитической активности ферментов, которые обеспечивают снижение энергетического барьера реакции.

1. Фермент может связывать молекулы реагирующих субстратов таким образом, что их реакционноспособные группы будут располагаться поблизости друг от друга и от каталитических групп фермента (эффект сближения ).

2. При образовании субстрат-ферментного комплекса достигаются фиксация субстрата и его оптимальная для разрыва и образования химических связей ориентация (эффект ориентации ).

3. Связывание субстрата приводит к удалению его гидратной оболочки (существует на растворенных в воде веществах).

4. Эффект индуцированного соответствия субстрата и фермента.

5. Стабилизация переходного состояния.

6. Определенные группы в молекуле фермента могут обеспечивать кислотно-основный катализ (перенос протонов в субстрате) и нуклеофильный катализ (формирование ковалентных связей с субстратом, что приводит к образованию более реакционноспособных структур, чем субстрат).

Одним из примеров кислотно-основного катализа является гидролиз гликозидных связей в молекуле муреина с помощью лизоцима. Лизоцим представляет собой фермент, присутствующий в клетках различных животных и растений: в слезной жидкости, слюне, курином белке, молоке. Лизоцим из куриных яиц имеет молекулярную массу 14 600 Да, состоит из одной полипептидной цепи (129 аминокислотных остатков) и имеет 4 дисульфидных мостика, что обеспечивает высокую стабильность фермента. Рентгеноструктурный анализ молекулы лизоцима показал, что она состоит из двух доменов, образующих «щель», в которой находится активный центр. Вдоль этой «щели» связывается гексосахарид, причем для связывания каждого из шести сахарных колец муреина на ферменте имеется свой участок (А, В, С, D, E и F) (рис. 6.4).

Ферментативный катализ

Молекула муреина удерживается в активном центре лизоцима в основном благодаря водородным связям и гидрофобным взаимодействиям. В непосредственной близости к месту гидролиза гликозидной связи расположены 2 аминокислотных остатка активного центра: глутаминовая кислота, занимающая 35-е положение в полипептиде, и аспарагиновая кислота — 52-е положение в полипептиде (рис. 6.5).

Боковые цепи этих остатков располагаются на противоположных поверхностях «щели» в непосредственной близости к атакуемой гликозидной связи — примерно на расстоянии 0,3 нм. Остаток глутамата находится в неполярном окружении и не ионизирован, а остаток аспартата— в полярном окружении, его карбоксильная группа депротонирована и участвует в качестве акцептора водорода в сложной сети водородных связей.

Процесс гидролиза осуществляется следующим образом. Протонирован карбоксильная группа остатка Glu-35 предоставляет свой протон гликозидному атому кислорода, что приводит к разрыву связи между этим атомом кислорода и С1 -атомом сахарного кольца, располагающегося в участке D (стадия общего кислотного катализа). В результате образуется продукт, включающий в себя сахарные кольца, находившиеся в участках E и F, который может высвободиться из комплекса с ферментом. Конформация сахарного кольца, расположенного в участке D, искажается, принимая конформацию полукресла. в которой пять из шести атомов, образующих сахарное кольцо, лежат практически в одной плоскости. Эта структура соответствует конформации переходного состояния. При этом С1 -атом оказывается положительно заряженным и промежуточный продукт носит название карбоний-иона (карбкатиона). Свободная энергия переходного состояния уменьшается за счет стабилизации карбоний-иона депротонированной карбоксильной группой остатка Asp-52 (рис. 6.5).

Ферментативный катализ

На следующем этапе в реакцию вступает молекула воды, которая замещает диффундирующий из области активного центра дисахаридный остаток. Протон молекулы воды переходит к Glu-35, а гидроксильный ион (ОН — ) к атому С1 карбоний-иона (стадия общего основного катализа). В результате второй фрагмент расщепленного полисахарида становится продуктом реакции (конформация кресла) и уходит из области активного центра, а фермент возвращается в исходное состояние и готов осуществить следующую реакцию расщепления дисахарида (рис.6.5).

