Bekanntlich erhöht sich die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion nach der empirischen Regel von Van't Hoff mit einer Temperaturerhöhung um 10 °C um das 2- bis 4-fache. Bei enzymatischen Reaktionen wird es jedoch nur bis zu 50–60 °C beobachtet. Bei höheren Temperaturen denaturiert das Enzym, bei dem es sich um ein Protein handelt, seine Konformation ändert sich und es kann seine katalytischen Funktionen nicht mehr erfüllen. Daher hat die Abhängigkeit der Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion von der Temperatur die Form einer Kurve mit einem Maximum (Abbildung)

Das Maximum entspricht dem Höchsten Aktivität Enzym, das normalerweise in mg gemessen wird und 1 mgmol Substrat in 1 Minute katalysiert. Spezielle Aktivität gemessen pro 1 mg Enzym (mgmol/min). Molare Aktivität (U/min oder katalytische Konstante) wird pro mgmol Enzym (mgmol/mgmol ∙×min) berechnet, d. h. die molare Aktivität gibt an, wie viele Substratmoleküle in 1 Minute von einem Enzymmolekül umgewandelt werden.

Neben der Temperatur wird die Aktivität von Enzymen auch durch den pH-Wert der Umgebung und das Vorhandensein von Inhibitoren beeinflusst.

Einfluss des pH-Werts auf die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion

Für die meisten enzymatischen Reaktionen liegt der optimale pH-Wert des Mediums im Bereich von 5–9. Die Kurve der Abhängigkeit der Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion vom pH-Wert ist eine Kurve mit einem Maximum (Abbildung)

Diese Art von Kurve ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass ein optimaler Ionisierungszustand des Substrats und des Enzymproteinmoleküls (seine Aminosäurereste) vorliegt, der deren stärkste Verbindung im aktiven Zentrum und damit die höchste Reaktionsgeschwindigkeit gewährleistet.

Enzyminhibitoren

Die Wirkung von Enzymen kann durch bestimmte Substanzen abgeschwächt oder ganz unterdrückt werden – Inhibitoren. Ihre Wirkung kann reversibel und irreversibel sein.

Reversible Inhibitoren sind meist durch nichtkovalente Bindungen mit dem Enzym verbunden und lassen sich leicht von diesen lösen, es gibt sogenannte kompetitive reversible Inhibitoren, die ähnliche Strukturen wie das Substrat aufweisen und jeweils zunächst versuchen, das Enzym an der Substratbindungsstelle des aktiven Zentrums zu kontaktieren. Fügt man dem Enzym E einen kompetitiven Inhibitor I und ein Substrat S hinzu, so entstehen entsprechend den Reaktionen zwei Komplexe:

E + S « ES ® P + E

E + I « E I ≠ P

Da die Bildung des EI-Komplexes nicht zur Bildung von Reaktionsprodukten führt, nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit ihrer Bildung ab, da die Anzahl der aktiven Stellen des Enzyms, die mit dem Substrat interagieren können, abnimmt. Da ein kompetitiver Inhibitor reversibel an das Enzym bindet, kann seine Wirkung durch eine Erhöhung der Substratkonzentration verringert werden, da dadurch die Wahrscheinlichkeit einer Bindung des Enzyms an das Substrat steigt. Der Inhibitor, der die Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes stört, erhöht die Michaelis-Konstante K m, verändert jedoch nicht V max.

Nichtkompetitiver reversibler Inhibitor weist keine ähnliche Struktur wie das Substrat auf und kann daher in Gegenwart oder Abwesenheit des Substrats an das Enzym binden. Normalerweise bindet es das Enzym nicht am aktiven Zentrum, sondern an einer anderen Stelle, normalerweise am Regulierungszentrum. Dabei entsteht ein ternärer Komplex: Enzym-Inhibitor-Substrat (ESI), der nicht zur Bildung von Reaktionsprodukten führt:

E + S + I ® E I ≠ P

Bei dieser Art der Hemmung kann die Wirkung des Inhibitors nicht durch eine Erhöhung der Substratkonzentration aufgehoben werden. Ein nichtkompetitiver reversibler Inhibitor reduziert sowohl Vmax als auch Km.

Irreversible Inhibitoren Enzyme sind Verbindungen, die starke Bindungen mit dem Enzym eingehen, insbesondere in seinem aktiven Zentrum. Durch die Bindung wichtiger Gruppen an die Substratbindungsstelle verändern sie deren Konfiguration irreversibel. Auf diese Weise wirken die Schwermetallionen Hg+2 und Pb+2 irreversibel auf Enzyme, was ihre toxische Wirkung auf den menschlichen Körper erklärt.

Die Wirkung von Enzymen wird durch Hormone reguliert.

DYNAMISCHE BIOCHEMIE

Die Gesamtheit der chemischen Reaktionen, die in lebenden Zellen ablaufen und den Körper mit den benötigten Substanzen und Energie versorgen, wird als bezeichnet Stoffwechsel oder Stoffwechsel. Unterscheiden Katabolismus und Anabolismus. Bei der katabolen Transformation handelt es sich um den Abbau komplexer Moleküle, sowohl derjenigen, die mit der Nahrung zugeführt werden, als auch derjenigen, die in der Zelle vorkommen; diese Prozesse werden als exogonisch bezeichnet.