Характеризуя свойства ферментов, в первую очередь оперируют понятием «активность». Под активностью фермента понимают такое его количество, которое катализирует превращение определенного количества субстрата в единицу времени. Для выражения активности препаратов ферментов используют две альтернативные единицы: международную (Е) и «катал» (кат). За международную единицу активности фермента принято то его количество, которое катализирует превращение 1 мкмоль субстрата в продукт за 1 мин в стандартных условиях (обычно оптимальных). Один катал обозначает количество фермента, катализирующее превращение 1 моль субстрата за 1 с. 1 кат=6*10 7 Е.

Часто ферментные препараты характеризуются удельной активностью, которая отражает степень очистки фермента. Удельная активность — это число единиц активности фермента на 1 мг белка.

Активность ферментов в очень сильной степени зависит от внешних условий, среди которых первостепенное значение имеют температура и рН среды. Повышение температуры в интервале 0—50° С обычно приводит к плавному увеличению ферментативной активности, что связано с ускорением процессов формирования субстрат-ферментного комплекса и всех последующих событий катализа. Однако дальнейшее повышение температуры, как правило, сопровождается увеличением количества инактивированного фермента за счет денатурации его белковой части, что выражается в снижении активности. Каждый фермент характеризуется температурным оптимумом — значением температуры, при котором регистрируется наибольшая его активность. Чаще для ферментов растительного происхождения температурный оптимум лежит в пределах 50—60° С, а животного — между 40 и 50° С. Ферменты термофильных бактерий характеризуются очень высоким температурным оптимумом.

Зависимость активности ферментов от значений рН среды также имеет сложный характер. Для каждого фермента характерен оптимум рН среды, при котором он проявляет максимальную активность. При удалении от этого оптимума в одну либо другую сторону ферментативная активность снижается. Это объясняется изменением состояния активного центра фермента (уменьшением или увеличением ионизации функциональных групп), а также третичной структуры всей белковой молекулы, которая зависит от соотношения в ней катионных и анионных центров. Большинство ферментов имеют оптимум рН в области нейтральных значений. Однако есть ферменты, проявляющие максимальную активность при рН 1,5 (пепсин) или 9,5 (аргиназа).

Активность ферментов подвержена значительным колебаниям в зависимости от воздействия ингибиторов (вещества, снижающие активность) и активаторов (вещества, увеличивающие активность). Роль ингибиторов и активаторов могут выполнять катионы металлов, некоторые анионы, переносчики фосфатных групп, восстановительных эквивалентов, специфические белки, промежуточные и конечные продукты метаболизма и др. Эти вещества могут попадать в клетку извне либо вырабатываться в ней. В последнем случае говорят о регуляции активности ферментов — неотъемлемом звене в общей регуляции метаболизма.

Воздействующие на активность ферментов вещества могут связываться с активным и аллостерическим центрами фермента, а также вне этих центров. Частные примеры подобных явлений будут рассмотрены в главах 7— 19. Для обобщения некоторых закономерностей ингибирования активности ферментов следует указать, что эти явления в большинстве случаев сводятся к двум типам — обратимому и необратимому. В ходе обратимого ингибирования в молекулу фермента не вносится каких-либо изменений после его диссоциации с ингибитором. Примером служит действие аналогов субстрата. которые могут связываться с активным центром фермента, препятствуя взаимодействию фермента с истинным субстратом. Однако увеличение концентрации субстрата приводит к «вытеснению» ингибитора из активного центра, и скорость катализируемой реакции восстанавливается (конкурентное ингибирование ). Другой случай обратимого ингибирования представляет собой связывание ингибитора с простетической группой фермента, или апоферментом. вне активного центра. Например, взаимодействие ферментов с ионами тяжелых металлов, которые присоединяются к сульфгидрильным группам остатков аминокислот фермента, белок-белковые взаимодействия или ковалентая модификация фермента. Такое ингибирование активности называется неконкурентным .

Необратимое ингибирование в большинстве случаев основано на связывании так называемых «суицидных субстратов » с активными центрами ферментов. При этом между субстратом и ферментом формируются ковалентные связи, которые расщепляются очень медленно и фермент долго не способен выполнять свою функцию. Примером «суицидного субстрата» служит антибиотик пенициллин (глава 18, рис. 18.1).

Поскольку для ферментов характерна специфичность действия, их классифицируют по типу реакции, подвергающейся катализу. Согласно принятой в настоящее время классификации, ферменты группируют в 6 классов:

1. Оксидоредуктазы (окислительно-восстановительные реакции).

2. Трансферазы (реакции переноса функциональных групп между субстратами).

3. Гидролазы (реакции гидролиза, акцептором переносимой группы является молекула воды).

4. Лиазы (реакции отщепления групп негидролитическим путем).

5. Изомеразы (реакции изомеризации).

6. Лигазы, или синтетазы (реакции синтеза за счет энергии расщепления нуклеозидтрифосфатов, чаще АТР).

Номер соответствующего класса фермента закреплен в его кодовой нумерации (шифре). Шифр фермента состоит из четырех разделенных точками чисел, обозначающих класс фермента, подкласс, подподкласс и порядковый номер в подподклассе.

Ферментный катализ. Механизмы ферментного катализа

Механизм действия ферментов сложен и до сих пор полностью не понят. Важнейшие особенности процесса, катализируемого ферментом, можно представить в виде следующих последовательных этапов:

1. Фермент (enzyme, E) соединяется с субстратом (S), т. е. с веществом, на которое он действует: E + S=E—S. Как показывают стрелки, эта реакция обратима.
2. В результате этого соединения возникает E-S, фермент-субстратный комплекс.

3. После соединения с ферментом субстрат активируется, в результате чего входящие в молекулу субстрата атомы и электроны легко перестраиваются, что приводит к образованию продукта этой реакции (Р): E-S=>E-P.
4. Этот комплекс затем подвергается диссоциации. освобождая продукт реакции и свободный фермент: Е-Р=>Е + Р.

Ферментативный катализ

Следует отметить, что в ходе реакции химические превращения претерпевает только субстрат; фермент, который действовал лишь в качестве катализатора, остается неизменным. Такой неизменный фермент может реагировать вновь и вновь с другими молекулами субстрата. Поскольку эти реакции протекают очень быстро, небольшое количество фермента катализирует превращение значительных количеств субстрата в продукт реакции за короткое время.

В принципе все ферментативные реакции в какой-то мере обратимы, т. е. фермент способен реагировать с продуктом катализируемой им реакции, образуя субстрат. Скорость этой обратной реакции в организме зависит от концентраций участвующих в ней веществ. Накопление продукта может настолько замедлить прямую реакцию, что начнет преобладать обратная. Однако, если продукт реакции обладает значительно меньшим запасом энергии, чем субстрат, обратная реакция становится совершенно невозможной, поскольку она соответствовала бы движению системы вверх по термодинамической лестнице (против градиента энергии). Такие реакции называют необратимыми. В этих случаях обратное превращение продукта реакции в субстрат требует участия другого фермента, который катализировал бы эту обратную реакцию.

Если субстраты и продукты реакции могут значительно различаться по химическому строению и размерам, то ферменты непременно представляют собой белки с молекулярным весом от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Очевидно, небольшие молекулы таких субстратов, как сахар, могут соединяться с огромной белковой молекулой во многих точках вдоль полипептидной цепи. Фактически в образовании комплекса с субстратом участвует лишь определенная область поверхности молекулы фермента — активный центр. Последний состоит либо из нескольких аминокислот, расположенных последовательно в полипептидной цепи, либо образуется в результате взаимодействия аминокислот, удаленных друг от друга в полипептидной цепи. В последнем случае молекула фермента в активной конфигурации сложена таким образом, чтобы сблизить между собой аминокислоты, принимающие непосредственное участие в построении активного центра.