Anabole Prozesse (Biosyntheseprozesse) zielen auf die Bildung und Erneuerung von Strukturelementen von Zellen ab, also auf die Synthese komplexer Moleküle aus einfachen. Biosyntheseprozesse sind Reduktionsprozesse und gehen mit dem Verbrauch freier Energie einher; solche Prozesse werden endergonisch genannt. Beide Seiten des Prozesses sind zeitlich und räumlich miteinander verbunden. Katabole und anabole Prozesse finden in verschiedenen Zellorganellen statt, in denen verschiedene intrazelluläre Enzyme lokalisiert sind. Alle Stoffwechselwege sind miteinander verbunden, wie im integrierten Stoffwechselwegdiagramm dargestellt.

Enzymreaktionsgeschwindigkeit

Die Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion wird anhand der pro Zeiteinheit umgesetzten Substratmenge oder der gebildeten Produktmenge gemessen. Die Geschwindigkeit wird durch den Neigungswinkel der Tangente an die Kurve im Anfangsstadium der Reaktion bestimmt.

Reis. 2 Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion.

Je steiler der Hang, desto höher die Geschwindigkeit. Im Laufe der Zeit nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit normalerweise ab, was zum großen Teil auf die abnehmende Substratkonzentration zurückzuführen ist.

Faktoren, die die enzymatische Aktivität beeinflussen

Die Wirkung von F. hängt von einer Reihe von Faktoren ab: Temperatur, Umweltreaktion (pH), Enzymkonzentration, Substratkonzentration und dem Vorhandensein spezifischer Aktivatoren und unspezifischer oder spezifischer Inhibitoren.

Enzymkonzentration

Bei hohen Substratkonzentrationen und konstant bleibenden anderen Faktoren ist die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion proportional zur Enzymkonzentration.

Reis. 3 Abhängigkeit der Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion von der Konzentration des Enzyms.

Katalyse findet immer unter Bedingungen statt, bei denen die Enzymkonzentration viel niedriger ist als die Substratkonzentration. Daher nimmt mit zunehmender Enzymkonzentration auch die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion zu.

Temperatur

Der Einfluss der Temperatur auf die Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion kann durch den Temperaturkoeffizienten Q10 ausgedrückt werden: Q10 = (Reaktionsgeschwindigkeit bei (x + 10)°C) / (Reaktionsgeschwindigkeit bei x °C)

Zwischen 0 und 40 °C beträgt der Q10-Wert einer enzymatischen Reaktion 2. Mit anderen Worten: Bei jedem Temperaturanstieg um 10 °C verdoppelt sich die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion.

Reis. 4 Der Einfluss der Temperatur auf die Aktivität eines Enzyms wie der Speichelamylase.

Mit zunehmender Temperatur beschleunigt sich die Bewegung der Moleküle und es besteht eine größere Wahrscheinlichkeit, dass die Moleküle der reagierenden Substanzen miteinander kollidieren. Folglich steigt die Wahrscheinlichkeit, dass es zu einer Reaktion zwischen ihnen kommt. Die Temperatur, die für die größte Aktivität sorgt, wird als optimal bezeichnet. Oberhalb dieses Wertes nimmt die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion ab, obwohl die Kollisionshäufigkeit zunimmt. Dies geschieht aufgrund der Zerstörung der Sekundär- und Tertiärstrukturen des Enzyms, also aufgrund der Tatsache, dass das Enzym denaturiert.

Reis. 5 Der Verlauf der enzymatischen Reaktion bei verschiedenen Temperaturen.

Wenn sich die Temperatur dem Gefrierpunkt nähert oder darunter fällt, werden die Enzyme inaktiviert, eine Denaturierung findet jedoch nicht statt. Mit steigender Temperatur wird ihre katalytische Aktivität wieder wiederhergestellt.

Da Proteine ​​im trockenen Zustand viel langsamer denaturiert werden als hydratisierte Proteine ​​(in Form eines Proteingels oder einer Proteinlösung), erfolgt die Inaktivierung von Phosphor im trockenen Zustand viel langsamer als in Gegenwart von Feuchtigkeit. Daher können trockene Bakteriensporen oder trockene Samen einer Erhitzung auf viel höhere Temperaturen standhalten als dieselben Sporen oder Samen in feuchtem Zustand.

Substratkonzentration

Bei einer gegebenen Enzymkonzentration nimmt die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion mit zunehmender Substratkonzentration zu.

Reis. 6 Abhängigkeit der Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion von der Konzentration des Substrats.

Die theoretische maximale Reaktionsgeschwindigkeit Vmax wird nie erreicht, aber irgendwann führt eine weitere Erhöhung der Substratkonzentration nicht mehr zu einer merklichen Änderung der Reaktionsgeschwindigkeit. Dies lässt sich dadurch erklären, dass bei hohen Substratkonzentrationen die aktiven Zentren der Phosphormoleküle zu jedem Zeitpunkt praktisch gesättigt sind. Unabhängig davon, wie viel überschüssiges Substrat verfügbar ist, kann es sich erst dann mit dem Enzym verbinden, nachdem der zuvor gebildete Enzym-Substrat-Komplex in Produkt und freies Enzym dissoziiert ist. Daher wird bei hohen Substratkonzentrationen die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion durch beide begrenzt Konzentration des Substrats und die Zeit, die für die Dissoziation des Enzym-Substrat-Komplexes erforderlich ist.

Bei konstanter Temperatur wirkt jeder Phosphor innerhalb eines engen pH-Bereichs am effektivsten. Der optimale pH-Wert ist derjenige, bei dem die Reaktion mit maximaler Geschwindigkeit abläuft.

Reis. 7 Abhängigkeit der Enzymaktivität vom pH-Wert.

Bei höherem und niedrigerem pH-Wert nimmt die Aktivität von F. ab. Durch die pH-Verschiebung verändert sich die Ladung ionisierter saurer und basischer Gruppen, von der die spezifische Form der Phosphormoleküle abhängt. Infolgedessen ändert sich die Form der Phosphormoleküle und vor allem die Form ihres aktiven Zentrums. Ändert sich der pH-Wert zu stark, denaturiert F.. Das für einen bestimmten Phosphor charakteristische pH-Optimum stimmt nicht immer mit dem pH-Wert seiner unmittelbaren intrazellulären Umgebung überein. Dies deutet darauf hin, dass die Umgebung, in der sich F. befindet, seine Aktivität in gewissem Maße reguliert.

Die Enzymkinetik untersucht den Einfluss der chemischen Natur reagierender Substanzen (Enzyme, Substrate) und der Bedingungen ihrer Wechselwirkung (pH-Wert des Mediums, Temperatur, Konzentration, Anwesenheit von Aktivatoren oder Inhibitoren) auf die Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion. Die Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion (u) wird anhand der Abnahme der Substratmenge bzw. der Zunahme des Reaktionsprodukts pro Zeiteinheit gemessen.

Bei geringer Substratkonzentration sinkt die Reaktionsgeschwindigkeit

ist direkt proportional zu seiner Konzentration. Bei hohen Substratkonzentrationen, wenn alle aktiven Stellen des Enzyms vom Substrat besetzt sind ( Sättigung des Enzyms mit Substrat), ist die Reaktionsgeschwindigkeit maximal, wird konstant und unabhängig von der Substratkonzentration [S] und hängt vollständig von der Enzymkonzentration ab (Abb. 19).

K S – Dissoziationskonstante des Enzym-Substrat-Komplexes ES, Kehrwert der Gleichgewichtskonstante:

.

Je niedriger der K S -Wert ist, desto höher ist die Affinität des Enzyms zum Substrat.

Reis. 19. Abhängigkeit der Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion von der Konzentration des Substrats bei konstanter Enzymkonzentration

Der quantitative Zusammenhang zwischen der Konzentration des Substrats und der Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion drückt sich aus Michaelis-Menten-Gleichung:

,

u ist die Reaktionsgeschwindigkeit, u max ist die maximale Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion.

Briggs und Haldane verbesserten die Gleichung durch Einführung Michaelis-Konstante K m, experimentell bestimmt.

Briggs-Haldane-Gleichung:

.

Die Michaelis-Konstante ist numerisch gleich der Substratkonzentration (mol/l), bei der die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion halb so hoch ist (Abb. 20). K m zeigt die Affinität des Enzyms zum Substrat: Je niedriger sein Wert, desto größer die Affinität.

Experimentelle Werte von K m für die meisten enzymatischen Reaktionen, an denen ein Substrat beteiligt ist, betragen normalerweise 10 -2 -10 -5 M. Wenn die Reaktion reversibel ist, ist die Wechselwirkung des Enzyms mit dem Substrat der direkten Reaktion durch K m unterschiedlich gekennzeichnet daraus für das Substrat der Rückreaktion.

G. Lineweaver und D. Burke transformierten die Briggs-Haldane-Gleichung und erhielten die Geradengleichung: y = Axt + B (Abb. 21):

.

Die Lineweaver-Burk-Methode liefert ein genaueres Ergebnis.

Reis. 21. Grafische Definition der Michaelis-Konstante

nach der Lineweaver-Burk-Methode

EIGENSCHAFTEN DES ENZYMS

Enzyme unterscheiden sich in einer Reihe von Eigenschaften von herkömmlichen Katalysatoren.

Thermische Labilität oder Empfindlichkeit gegenüber erhöhter Temperatur (Abb. 22).

Reis. 22. Abhängigkeit der Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion von der Temperatur

Bei einer Temperatur von nicht mehr als 45–50 °C erhöht sich die Geschwindigkeit der meisten biochemischen Reaktionen gemäß der Van't-Hoff-Regel bei einem Temperaturanstieg um 10 °C um das Zweifache. Bei Temperaturen über 50 °C wird die Reaktionsgeschwindigkeit durch thermische Denaturierung des Enzymproteins beeinflusst, was nach und nach zu seiner vollständigen Deaktivierung führt.

Die Temperatur, bei der die katalytische Aktivität eines Enzyms ihr Maximum erreicht, wird als Temperatur bezeichnet Temperaturoptimum. Das Temperaturoptimum für die meisten Säugetierenzyme liegt im Bereich von 37–40 °C. Bei niedrigen Temperaturen (0 °C und darunter) werden Enzyme in der Regel nicht zerstört, ihre Aktivität sinkt jedoch auf nahezu Null.

Abhängigkeit der Enzymaktivität vom pH-Wert des Mediums(Abb. 23).

Für jedes Enzym gibt es einen optimalen pH-Wert, bei dem es seine maximale Aktivität zeigt. pH-Optimum Die Wirkung von Enzymen in tierischen Geweben liegt in einem engen Bereich der Wasserstoffionenkonzentration, der den im Laufe der Evolution entwickelten physiologischen pH-Werten von 6,0 bis 8,0 entspricht. Ausnahmen sind Pepsin – 1,5–2,5; Arginase – 9,5-10.