Помимо аминокислотных остатков. активный центр фермента содержит обычно небелковую простетическую группу. Последняя представляет собой либо молекулу органического соединения, либо неорганический атом (обычно атом металла). Простетическая группа играет важную роль в действии фермента, облегчая его связывание с субстратом или осуществляя перенос электронов, атомов или ионов между субстратом и продуктом реакции. В организме простетическая группа прочно связана с ферментом. Когда фермент выделяют из ткани и подвергают очистке, простетическая группа остается с ним связанной. Если простетическую группу отделяют при помощи жестких методов от исходного фермента, или холофермента, то остающийся белок лишается каталитической активности (апофермент). Реконструкция структуры и функции холофермента может быть достигнута путем воссоединения при соответствующих условиях апофермента с его простетической группой, что свидетельствует о важной роли последней.

Ферментативный катализ

Ферментативными реакциями называются такие химические процессы в биологических системах, скорость которых регулируется веществами биологического происхождения. Это белковые молекулы, называемые ферментами или энзимами.

Ферментативный катализ играет огромную роль в жизнедеятельности организма. Широкое применение получили ферментные препараты при нарушениях функции желудочно-кишечного тракта, связанных с недостаточной выработкой пищеварительных ферментов (пепсин, панкреатин). При ожогах, гнойных ранах, гнойно-воспалительных заболеваниях легких, когда необходимо разрушить накопившиеся в большом количестве белковые образования, применяются протолитические ферменты, приводящие к быстрому гидролизу белков и способствующие рассасыванию гнойных скоплений. Для лечения инфекционных заболеваний используются препараты лизоцина, которые разрушают оболочку некоторых болезнетворных бактерий. Очень важные ферменты, которые рассасывают тромбы (сгустки крови внутри кровеносных сосудов) – плазмин, трипсин, химотрипсин, на их основе с разными добавками созданы различные лекарственные препараты – стрептокиназа, стрептаза, и т.п. широко применяемые в медицине.

Выделения ферментов в особый класс катализаторов обусловлен особыми свойствами этих веществ:

1) высокая специфичность;

2) эффективность действия;

3) биологические катализаторы образуются и разрушаются в процессе жизнедеятельности организма.

По своей каталитической активности биологические катализаторы в тысячи раз превышают неорганические. Специфичность действия связана с особенностями структуры фермента и субстрата. Одни части каталитической системы выполняют функции, главным образом связанные с пространственной организацией системы, другие в этой организационной системе осуществляют собственно катализ. Т.е. как и при неферментативном катализе, в каталитической реакции участвует не вся белковая молекула в целом, а лишь определенные ее участки – активные центры фермента.

Простейшая схема ферментативного катализа включает обратимое образование промежуточного комплекса фермента (Е) с реагирующим веществом (субстратом S) и разрушение этого комплекса с образованием продуктов реакции (Р):

Ферментативный катализ.

При условии, что k3 >9gt;k1. с учетом уравнения материального баланса [E]=[E0 ]-[ES] (индекс «0» означает начальную концентрацию) получаем уравнение Михаэлиса-Ментен. В уравнении скорость образования продукта выражена через начальную концентрацию фермента и текущую концентрацию субстрата:

Ферментативный катализ,

где wmax =k2 [E0 ] – максимальная скорость реакции;

Ферментативный катализ— это константа Михаэлиса.

Анализ уравнения Михаэлиса-Ментен

Константа Михаэлиса равна концентрации субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной скорости. Она характеризует специфичность фермента по отношению к субстрату (чем меньше, тем специфичнее). Типичные значения KM от 10 -6 до 10 -1 моль/л.

Константу скорости k3 иногда называют числом оборотов фермента.

Число оборотов фермента —число молекул субстрата, которые превращаются на активном центре фермента в единицу времени (обычно от 10 до 10 8 мин -1 ).

Уравнение Михаэлса можно записать в линейных координатах:

Ферментативный катализ.

Для определения параметров уравнения KM и wmax проводят серию измерений начальной скорости реакции от начальной концентрации субстрата и представляют экспериментальные данные в координатах 1/w0 – 1/[S0 ].

Течение химических реакций может быть заторможено присутствием некоторых веществ. Ингибиторы ферментативного катализа, способны образовывать комплексы с ферментом или фермент-субстратным комплексом.

Вопросы для самоконтроля

Что изучает химическая кинетика?

Что называется скоростью химической реакции?

Напишите выражение для средней скорости реакции. Как она определяется экспериментально?

Что собой представляет истинная скорость реакции?

По каким признакам классифицируют реакции в кинетике? Приведите эти классификации.

Дайте определения понятиям молекулярность, порядок реакции, период полупревращения.

Какие факторы влияют на скорость химической реакции?

Какова зависимость скорости реакции от концентрации. Сформулируйте основной постулат химической кинетики. Приведите его запись.

Что называют константой скорости химической реакции?

Запишите кинетические уравнения реакций нулевого, первого, второго порядков.

Опишите экспериментальные методы определения скорости и константы скорости реакций.

Каким образом увеличение температуры влияет на скорость химической реакции? Сформулируйте правило Вант-Гоффа.

Запишите уравнение Аррениуса.

Изобразите энергетический профиль реакций с различным тепловым эффектом (энергетическая диаграмма для реакции, протекающей без тепловых эффектов; энергетическая диаграмма для экзотермической реакции, для эндотермической реакции).

Что такое энергия активации?

Опишите теорию активных соударений (ТАС).

Какова роль стерического фактора?

Опишите теорию переходного состояния.

Дайте определение понятию катализ (гомогенный и гетерогенный катализ). Изобразите энергетический профиль каталитической реакции. Какое влияние оказывает катализатор на выход продуктов реакции?

Каковы особенности каталитической активности ферментов? Запишите и проанализируйте уравнение Михаэлиса — Ментен.

Задачи на правило Вант-Гоффа

Ферментативный катализ

С помощью правила Вант-Гоффа вычислить при какой температуре реакция закончится через 15 минут, если при температуре 293 К реакция идёт в течение 2 часов. Температурный коэффициент Вант-Гоффа реакции равен 3. Константа скорости обратно пропорциональна времени.

Температурный коэффициент реакции равен 3,5. Константа скорости kI при температуре ТI =15°С равна 0,2 с -1. Найти kII при температуре TII =40°С.

Задачи на уравнение Аррениуса

Ферментативный катализ. Ферментативный катализ

Ферментативный катализ.

Скорость бактериального гидролиза мышц рыб удваивается при переходе от Т1 = -1,1°С до Т2 = 2,2°С. Рассчитать энергию активации этой реакции.

Константа скорости гидролиза новокаина при Т=313 К равна 6,6∙10 -7 с -1. Энергия активации этой реакции 55,2 кДж/моль. Сколько процентов новокаина разложится при Т=293 К за 10 дней?

Срок годности лекарственного препарата при 40°С составляет 1 год. Определить срок годности при температуре 20°С, если предположить, что разложение является реакцией первого порядка, а температурный коэффициент Вант-Гоффа равен 2.

Для определения срока годности порошка папаверина гидрохлорида проведено исследование по методике «ускоренного старения» при температурах 50 и 80°С. Рассчитаны следующие константы: k50 =0,52∙10 -3 сут -1 k80 =1∙10 -3 сут -1. Определите срок годности порошка при температуре 20°С.

Ответ: 342,8 суток.

Задачи для решения на занятии.

1) Константа скорости гидролиза новокаина при 313 К равна 0,66 мин -1. энергия активации реакции равна 55,2 кДж/моль. Какая массовая доля (%) новокаина разложится за 10 дней хранения при 193К?

2) Появление изотопа йода Ферментативный катализ имеет место при авариях на АЭС. Период его полураспада 8 суток. За какое время этот изотоп распадается на 99% ?

3) Во сколько раз увеличится скорость реакции взаимодействия водорода и кислорода 2H2 + O2 = 2H2 O, если концентрации исходных веществ увеличить в два раза?

4) Константа скорости химической реакции при 20 0 С равна 1 моль/(л∙сек). Вычислите константу скорости при 60 0 С, если температурный коэффициент реакции равен 3. По размерности Константы скорости определить порядок реакции.

5) Константа скорости распада радиоактивного вещества составляет 0, 00507 (день) −1. Определите по размерности константы скорости, порядок химической реакции и, воспользовавшись соответствующим кинетическим уравнением, определите время (в днях), в течение которого вещество расходуется на 90%.