Reis. 23. Abhängigkeit der Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion vom pH-Wert des Mediums

Die Auswirkung von Änderungen des pH-Werts der Umgebung auf das Enzymmolekül besteht darin, den Ionisierungsgrad seiner aktiven Gruppen und folglich die Tertiärstruktur des Proteins und den Zustand des aktiven Zentrums zu beeinflussen. Der pH-Wert verändert auch die Ionisierung von Cofaktoren, Substraten, Enzym-Substrat-Komplexen und Reaktionsprodukten.

Spezifität. Die hohe Spezifität der Wirkung von Enzymen beruht auf der konformativen und elektrostatischen Komplementarität zwischen den Molekülen des Substrats und des Enzyms sowie der einzigartigen strukturellen Organisation des aktiven Zentrums, die die Selektivität der Reaktion gewährleistet.

Absolute Spezifität – die Fähigkeit eines Enzyms, eine einzelne Reaktion zu katalysieren. Beispielsweise katalysiert Urease die Reaktion der Hydrolyse von Harnstoff zu NH 3 und CO 2, Arginase die Hydrolyse von Arginin.

Relative (Gruppen-)Spezifität – die Fähigkeit eines Enzyms, eine Gruppe von Reaktionen einer bestimmten Art zu katalysieren. Beispielsweise weisen die hydrolytischen Enzyme Peptidasen, die Peptidbindungen in Proteinen und Peptidmolekülen hydrolysieren, und Lipase, die Esterbindungen in Fettmolekülen hydrolysieren, eine relative Spezifität auf.

Stereochemische Spezifität besitzen Enzyme, die die Umwandlung nur eines der räumlichen Isomere katalysieren. Das Enzym Fumarase katalysiert die Umwandlung des trans-Isomers von Butendisäure, Fumarsäure, in Apfelsäure und wirkt nicht auf das cis-Isomer, Maleinsäure.

Die hohe Spezifität der Wirkung von Enzymen sorgt dafür, dass unter allen möglichen Umwandlungen nur bestimmte chemische Reaktionen ablaufen.

ENZYMATIVE REAKTIONSKINETIK

untersucht die Muster des Ablaufs enzymatischer Reaktionen im Laufe der Zeit sowie deren Mechanismus; Kapitel chemische Kinetik.

Katalytisch Der Zyklus der Umwandlung von Substanz S (Substrat) in Produkt P unter Einwirkung von Enzym E verläuft unter Bildung von Zwischenprodukten. Anschl. X ich:

Wo Ki- Geschwindigkeitskonstanten einzelner Elementarstufen, Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes X 1 (ES, Michaelis-Komplex).

Bei einer bestimmten Temperatur hängt die Geschwindigkeit der Reaktion von den Konzentrationen des Enzyms, des Substrats und der Zusammensetzung des Mediums ab. Es gibt stationäre, vorstationäre und Relaxationskinetiken enzymatischer Reaktionen.

Stationäre Kinetik. Im stationären Zustand über Zwischenverbindungen. (dX ich/dt= 0, i = 1, ..., N) und mit einem Überschuss an Substrat, wobei [S] 0 bzw. [E] 0 die Anfangskonzentrationen sind. Substrat und Enzym ist die Kinetik des Prozesses durch ein konstantes, zeitinvariantes Konzentrationsniveau gekennzeichnet. Anschl. und der Ausdruck für die Prozessgeschwindigkeit v 0, aufgerufen Die anfängliche stationäre Geschwindigkeit hat die Form (Michaelis-Menten-Gleichung):

(1)

wo die Werte von k cat und K m -> Funktionen der Geschwindigkeitskonstanten der Elementarstufen und werden durch die Gleichungen gegeben:

Der Wert von k Kat angerufen wirksamer Katalysator Prozessgeschwindigkeitskonstante, Parameter K m -> Michaelis-Konstante. k Katzenwert durch Mengen bestimmt max. langsame Stufen der Katalyse Bezirke und manchmal genannt Anzahl der Umdrehungen des Enzyms (Enzymsystem); k Katze charakterisiert die Anzahl der Katalysatoren Zyklen, die das Enzymsystem pro Zeiteinheit durchführt. Naib. gemeinsam, mit dem Wert k Kat. für konkret Substrate im Bereich von 10 2 -10 3 s -1. Typische Werte der Michaelis-Konstante liegen im Bereich 10 –3 – 10 –4 M.

Bei hohen Substratkonzentrationen, wenn also die Zirkulationsgeschwindigkeit nicht von der Substratkonzentration abhängt und einen konstanten Wert erreicht, heißt. Max. Geschwindigkeit. Grafisch gesehen ist die Michaelis-Menten-Gleichung eine Übertreibung. Es kann mit der Methode der doppelten Kehrwerte (Linewere-Burk-Methode), d. h. durch Konstruktion der Abhängigkeit 1/v von 1/[S] 0, oder anderen Methoden linearisiert werden. Die lineare Form der Gleichung (1) hat die Form:

(2)

Damit können Sie die Werte grafisch ermitteln K m und v max (Abb. 1).

Reis. 1. Diagramm der linearen Transformation der Michaelis-Menten-Gleichung in doppelten Kehrwerten (nach Lineweaver - Burke).