6) Во сколько раз увеличится скорость реакции при увеличении температуры на 25 0 С, если γ = 3?

7) Вычислите по правилу Вант-Гоффа, во сколько раз увеличится скорость химической реакции при увеличении температуры на 20 0 С, если γ = 2,8.

8) Константа скорости реакции при 300К равна 0,02, а при 350К равна 0,6. Определите энергию активации этой реакции?

C5 H5 N + CH3 I → [C5 H5 NCH3 ] I При 315К k = 0,035 (моль /л) −1 мин −1 При 323К k = 0,059 (моль /л) −1 мин −1 Вычислите энергию активации?

10) Константа скорости необратимой реакции 1-го порядка равна k = 2,06 ∙10 −3 мин −1. Определите, сколько % исходного вещества разложится за 25 минут?

11) Для реакции разложения N2 O5 при разных температурах получены следующие данные: T 0 C 45 65 kI. с -1 4, 98 ∙10 -4 4,87 ∙ 10 -3 Рассчитайте величину kI при t = 50 0 С.

12) Константа скорости реакции

При t2 = 14,4 0 С k2 = 3,204. Рассчитайте температурный коэффициент скорости реакции.

13) Для необратимой реакции 2-го порядка: CH3 COOC2 H5 + CH3 COONa + C2 H5 OH KII = 5,4 (моль/л) -1 * мин -1. Исходные концентрации эфира и щелочи одинаковы и равны 0,02 моль/л. Какова будет концентрация исходных веществ через 10 минут после начала опыта?

14) При хранении таблеток амидопирина было установлено, что при 80°С и 90°С константы скорости разложения соответственно равны 1,61∙10 -6 с -1. 4,2∙10 -6 с -1. Определите срок хранения таблеток (время разложения 10-ти % вещества) при 20°С.

15) Константа скорости химической реакции при 20 0 С равна 1 моль/л∙сек. Вычислите константу скорости при 60 0 С, если температурный коэффициент реакции равен 3. По размерности Константы скорости определить порядок реакции.

16) Для определения срока годности порошка папаверина гидрохлорида проведено исследование по методике «ускоренного старения» при температурах 50 и 80°С. Рассчитаны следующие константы: k50°С =5,2∙10 -4 сут -1. k80°С. =1,0∙10 -3 сут -1. Определите срок годности порошка при температуре 23°С.

17) Для реакции разложения N2 O5 при разных температурах получены следующие данные:

kI. с -1 4, 98 ∙10 -4 4,87 ∙ 10 -3

Рассчитайте величину kI при t = 50 0 С.

18) Константа скорости реакции при 300К равна 0,02, а при 350К равна 0,6. Определите энергию активации этой реакции?

19) Вычислите по правилу Вант-Гоффа, во сколько раз увеличится скорость химической реакции при увеличении температуры на 20 0 С, если γ = 2,8.

При 315К k = 0,035 (моль /л) −1 мин −1

При 323К k = 0,059 (моль /л) −1 мин −1

Вычислите энергию активации?

21) Константа скорости реакции

Рассчитайте температурный коэффициент скорости реакции.

При температуре 0°С гранула железа растворяется в соляной кислоте за 20 минут. Если температурный коэффициент γ = 2, то такой же кусочек железа растворится при t=20°С за 5 минут.

Ферментативный катализ это:

биокатализ, ускорение химических реакций под влиянием ферментов (См. Ферменты ). В основе жизнедеятельности лежат многочисленные химические реакции расщепления питательных веществ, синтеза необходимых организму химических соединений и трансформации их энергии в энергию физиологических процессов (работа мышц, почек, нервная деятельность и т.п.). Все эти реакции не могли бы происходить с необходимой для живых организмов скоростью, если бы в ходе эволюции не возникли механизмы их ускорения с помощью Ф. к.