Größe K m > ist numerisch gleich der Konzentration des Substrats, bei der die Zirkulationsgeschwindigkeit also gleich ist K m dient häufig als Maß für die Affinität des Substrats und des Enzyms, dies ist jedoch nur gültig, wenn

Mengen K m > Und variieren je nach pH-Wert. Dies ist auf die Fähigkeit der an der Katalyse beteiligten Enzymmolekülgruppen zurückzuführen, ihren Ionisierungszustand und damit ihre katalytische Aktivität zu ändern. Effizienz. Im einfachsten Fall führt eine pH-Änderung zur Protonierung oder Deprotonierung von mindestens zwei ionisierbaren Gruppen des an der Katalyse beteiligten Enzyms. Wenn in diesem Fall nur eine Form des Enzym-Substrat-Komplexes (z. B. ESH) von drei möglichen Formen (ES, ESH und ESH 2) in ein Produkt der Lösung umgewandelt werden kann, dann ist die Abhängigkeit von Der pH-Wert wird durch die Formel beschrieben:

Wo f = 1 + / Und F" = 1 + +K" b />-T. angerufen pH-Funktionen von Michaelis und K a, K b Und K" a, K" b -> Ionisationskonstanten der Gruppen a und bresp. frei Enzym und Enzym-Substrat-Komplex. In LG-Koordinaten - pH-Wert Diese Abhängigkeit ist in Abb. dargestellt. 2, und die Tangenten der Neigungswinkel der Tangenten an die aufsteigenden, vom pH-Wert unabhängigen und absteigenden Zweige der Kurve sollten gleich +1, 0 bzw. -1 sein. Aus einem solchen Diagramm können Sie die Werte ermitteln pK a Gruppen, die an der Katalyse beteiligt sind.

Reis. 2. Abhängigkeit von katalytischen Konstanten von pH bis logarithmisch. Koordinaten

Die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion folgt nicht immer der Gleichung (1). Einer der häufigsten Fälle ist die Beteiligung allosterischer Reaktionen an der Reaktion. Enzyme (vgl Enzymregulatoren), wobei die Abhängigkeit des Sättigungsgrads des Enzyms von [S] 0 nicht hyperbolisch ist. Charakter (Abb. 3). Dieses Phänomen ist auf die Kooperativität der Substratbindung zurückzuführen, d. h. wenn die Bindung eines Substrats an einer der Stellen des Enzymmakromoleküls die Affinität für das Substrat an einer anderen Stelle erhöht (positive Kooperativität) oder verringert (negative Kooperativität).

Reis. H Abhängigkeit des Sättigungsgrads des Enzyms mit dem Substrat von der Konzentration des Substrats bei positiver (I) und negativer (II) Kooperativität sowie in Abwesenheit (III).

Prästationäre Kinetik. Beim schnellen Mischen von Enzym- und Substratlösungen im Zeitintervall von 10 -6 -10 -1 s kann man vorübergehende Prozesse beobachten, die der Bildung eines stabilen stationären Zustands vorausgehen. In diesem vorstationären Modus wird bei Verwendung eines großen Substratüberschusses das Differenzialsystem eingesetzt. Die Gleichung, die die Kinetik der Prozesse beschreibt, ist linear. Die Lösung dieses Typs eines linearen Differentialsystems. Die Gleichung ergibt sich aus der Summe der Exponentialterme. Also für die Kinetik Schema oben dargestellt, die Kinetik der Produktakkumulation hat die Form:

wo ein ich ->, b und n -> Funktionen elementarer Geschwindigkeitskonstanten; -Wurzeln des entsprechenden Merkmals. Ebene.

Die reziproke Größe heißt charakteristisch Prozess Zeit:

Für einen Fluss, der unter Beteiligung von Intervallen fließt. Verbindung können Sie ncharacteristics erhalten. mal

Die Untersuchung der Kinetik der enzymatischen Reaktion im prästationären Modus ermöglicht es uns, eine Vorstellung vom detaillierten Mechanismus katalytischer Reaktionen zu bekommen. Zyklus und bestimmen Sie die Geschwindigkeitskonstanten der Elementarstufen des Prozesses.

Experimentell wird die Kinetik der enzymatischen Reaktion im prästationären Modus mit der Stopped-Jet-Methode untersucht (siehe. Jetkinetische Methoden), Ermöglicht das Mischen der Komponenten der Lösung innerhalb von 1 ms.

Entspannungskinetik. Bei einer schnellen Störeinwirkung auf das System (Änderung von Temperatur, Druck, elektrischem Feld) hängt die Zeit, die das System benötigt, um ein neues Gleichgewicht oder einen stationären Zustand zu erreichen, von der Geschwindigkeit der Prozesse ab, die die katalytische Reaktion bestimmen. Enzymzyklus.

Das Gleichungssystem, das die Kinetik des Prozesses beschreibt, ist linear, wenn die Verschiebung von der Gleichgewichtsposition klein ist. Die Lösung des Systems führt zu den Abhängigkeiten der Konzentrationen der Komponenten, dez. Prozessstadien in Form einer Summe exponentieller Terme, deren Exponenten den Charakter von Relaxationszeiten haben. Das Ergebnis der Untersuchung ist ein der Anzahl der Intervalle entsprechendes Spektrum an Relaxationszeiten. am Prozess beteiligte Verbindungen. Die Relaxationszeiten hängen von den Geschwindigkeitskonstanten der Elementarstufen der Prozesse ab.

Entspannungstechniken Die Kinetik ermöglicht die Bestimmung der Geschwindigkeitskonstanten einzelner Elementarstufen der Umwandlung von Zwischenprodukten. Die Methoden zur Untersuchung der Entspannungskinetik variieren. Auflösung: Ultraschallabsorption - 10 -6 -10 -10 s, Temperatursprung - 1O -4 -10 -6 s, elektrische Methode. Impuls - 10 -4 -10 -6 s, Drucksprung - 10 -2 s. Bei der Untersuchung der Kinetik enzymatischer Reaktionen fand die Methode des Temperatursprungs Anwendung.

Makrokinetik enzymatischer Prozesse. Entwicklung von Methoden zur Herstellung heterogener Katalysatoren durch Immobilisierung von Enzymen auf Zerfall. Medien (vgl Immobilisierte Enzyme) erforderte die Analyse der Kinetik von Prozessen unter Berücksichtigung des Stofftransports des Substrats. Die Reaktionskinetik wurde theoretisch und experimentell untersucht, wobei die Auswirkungen der Diffusionsschicht und für Systeme mit Intradiffusionsschwierigkeiten während der Verteilung des Enzyms innerhalb des Trägers berücksichtigt wurden.

Unter Bedingungen, bei denen die Kinetik des Prozesses durch die Diffusionsübertragung des Substrats beeinflusst wird, erfolgt eine katalytische Reaktion. die Systemeffizienz nimmt ab. Der Effizienzfaktor ist gleich dem Verhältnis der Produktflussdichte unter Bedingungen eines enzymatischen Flusses mit einer diffusiv reduzierten Substratkonzentration zu dem Fluss, der ohne Diffusionseinschränkungen realisiert werden könnte. Im reinen Diffusionsbereich, wenn die Geschwindigkeit des Prozesses durch den Stofftransport des Substrats bestimmt wird, ist der Effizienzfaktor für Systeme mit externer Diffusionshemmung umgekehrt proportional zum Diffusionsmodul:

Wo Dicke der Diffusionsschicht, D - Koeffizient. Substratdiffusion.

Für Systeme mit Intradiffusionshemmung in Regionen erster Ordnung

wo Ф T- dimensionsloser Modul (Thiele-Modul).

Bei der Analyse der Kinetik Muster in Enzymreaktoren sind weitgehend theoretisch. und experimentieren. Es wurden „ideale“ Reaktormodelle entwickelt: Durchflussreaktor (Durchflussreaktor mit idealer Durchmischung), Durchflussreaktor mit idealer Verdrängung und Membranreaktor.

Kinetik von Multienzymprozessen. Im Körper (Zelle) wirken Enzyme nicht isoliert, sondern katalysieren Ketten der Transformation von Molekülen. R-tionen in Multienzymsystemen mit Kinetik. Standpunkte können als konsistent angesehen werden. Prozesse, spezifisch Ein Merkmal davon sind die Enzyme jeder der Stufen:

Wo , bzw. max, Prozessgeschwindigkeit und Michaelis-Konstante ich Bezirksstufe.

Ein wichtiges Merkmal des Prozesses ist die Möglichkeit, einen stabilen stationären Zustand auszubilden. Die Bedingung für sein Auftreten kann Ungleichheit sein > v 0 , wobei v 0 die Geschwindigkeit der Grenzstufe ist, die durch die kleinste Geschwindigkeitskonstante gekennzeichnet ist und dadurch die Geschwindigkeit von allem, was folgt, bestimmt. Verfahren. Im Steady State liegen die Konzentrationen der Metaboliten nach der Grenzstufe unter der Michaelis-Konstante des entsprechenden Enzyms.

Spezifisch Die Gruppe der Multienzymsysteme besteht aus Systemen, die eine Oxidations-Reduktion durchführen. r-tionen unter Beteiligung von Proteinelektronenträgern. Träger bilden spezifisch Strukturen, Komplexe mit einer deterministischen Abfolge des Elektronentransfers. Kinetisch. Die Beschreibung dieser Art von Systemen berücksichtigt den Zustand von Schaltkreisen mit Zersetzung als unabhängige Variable. Grad der Elektronenpopulation.

Anwendung. Fr. K. wird in der Forschungspraxis häufig zur Untersuchung der Wirkmechanismen von Enzymen und Enzymsystemen eingesetzt. Ein praktisch bedeutsamer Bereich der Enzymwissenschaft ist Ingenieursenzymologie, arbeitet mit den Konzepten von F. r. zur Optimierung der Biotechnologie. Prozesse.

Zündete.: Poltorak O. M., Chukhrai E. S., Physikalisch-chemische Grundlagen der enzymatischen Katalyse, M., 1971; Berezin I.V., Martinek K., Grundlagen der physikalischen Chemie der enzymatischen Katalyse, M., 1977; Varfolomeev S. D., Zaitsev S. V., Kinetische Methoden in der biochemischen Forschung, M.. 1982. S. D. Varfolomeev.

Chemische Enzyklopädie. - M.: Sowjetische Enzyklopädie. Ed. I. L. Knunyants. 1988 .

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- (vom lateinischen Präfix re, das umgekehrte Wirkung bedeutet, und actio action), die Umwandlung einiger in (Ausgangsverbindungen) in andere (Ernährungsprodukte) mit der Unveränderlichkeit von Atomkernen (im Gegensatz zu Kernreaktionen). Ausgangsverbindungen in R. x. manchmal genannt... ... Chemische Enzyklopädie

- (von lateinisch fermentum starter) (Enzyme), Proteine, die in lebenden Organismen als Katalysatoren wirken. Basic Funktionen von F., um die Umwandlung von Substanzen zu beschleunigen, die in den Körper gelangen und während des Stoffwechsels gebildet werden (zur Erneuerung der Zellstrukturen, zur Gewährleistung ihrer ... Chemische Enzyklopädie

- (aus dem Griechischen pharmakon Medizin und kinetikos in Bewegung setzen), studiert Kinetik. Muster von Prozessen, die bei Lek auftreten. Heiraten Erbrochenes im Körper. Basic Pharmakokinetik Prozesse: Aufnahme, Verteilung, Stoffwechsel und Ausscheidung (Entfernung).... ... Chemische Enzyklopädie

Fast alle biochemischen Reaktionen sind enzymatisch. Enzyme(Biokatalysatoren) sind durch Metallkationen aktivierte Eiweißstoffe. Es sind etwa 2000 verschiedene Enzyme bekannt, von denen etwa 150 isoliert wurden, von denen einige als Arzneimittel verwendet werden. Trypsin und Chymotrypsin werden zur Behandlung von Bronchitis und Lungenentzündung eingesetzt; Pepsin – zur Behandlung von Gastritis; Plasmin – zur Behandlung von Herzinfarkt; Pankreatin – zur Behandlung der Bauchspeicheldrüse. Enzyme unterscheiden sich von herkömmlichen Katalysatoren: (a) durch eine höhere katalytische Aktivität; (b) hohe Spezifität, d. h. Selektivität des Handelns.

Der Mechanismus einer Einzelsubstrat-Enzymreaktion kann durch das folgende Diagramm dargestellt werden:

wobei E ein Enzym ist,

S - Substrat,

ES – Enzym-Substrat-Komplex,

P ist das Reaktionsprodukt.

Das Merkmal der ersten Stufe der enzymatischen Reaktion ist Michaelis-Konstante (K M). K M ist der Kehrwert der Gleichgewichtskonstante:

Die Michaelis-Konstante (K M) charakterisiert die Stabilität des Enzym-Substrat-Komplexes (ES). Je niedriger die Michaelis-Konstante (K M) ist, desto stabiler ist der Komplex.

Die Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion entspricht der Geschwindigkeit ihres geschwindigkeitsbestimmenden Stadiums:

wobei k 2 die Geschwindigkeitskonstante ist, genannt Drehzahl oder molekulare Aktivität des Enzyms.

molekulare Enzymaktivität(k 2) ist gleich der Anzahl der Substratmoleküle, die unter dem Einfluss eines Enzymmoleküls in 1 Minute bei 25 0 C Umwandlungen durchlaufen. Diese Konstante nimmt Werte im Bereich an: 1·10 4< k 2 < 6·10 6 мин‾ 1 .

Für Urease, die die Hydrolyse von Harnstoff beschleunigt, ist k 2 = 1,85∙10 6 min‾ 1 ; für Adenosintriphosphatase, die die ATP-Hydrolyse beschleunigt, k 2 = 6,24∙10 6 min‾ 1 ; für Katalase, die die Zersetzung von H 2 O 2 beschleunigt, ist k 2 = 5∙10 6 min‾ 1.

Die kinetische Gleichung der enzymatischen Reaktion in der oben angegebenen Form ist jedoch praktisch nicht anwendbar, da die Konzentration des Enzym-Substrat-Komplexes () nicht experimentell bestimmt werden kann. Ausgedrückt in anderen Größen, die experimentell leicht bestimmt werden können, wir erhalten die kinetische Gleichung enzymatischer Reaktionen, angerufen durch die Michaelis-Menten-Gleichung (1913):

,

wobei das Produkt k 2 [E] total ein konstanter Wert ist, der mit (maximale Geschwindigkeit) bezeichnet wird.

Jeweils:

Betrachten wir Spezialfälle der Michaelis-Menten-Gleichung.

1) Bei niedriger Substratkonzentration K M >> [S], also

was der kinetischen Gleichung der Reaktion erster Ordnung entspricht.

2) Bei hoher Substratkonzentration K m<< [S], поэтому

was der kinetischen Gleichung der Reaktion nullter Ordnung entspricht.

So nimmt bei einer niedrigen Substratkonzentration die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion mit zunehmendem Substratgehalt im System zu, und bei einer hohen Substratkonzentration erreicht die kinetische Kurve ein Plateau (die Reaktionsgeschwindigkeit hängt nicht von der Substratkonzentration ab) (Abb . 30).

Abbildung 30. – Kinetische Kurve einer enzymatischen Reaktion

Wenn [S] = K M, dann

Damit können Sie die Michaelis-Konstante K m grafisch bestimmen (Abb. 31).

Abbildung 31. – Grafische Definition der Michaelis-Konstante

Die Aktivität von Enzymen wird beeinflusst durch: (a) die Temperatur, (b) den Säuregehalt des Mediums, (c) das Vorhandensein von Inhibitoren. Der Einfluss der Temperatur auf die Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion wird in Kapitel 9.3 diskutiert.

Der Einfluss des Säuregehalts des Mediums auf die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion ist in Abbildung 32 dargestellt. Die maximale Enzymaktivität entspricht dem optimalen pH-Wert (pH opt).

Abbildung 32. – Einfluss des Säuregehalts der Lösung auf die Enzymaktivität

Für die meisten Enzyme stimmen optimale pH-Werte mit physiologischen Werten (7,3 – 7,4) überein. Es gibt jedoch Enzyme, deren normale Funktion eine stark saure (Pepsin – 1,5 – 2,5) oder ausreichend alkalische Umgebung (Arginase – 9,5 – 9,9) erfordert.

Enzyminhibitoren- Dies sind Substanzen, die einen Teil der aktiven Zentren von Enzymmolekülen besetzen, wodurch die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion abnimmt. Als Inhibitoren wirken Schwermetallkationen, organische Säuren und andere Verbindungen.

Vorlesung 11

Atomare Struktur

Es gibt zwei Definitionen des Begriffs „Atom“. Atom ist das kleinste Teilchen eines chemischen Elements, das seine chemischen Eigenschaften behält.

Atom ist ein elektrisch neutrales Mikrosystem, bestehend aus einem positiv geladenen Kern und einer negativ geladenen Elektronenhülle.

Die Lehre vom Atom hat einen langen Entwicklungsweg hinter sich. Zu den Hauptstadien in der Entwicklung des Atomismus gehören:

1) Naturphilosophisches Stadium – die Zeit der Entstehung des Konzepts der atomaren Struktur der Materie, die nicht durch Experimente bestätigt wurde (5. Jahrhundert v. Chr. – 16. Jahrhundert n. Chr.);

2) das Stadium der Bildung der Hypothese über das Atom als kleinstes Teilchen eines chemischen Elements (XVIII-XIX Jahrhundert);

3) die Phase der Erstellung physikalischer Modelle, die die Komplexität der Struktur des Atoms widerspiegeln und es ermöglichen, seine Eigenschaften zu beschreiben (Anfang des 20. Jahrhunderts)

4) Die moderne Stufe des Atomismus wird Quantenmechanik genannt. Quantenmechanik ist ein Teilgebiet der Physik, das sich mit der Bewegung von Elementarteilchen beschäftigt.

PLANEN

11.1. Struktur des Kerns. Isotope.

11.2. Quantenmechanisches Modell der Elektronenhülle eines Atoms.

11.3. Physikalisch-chemische Eigenschaften von Atomen.

Struktur des Kerns. Isotope

Atomkern ist ein positiv geladenes Teilchen, das aus Protonen, Neutronen und einigen anderen Elementarteilchen besteht.

Es ist allgemein anerkannt, dass die Hauptelementarteilchen des Kerns Protonen und Neutronen sind. Proton (p) – ist ein Elementarteilchen, dessen relative Atommasse 1 amu und dessen relative Ladung + 1 beträgt. Neutron (n) – Dabei handelt es sich um ein Elementarteilchen, das keine elektrische Ladung besitzt und dessen Masse der Masse eines Protons entspricht.

99,95 % der Masse eines Atoms sind im Kern konzentriert. Zwischen Elementarteilchen wirken besondere Kerndehnungskräfte, die die Kräfte der elektrostatischen Abstoßung deutlich übertreffen.

Das grundlegende Merkmal eines Atoms ist Aufladung sein Kerne, gleich der Anzahl der Protonen und übereinstimmend mit der Ordnungszahl des Elements im Periodensystem der chemischen Elemente. Eine Menge (Art) von Atomen mit der gleichen Kernladung wird genannt Chemisches Element. Elemente mit Nummern von 1 bis 92 kommen in der Natur vor.

Isotope- Dabei handelt es sich um Atome desselben chemischen Elements, die im Kern die gleiche Anzahl an Protonen und eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen enthalten.

Dabei ist die Massenzahl (A) die Masse des Kerns und z die Ladung des Kerns.

Jedes chemische Element ist eine Mischung aus Isotopen. In der Regel stimmt der Name von Isotopen mit dem Namen des chemischen Elements überein. Für Wasserstoffisotope wurden jedoch spezielle Namen eingeführt. Das chemische Element Wasserstoff wird durch drei Isotope dargestellt:

Zahl p Zahl n

Protium N 1 0

Deuterium D 1 1

Tritium T 1 2

Isotope eines chemischen Elements können sowohl stabil als auch radioaktiv sein. Radioaktive Isotope enthalten Kerne, die spontan zerfallen und dabei Teilchen und Energie freisetzen. Die Stabilität eines Kerns wird durch sein Neutronen-Protonen-Verhältnis bestimmt.

Im Körper stören Radionuklide die wichtigsten biochemischen Prozesse, schwächen die Immunität und verurteilen den Körper zur Krankheit. Der Körper schützt sich vor den Auswirkungen der Strahlung, indem er Elemente aus der Umgebung gezielt aufnimmt. Stabile Isotope haben Vorrang vor radioaktiven Isotopen. Mit anderen Worten: Stabile Isotope blockieren die Anreicherung radioaktiver Isotope in lebenden Organismen (Tabelle 8).

S. Shannons Buch „Nutrition in the Atomic Age“ liefert die folgenden Daten. Wenn spätestens 2 Stunden nach Eintritt von I-131 in den Körper eine Blockierungsdosis von ~100 mg stabilem Isotopenjod eingenommen wird, wird die Radiojodaufnahme in der Schilddrüse um 90 % reduziert.

Radioisotope werden in der Medizin eingesetzt

zur Diagnose bestimmter Krankheiten,

· zur Behandlung aller Krebsarten,

· für pathophysiologische Untersuchungen.

Tabelle 8 – Blockierungswirkung stabiler Isotope