Одно время считалось, что Ф. к. принципиально отличается от небиологического Катализ а, широко используемого в химическом производстве. Такое представление основывалось на трёх отличительных особенностях Ф. к. исключительно высокой эффективности (увеличение скорости реакции в 10 10 –10 13 раз) и специфичности, т. е. избирательности (способности каждого фермента катализировать превращение строго определённых биологических субстратов, иногда лишь единственного вещества, в единственном направлении), не достижимых в небиологическом катализе. Особенностью Ф. к. является также его регулируемость – способность биокатализатора – фермента – увеличивать или уменьшать свою активность в зависимости от потребностей организма. Однако исследование механизма Ф. к. показывает, что к нему применимы законы и принципы, на которых основаны обычные химические реакции. Отличие реакций Ф. к. определяется сложностью структуры ферментов и химических превращений, которые совершают вещества в ходе катализа.

Эффективность Ф. к. достигается в результате того, что химическая реакция разбивается на ряд энергетически более лёгких промежуточных реакций, в которых участвует фермент. Важнейшая для Ф. к. реакция – образование первичного фермент-субстратного комплекса даёт выигрыш энергии, достаточный для ускорения процесса в целом. Представления о необходимости образования такого комплекса следовали из изучения зависимости скорости ферментативной реакции (V) от концентрации фермента (Е ) и субстрата (S), которая описывается уравнением Михаэлиса – Ментен:

где k3 и Кт константы, характерные для каждой реакции.

Эта зависимость, установленная экспериментально для многих ферментативных реакций, может быть теоретически выведена, если превращение субстрата в продукт реакции (Р) происходит по механизму образования и распада комплекса между ферментом и субстратом – ES- комплекса:

где k1. k-1 и k + 2 константы, характеризующие скорость указанных стрелками стадий процесса, причём соотношение (k-1 + k + 2 )/ k-1 = Кт . Если в реакции участвует не один, а несколько (в большинстве случаев два) субстратов и ES -комплекс образует продукты реакции не в одну, а в несколько стадий, зависимость выражается более сложными уравнениями, однако и они могут быть выведены лишь на основе представления о первичном образовании ES -комплексов. Для многих ферментов получены прямые доказательства образования ES- комплексов. Так, спектральными методами доказано образование комплексов с участием дегидрогеназ и пероксидаз; выделены в кристаллич. состоянии комплексы оксидазы D -аминокислот с D -aланином, карбоксипептидазы А с глицил-L -тирозином. В ряде случаев установлено пространственное строение ES -комплексов методом рентгеноструктурного анализа.

Высокая специфичность Ф. к. объясняется строгим геометрическим и электронным соответствием структуры субстрата структуре активного центра (См. Активные центры ) фермента, на котором субстрат сорбируется и далее претерпевает химические превращения. Допускается, что соответствие (комплементарность) геометрического и электронного строения активного центра и реагирующих с ним участков молекулы субстрата (субстратов) достигается в момент сближения субстрата с активным центром (гипотеза индуцированного соответствия Д. Э. Кошленда, США). Активный центр фермента, представляющий собой ансамбль химически активных группировок (функциональных групп аминокислот), формируется из остатков аминокислот, нередко расположенных далеко друг от друга в полипептидной цепи, но сближенных в пространстве в результате глобулярной структуры белка. Часто в построении активных центров участвуют низкомолекулярные вещества (ионы металлов, органические кофакторы). В молекуле α-химотрипсина, катализирующего гидролиз белков и полипептидов и имеющего цепь длиной в 246 аминокислотных остатков, активный центр образован остатками серина (порядковый номер остатка в цепи 195), гистидина (№ 57), изолейцина (№ 16) и аспарагиновой кислоты (№ 102 и № 194). Активный центр рибонуклеазы, катализирующей расщепление РНК и построенной из 124 аминокислот, образован остатками лизина (№ 7 и № 41), аргинина (№ 39) и гистидина (№ 12 и № 119). Активные центры мн. ферментов функционируют с участием низкомолекулярных веществ – кофакторов (См. Кофакторы ) Ф. к. К ним относятся производные витаминов, Коферменты , а также ионы некоторых металлов (Na, К, Ca, Mg, Zn, Fe, Сu, Со, Mo и др.).

Общая теория Ф. к. не разработана, однако результаты исследования механизма действия ферментов позволяют качественно, а в отдельных случаях и количественно объяснить высокую активность Ф. к. Её главные причины: 1) сближение реагентов при сорбции их в активном центре, этот фактор эквивалентен повышению концентрации реагирующих веществ; 2) специфическая ориентация сорбированного в активном центре субстрата, благоприятная для взаимодействия с каталитическим участком активного центра; 3) образование химических связей между субстратом и каталитическим участком активного центра, направляющее реакцию по энергетически наиболее лёгкому пути; 4) осуществление всех основных химических превращений субстрата «внутримолекулярно» – в составе фермент-субстратного комплекса; 5) исключительная гибкость молекулы фермента, позволяющая активному центру принимать на каждой стадии превращения фермент-субстратного комплекса строение, способствующее достижению максимальной скорости данной стадии реакции. Каждая предшествующая стадия подготавливает наилучшие условия для последующей. Ориентировочная оценка суммарного эффекта всех перечисленных факторов Ф. к. позволяет теоретически предсказать возможное ускорение реакции в 10 10 –10 13 раз, что во многих случаях совпадает с найденной экспериментально величиной.

Механизмы регуляции активности Ф. к. связаны с особенностями белковой структуры ферментов. Глобулярное строение ферментов, поддерживаемое относительно слабыми химическими связями между отдельными участками полипептидной цепи, легко нарушается при изменении кислотности среды, температуры, концентрации солей в клетках и т.п. Поскольку для Ф. к. необходима строго заданная структура фермента, все эти факторы оказывают воздействие на его активность. Каждый фермент максимально активен при определённой температуре, pH среды и т.п. Изменение условий среды в обе стороны от оптимума снижает активность Ф. к.; нередко она саморегулируется продуктом реакции. Для обратимых процессов, когда фермент катализирует прямую и обратную реакции, скорость прямой реакции (активность Ф. к.) уменьшается при образовании избытка продукта реакции.

Важную роль в Ф. к. играет т. н. аллостерическая регуляция активности ферментов. В живой клетке совершается множество последовательных химических реакций, катализируемых соответствующими ферментами E1,E2 и т.п.

Обнаружены многочисленные реакции, когда образующийся в избытке против физиологически необходимых количеств продукт Р способен снижать активность первого фермента E1 и тем самым уменьшать скорость всей цепи реакций. Такой механизм называется регуляцией по принципу обратной связи. При этом регулятор Р (в общем случае носит наименование эффектор) воздействует на специальный регуляторный центр фермента E1, расположенный вдали от активного центра. Однако вследствие подвижности структуры белковой молекулы фермента в целом реакция с регуляторным центром приводит к изменению строения и свойств активного центра. Такой участок получил, по предложению Ф. Жакоб а и Ж. Моно. наименование аллостерического центра, а сами ферменты типа E1 называется аллостерическими ферментами. В качестве аллостерических эффекторов часто выступают нуклеотиды (например, адениловая кислота, аденозинтрифосфат и т.п.) и аминокислоты (в реакциях биосинтеза др. аминокислот).

К аллостерическим относят также механизмы регуляции действия фермента, содержащего несколько активных центров, при которых связывание субстрата в активном центре вызывает изменение (уменьшение или увеличение) активности фермента. Аллостерическими свойствами обладают ферменты, построенные из нескольких (чётного числа) молекул, каждая из которых имеет активный и регуляторный центры. Воздействие эффектора на регуляторный центр одной из молекул вызывает общее (кооперативное) изменение строения в др. молекулах и активности фермента в целом. Возможны также регуляторные механизмы, при которых воздействие эффектора на аллостерический фермент приводит к изменению степени ассоциации составляющих его субъединиц, что также сопровождается изменением общей активности фермента. Такого рода механизмы играют важную роль в регуляции сложной системы химических реакций (обмена веществ (См. Обмен веществ )) в живом организме.

Лит.: «Журнал Всес. химического общества им. Д. И. Менделеева», 1971, т. 16, № 4; Дженке В, П. Катализ в химии и энзимологии, пер. с англ. М. 1972: Структура и функции активных центров ферментов. Сб. посвященный 70-летию со дня рождения А. Е. Браунштейна, М. 1974.




Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *