Как известно, скорость химической реакции, согласно эмпирическому правилу Вант-Гоффа, при повышении температуры на 10 о увеличивается в 2-4 раза. Однако для ферментативных реакций оно соблюдается лишь до 50-60 о С. При более высоких температурах фермент, представляющий собой белок, денатурирует, изменяется его конформация, и он уже не может выполнять свои каталитические функции. Поэтому зависимость скорости ферментативной реакции от температуры имеет вид кривой с максимумом (рисунок)

Максимум соответствует наивысшей активности фермента, которая обычно измеряется его количеством в мг, которое катализирует 1 мгмоль субстрата за 1 мин. Удельная активность измеряется в расчете на 1 мг фермента (мгмоль/мин). Молярная активность (число оборотов или каталитическая константа) рассчитывается на мгмоль фермента (мгмоль/мгмоль ∙×мин), то есть молярная активность показывает, сколько молекул субстрата превращается за 1 минуту одной молекулой фермента.

Кроме температуры на активность ферментов влияют рН среды и присутствие ингибиторов.

Влияние рН на скорость ферментативной реакции

Для большинства ферментативных реакций оптимальное значение рН среды лежит в интервале 5− 9. Кривая зависимости скорости ферментативной реакции от рН является кривой с максимумом (рисунок)

Такой вид кривой обусловлен тем, что существует оптимальное состояние ионизации субстрата и белковой молекулы фермента (её аминокислотных остатков), которое обеспечивает наиболее прочное их соединение в активном центре и, следовательно, наибольшую скорость реакции.

Ингибиторы ферментов

Действие ферментов может быть ослаблено или полностьюподавлено с помощью определенных веществ – ингибиторов . Их действие может быть обратимым и необратимым.

Обратимые ингибиторы обычно связываются с ферментом нековалентными связями и могут быть легко от них отсоединяться, при этом существуют так называемые конкурентные обратимые ингибиторы, которые имеют сходные структуры с субстратом и стремятся, каждый в первую очередь, связаться с ферментом на субстратсвязывающем участкеактивного центра. Если к ферменту Е добавить конкурентный ингибитор I и субстрат S, то образуются два комплекса по реакциям:

Е + S « ES ® Р + Е

Е + I « Е I ≠ Р

Так как образование комплекса ЕI не приводит к образованию продуктов реакции, то скорость реакции их образования уменьшается, так как уменьшается число активных центров фермента, способных взаимодействовать с субстратом. Поскольку конкурентный ингибитор связывается с ферментом обратимо, то уменьшить его действие можно, увеличивая концентрацию субстрата, так как при этом увеличивается вероятность связывания фермента с субстратом. Ингибитор, мешая образованию фермент-субстратного комплекса, он увеличивает константу Михаэлиса К m , но не изменяет V max .

Неконкурентный обратимый ингибитор не сходен поструктуре, с субстратом, поэтому он может связываться с ферментом и в присутствии и в отсутствии субстрата, и обычно связывается с ферментом не в активном центре, а в другом месте, обычно в регуляторном центре. При этом образуется тройной комплекс: фермент-ингибитор-субстрат (ЕSI), который не приводит к образованию продуктов реакции:

Е + S + I ® Е I ≠ Р

При данном типе ингибирования влияние ингибитора не может быть преодолено повышением концентрации субстрата. Неконкурентный обратимый ингибиторуменьшает как V max , так и К m .

Необратимые ингибиторы ферментов – это соединения, которые образуют прочные связи с ферментом, причем именно в активном его центре. Связывая важные группы на субстрат связывающем участке, они необратимо изменяют его конфигурацию. Так необратимо действуют на ферменты ионы тяжелых металлов Hg +2 и Pb +2 , чем объясняется их токсическое действие на организм человека.

Регуляция действия ферментов осуществляется гормонами.

ДИНАМИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ

Совокупность химических реакций, протекающих в живых клетках, и обеспечивающих организм нужными ему веществами и энергией носят название обмена веществ или метаболизма. Различают катаболизм и анаболизм. Катаболическое превращение – это расщепление сложных молекул, как поступающих с пищей, так и находящихся в клетке, эти процессы называются экзогоническими.

Анаболические процессы (процессы биосинтеза) направлены на образование и обновление структурных элементов клеток, то есть на синтез сложных молекул из простых. Процессы биосинтеза – это восстановительные процессы и они сопровождаются затратой свободной энергии, такие процессы называются эндергоническими. Обе стороны процесса взаимосвязаны между собой во времени и пространстве. Катаболические и анаболические процессы протекают в различных органеллах клетки, где локализованы различные внутриклеточные ферменты. Все метаболические пути взаимосвязаны, что показано на интегральной схеме метаболических путей.

Скорость ферментативной реакции

Мерой скорости ферментативной реакции служит количество субстрата, подвергшегося превращению в единицу времени, или количество образовавшегося продукта. Скорость определяют по углу наклона касательной к кривой на начальной стадии реакции.

Рис. 2 Скорость ферментативной реакции.

Чем круче наклон, тем больше скорость. Со временем скорость реакции обычно снижается, по большей части в результате снижения концентрации субстрата.

Факторы, влияющие на ферментативную активность

Действие Ф. зависит от ряда факторов: температуры, реакции среды (pH), концентрации фермента, концентрации субстрата, от присутствия специфических активаторов и неспецифических или специфических ингибиторов.

Концентрация фермента

При высокой концентрации субстрата и при постоянстве других факторов скорость ферментативной реакции пропорциональна концентрации фермента.

Рис. 3 Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента.

Катализ осуществляется всегда в условиях, когда концентрация фермента гораздо ниже концентрации субстрата. Поэтому с возрастанием концентрации фермента растет и скорость ферментативной реакции.

Температура

Влияние температуры на скорость ферментативной реакции может быть выражено через температурный коэффициент Q 10: Q 10 = (скорость реакции при (х + 10)°C) / (скорость реакции при х °C)

В пределах 0-40°C Q 10 ферментативной реакции равен 2. Иными словами, при каждом повышении температуры на 10°C скорость ферментативной реакции удваивается.

Рис. 4 Влияние температуры на активность такого фермента, как амилаза слюны.

С повышением температуры движение молекул ускоряется, и у молекул реагирующих веществ больше шансов столкнуться друг с другом. Увеличивается, следовательно, и вероятность того, что реакция между ними произойдет. Температура, обеспечивающая наибольшую активность, называется оптимальной. За пределами этого уровня скорость ферментативной реакции снижается, несмотря на увеличение частоты столкновений. Происходит это вследствие разрушения вторичной и третичной структур фермента, иными словами, вследствие того, что фермент претерпевает денатурацию.

Рис. 5 Ход ферментативной реакции при разных температурах.

Когда температура приближается к точке замерзания или оказывается ниже ее, ферменты инактивируются, но денатурации при этом не происходит. С повышением температуры их каталитическая активность вновь восстанавливается.

Поскольку белки в сухом состоянии денатурируются значительно медленнее, чем белки оводненные (в виде белкового геля или раствора), инактивирование Ф. в сухом состоянии происходит гораздо медленнее, чем в присутствии влаги. Поэтому сухие споры бактерий или сухие семена могут выдержать нагревание до гораздо более высоких температур, чем те же споры или семена в увлажненном состоянии.

Концентрация субстрата

При данной концентрации фермента скорость ферментативной реакции возрастает с увеличением концентрации субстрата.

Рис. 6 Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.

Теоретическая максимальная скорость реакции V max никогда не достигается, но наступает момент, когда дальнейшее увеличение концентрации субстрата уже не влечет за собой сколько-нибудь заметного изменения скорости реакции. Это следует объяснить тем, что при высоких концентрациях субстрата активные центры молекул Ф. в любой данный момент оказываются практически насыщенными. Таким образом, сколько бы ни было в наличии избыточного субстрата, он может соединиться с Ф. лишь после того, как образовавшийся ранее фермент-субстратный комплекс диссоциирует на продукт и свободный Ф. Поэтому при высоких концентрациях субстрата скорость ферментативной реакции лимитируется и концентрацией субстрата, и временем, которое требуется для диссоциации фермент-субстратного комплекса.

При постоянной температуре любой Ф. работает наиболее эффективно в узких пределах pH. Оптимальным считается то значение pH, при котором реакция протекает с максимальной скоростью.

Рис. 7 Зависимость активности фермента от pH.

При более высоких и более низких pH активность Ф. снижается. Сдвиг pH меняет заряд ионизированных кислотных и основных групп, от которого зависит специфичная форма молекул Ф. В результате изменяется форма молекул Ф., и в первую очередь форма его активного центра. При слишком резких сдвигах pH Ф. денатурирует. Свойственный данному Ф. оптимум pH не всегда совпадает с pH его непосредственного внутриклеточного окружения. Это позволяет предположить, что среда, в которой находится Ф., в какой-то мере регулирует его активность.

Ферментативная кинетика исследует влияние химической природы реагирующих веществ (ферментов, субстратов) и условий их взаимодействия (рН среды, температура, концентрация, присутствие активаторов или ингибиторов) на скорость ферментативной реакции. Скорость ферментативной реакции (u) измеряют по убыли количества субстрата или приросту продукта реакции за единицу времени.

При низкой концентрации субстрата скорость реакции

прямо пропорциональна его концентрации. При высокой концентрации субстрата, когда все активные центры фермента заняты субстратом (насыщение фермента субстратом ), скорость реакции максимальна, становится постоянной и не зависящей от концентрации субстрата [S] и полностью зависит от концентрации фермента (рис. 19).

K S – константа диссоциации фермент-субстратного комплекса ES, обратна константе равновесия:

.

Чем меньше значение K S , тем выше сродство фермента к субстрату.

Рис. 19. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата при постоянной концентрации фермента

Количественное соотношение между концентрацией субстрата и скоростью ферментативной реакции выражает уравнение Михаэлиса-Ментен :

,

u - скорость реакции, u max - максимальная скорость ферментативной реакции.

Бриггс и Холдейн усовершенствовали уравнение, введя в него константу Михаэлиса K m , определяемую экспериментально.

Уравнение Бриггса – Холдейна:

.

Константа Михаэлиса численно равна концентрации субстрата (моль/л), при которой скорость ферментативной реакции составляет половину от максимальной (рис. 20). К m показывает сродство фермента к субстрату: чем меньше ее значение, тем больше сродство.

Экспериментальные значения К m для большинства ферментативных реакций с участием одного субстрата обычно 10 -2 -10 -5 М. Если реакция обратима, то взаимодействие фермента с субстратом прямой реакции характеризуется К m , отличающейся от таковой для субстрата обратной реакции.

Г. Лайнуивер и Д. Берк преобразовали уравнение Бриггса – Холдейна и получили уравнение прямой линии: у = ах + b (рис. 21):

.

Метод Лайнуивера – Берка дает более точный результат.

Рис. 21. Графическое определение константы Михаэлиса

по методу Лайнуивера-Берка

СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ

Ферменты отличаются от обычных катализаторов рядом свойств.

Термолабильность , или чувствительность к повышению температуры (рис. 22).

Рис. 22. Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры

При температуре, не превышающей 45–50 °С, скорость большинства биохимических реакций повышается в 2 раза при повышении температуры на 10 °С согласно правилу Вант-Гоффа. При температуре выше 50 °С на скорость реакции влияниет тепловая денатурация белка-фермента, постепенно приводящая к его полной дезактивации.

Температура, при которой каталитическая активность фермента максимальна, называется его температурным оптимумом. Температурный оптимум для большинства ферментов млекопитающих находится в пределах 37-40 °С. При низких температурах (0 °С и ниже) ферменты, как правило, не разрушаются, хотя активность их снижается практически до нуля.

Зависимость активности фермента от значения рН среды (рис. 23).

Для каждого фермента существует оптимальное значение рН среды, при котором он проявляет максимальную активность. рН-оптимум действия ферментов животных тканей лежит в пределах узкой зоны концентрации водородных ионов, соответствующей выработанным в процессе эволюции физиологическим значениям рН среды 6,0-8,0. Исключения составляют пепсин – 1,5-2,5; аргиназа – 9,5-10.

Рис. 23. Зависимость скорости ферментативной реакции от рН среды

Влияние изменений рН среды на молекулу фермента заключается в воздействии на степень ионизации его активных групп, а, следовательно, на третичную структуру белка и состояние активного центра. рН меняет также ионизацию кофакторов, субстратов, фермент-субстратных комплексов и продуктов реакции.

Специфичность. Высокая специфичность действия ферментов обусловлена конформационной и электростатической комплементарностью между молекулами субстрата и фермента и уникальной структурной организацией активного центра, обеспечивающими избирательность протекания реакции.

Абсолютная специфичность – способностьфермента катализировать единственную реакцию. Например, уреаза катализирует реакцию гидролиза мочевины до NH 3 и СО 2 , аргиназа – гидролиз аргинина.

Относительная (групповая) специфичность – способность фермента катализировать группу реакций определенного типа. Относительной специфичностью, например, обладают гидролитические ферменты пептидазы, гидролизующие пептидные связи в молекулах белков и пептидов, липаза, гидролизующая сложноэфирные связи в молекулах жиров.

Стереохимической специфичностью обладают ферменты, катализирующие превращения только одного из пространственных изомеров. Фермент фумараза катализирует превращение транс-изомера бутендиовой кислоты - фумаровой кислоты в яблочную, и не действует на цис-изомер - малеиновую кислоту.

Высокая специфичность действия ферментов обеспечивает протекание лишь определенных химических реакций из всех возможных превращений.

ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ КИНЕТИКА

изучает закономерности протекания во времени ферментативных р-ций, а также их механизм; раздел кинетики химической.

Каталитич. цикл конверсии в-ва S (субстрата) в продукт P под действием фермента E протекает с образованием промежут. соед. X i :

где ki - константы скорости отдельных элементарных стадий, образования фермент-субстратного комплекса X 1 (ES, комплекс Михаэлиса).

При данной т-ре скорость р-ции зависит от концентраций фермента, субстрата и состава среды. Различают стационарную, предстационарную и релаксационную кинетику ферментативных р-ций.

Стационарная кинетика. В стационарном состоянии по промежуточным соед. (dX i /dt = 0, i = 1, ..., n ) и при избытке субстрата , где [S] 0 и [E] 0 - начальные концентрации соотв. субстрата и фермента, кинетика процесса характеризуется постоянным, неизменным во времени уровнем концентраций промежут. соед., а выражение для скорости процесса v 0 , наз. начальной стационарной скоростью, имеет вид (ур-ние Михаэлиса- Ментен):

(1)

где значения k кат и К м -> ф-ции констант скорости элементарных стадий и заданы ур-нениями:

Величину k кат наз. эффективной каталитич. константой скорости процесса, параметр К м -> константой Михаэлиса. Значение k кат определяется величинами наиб. медленных стадий каталитич. р-ций и иногда наз. числом оборотов фермента (ферментной системы); k кат характеризует число каталитич. циклов, совершаемых ферментной системой в единицу времени. Наиб. распространены , имеющие значение k кат. для специфич. субстратов в диапазоне 10 2 -10 3 с -1 . Типичные значения константы Михаэлиса лежат в интервале 10 -3 - 10 -4 M.

При больших концентрациях субстрата, когда т. е. скорость р-ции не зависит от концентрации субстрата и достигает постоянной величины, наз. макс. скоростью. Графически ур-ние Михаэлиса - Ментен представляет собой гиперболу. Его можно линеаризовать, используя метод двойных обратных величин (метод Лайнуи-вера - Берка), т. е. строя зависимость 1/vот 1/[S] 0 , или др. методы. Линейная форма ур-ния (1) имеет вид:

(2)

Она позволяет определить графически значения К м и v макс (рис. 1).

Рис. 1. График линейной трансформации ур-ния Михаэлиса - Ментен в двойных обратных величинах (по Лайнуиверу - Берку).

Величина К м > численно равна концентрации субстрата, при к-рой скорость р-ции равна , поэтому К м часто служит мерой сродства субстрата и фермента, однако это справедливо лишь, если

Величины К м > и изменяются в зависимости от значений рН. Это связано со способностью участвующих в катализе групп молекулы фермента изменять свое состояние ионизации и, тем самым, свою каталитич. эффективность. В простейшем случае изменение рН приводит к протонированию или депротонированию, по крайней мере, двух ионизирующихся групп фермента, участвующих в катализе. Если при этом только одна форма фермент-субстратного комплекса (напр., ESH) из трех возможных (ES, ESH и ESH 2) способна превращаться в продукт р-ции, то зависимость скорости от рН описывается ф-лой:

где f = 1 + / и f " = 1 + + K" b /> -т. наз. рН-ф-ции Михаэлиса, а К а, К b и К" a , K" b -> константы ионизации групп аи bсоотв. своб. фермента и фермент-субстратного комплекса. В координатах lg - рН эта зависимость представлена на рис. 2, причем тангенсы углов наклона касательных к восходящей, независимой от рН, и нисходящей ветвям кривой должны быть равны соответственно +1, 0 и -1. Из такого графика можно определить значения рК а групп, участвующих в катализе.

Рис. 2. Зависимость каталитич. константы от рН в логарифмич. координатах.

Скорость ферментативной р-ции не всегда подчиняется ур-нию (1). Один из часто встречающихся случаев - участие в р-ции аллостерич. ферментов (см. Регуляторы ферментов), для к-рых зависимость степени насыщения фермента от [S] 0 имеет негиперболич. характер (рис. 3). Это явление обусловлено кооперативностью связывания субстрата, т. е. когда связывание субстрата на одном из участков макромолекулы фермента увеличивает (положит. кооперативность) или уменьшает (отрицат. кооперативность) сродство к субстрату др. участка.

Рис. З Зависимость степени насыщения фермента субстратом от концентрации субстрата при положительной (I) и отрицательной (II) кооперативности, а также в ее отсутствии (III).

Предстационарная кинетика. При быстром смешении р-ров фермента и субстрата в интервале времен 10 -6 -10 -1 с можно наблюдать переходные процессы, предшествующие образованию устойчивого стационарного состояния. В этом предстационарном режиме при использовании большого избытка субстрата система дифференц. ур-ний, описывающая кинетику процессов, линейна. Решение данного типа системы линейных дифференц. ур-ний дается суммой экспоненциальных членов. Так, для кинетич. схемы, представленной выше, кинетика накопления продукта имеет вид:

где A i -> , b, а n -> ф-ции элементарных констант скорости; -корни соответствующего характеристич. ур-ния.

Величина, обратная , наз. характеристич. временем процесса:

Для р-ции, протекающей с участием nпромежут. соед., можно получить nхарактеристич. времен.

Исследование кинетики ферментативной р-ции в предстационарном режиме позволяет получить представление о детальном механизме каталитич. цикла и определить константы скорости элементарных стадий процесса.

Экспериментально кинетику ферментативной р-ции в предстационарном режиме исследуют с помощью метода остановленной струи (см. Струевые кинетические методы), позволяющего смешивать компоненты р-ции в течение 1 мс.

Релаксационная кинетика. При быстром возмущающем воздействии на систему (изменение т-ры, давления, электрич. поля) время, к-рое необходимо системе для достижения нового равновесия или стационарного состояния, зависит от скорости процессов, определяющих каталитич. ферментативный цикл.

Система ур-ний, описывающая кинетику процесса, линейна, если смещение от положения равновесия невелико. Решение системы приводит к зависимостям концентраций компонентов разл. стадий процесса в виде суммы экспоненциальных членов, показатели экспонент к-рых имеют характер времен релаксаций. Результатом исследования является спектр времен релаксации, соответствующий числу промежут. соед., участвующих в процессе. Величины времен релаксаций зависят от констант скорости элементарных стадий процессов.

Релаксационные методы кинетики позволяют определить константы скорости отдельных элементарных стадий трансформации интермедиатов. Методы изучения релаксационной кинетики имеют разл. разрешающую способность: поглощение ультразвука - 10 -6 -10 -10 с, температурный скачок - 1O -4 -10 -6 с, метод электрич. импульса - 10 -4 -10 -6 с, скачок давления - 10 -2 с. При исследовании кинетики ферментативных р-ций наиб, применение нашел метод температурного скачка.

Макрокинетика ферментативных процессов. Развитие методов получения гетерогенных катализаторов путем иммобилизации ферментов на разл. носителях (см. Иммобилизованные ферменты )обусловило необходимость анализа кинетики процессов с учетом массопереноса субстрата. Теоретически и экспериментально исследованы закономерности кинетики р-ций с учетом эффектов диффузионного слоя и для систем с внутридиффузионными затруднениями при распределении фермента внутри носителя.

В условиях, когда на кинетику процесса влияет диффузионный перенос субстрата, каталитич. эффективность системы уменьшается. Фактор эффективности равен отношению плотности потока продукта в условиях протекания ферментативной р-ции с диффузионно пониженной концентрацией субстрата к потоку, к-рый мог бы реализоваться в отсутствие диффузионных ограничений. В чисто диффузионной области, когда скорость процесса определяется массопереносом субстрата, фактор эффективности для систем с внешнедиффузи-онным торможением обратно пропорционален диффузионному модулю :

где толщина диффузионного слоя, D - коэф. диффузии субстрата.

Для систем с внутридиффузионным торможением в р-циях первого порядка

где Ф т - безразмерный модуль (модуль Тиле).

При анализе кинетич. закономерностей в ферментативных реакторах широкое теоретич. и эксперим. развитие получили "идеальные" модели реакторов, проточный (проточный реактор идеального перемешивания), проточный реактор с идеальным вытеснением, мембранный реактор.

Кинетика полиферментных процессов. В организме (клетке) ферменты действуют не изолированно, а катализируют цепи трансформации молекул. Р-ции в полиферментных системах с кинетич. точки зрения можно рассматривать как последоват. процессы, специфич. особенностью к-рых является ферментами каждой из стадий:

где , соотв. макс, скорость процесса и константа Михаэлиса i -й стадии р-ции соответственно.

Важная особенность процесса - возможность образования устойчивого стационарного состояния. Условием-его возникновения может служить неравенство > v 0 , где v 0 - скорость лимитирующей стадии, характеризуемой наименьшей константой скорости и тем самым определяющей скорость всего последоват. процесса. В стационарном состоянии концентрации метаболитов после лимитирующей стадии меньше константы Михаэлиса соответствующего фермента.

Специфич. группу полиферментных систем составляют системы, осуществляющие окислит.-восстановит. р-ции с участием белковых переносчиков электронов. Переносчики образуют специфич. структуры, комплексы с детерминированной последовательностью переноса электрона. Кинетич. описание такого рода систем рассматривает в качестве независимой переменной состояния цепей с разл. степенью заселенности электронами.

Применение. Ф. р. к. широко используют в исследовательской практике для изучения механизмов действия ферментов и ферментных систем. Практически значимая область науки о ферментах - инженерная энзимология, оперирует понятиями Ф. р. к. для оптимизации биотехнол. процессов.

Лит.: Полторак О. M., Чухрай E. С, Физико-химические основы ферментативного катализа, M., 1971; Березин И. В., Мартинек К, Основы физической химии ферментативного катализа, M., 1977; Варфоломеев С. Д., Зайцев С. В., Кинетические методы в биохимических исследованиях, M.. 1982. С. Д. Варфоломеев.

Химическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . Под ред. И. Л. Кнунянца . 1988 .

Смотреть что такое "ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ КИНЕТИКА" в других словарях:

Каталитич. р ция циклич. процесс, складывающийся из ряда элементарных р ций, скорости к рых описываются действующих масс законом. Этот закон имеет простую форму для идеальных газовых смесей, идеальных р ров и идеальных поверхностных слоев.… … Химическая энциклопедия

Кинетика химических реакций, учение о химических процессах о законах их протекания во времени, скоростях и механизмах. С исследованиями кинетики химических реакций связаны важнейшие направления современной химии и химической… … Большая советская энциклопедия

КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКАЯ - (от греч. kinesis движение), отдел теоретической химии, посвященный изучению законов хим. реакций. Можно наметить несколько типов хим. взаимодействий и прежде всего отличать реакции, протекающие в гомогенной (однородной) среде, от реакций,… … Большая медицинская энциклопедия

- (биокатализ), ускорение биохим. р ций при участии белковых макромолекул, называемых ферментами (энзимами). Ф. к. разновидность катализа, хотя термин ферментация (брожение)известен с давних времен, когда еще не было понятия хим. катализа. Первое… … Химическая энциклопедия

- (от лат. re приставка, означающая обратное действие, и actio действие), превращения одних в в (исходных соед.) в другие (продукты р ции) при неизменяемости ядер атомов (в отличие от ядерных реакций). Исходные соединения в Р. х. иногда наз.… … Химическая энциклопедия

- (от лат. fermentum закваска) (энзимы), белки, выполняющие роль катализаторов в живых организмах. Осн. ф ции Ф. ускорять превращение в в, поступающих в организм и образующихся при метаболизме (для обновления клеточных структур, для обеспечения его … Химическая энциклопедия

- (от греч. pharmakon лекарство и kinetikos приводящий в движение), изучает кинетич. закономерности процессов, происходящих с лек. ср вом в организме. Осн. фармакокинетич. процессы: всасывание, распределение, метаболизм и экскреция (выведение).… … Химическая энциклопедия

Практически все биохимические реакции являются ферментативными. Ферменты (биокатализаторы) - это вещества белковой природы, активированные катионами металлов. Известно около 2000 различных ферментов, а примерно 150 из них выделены, причем некоторые используются в качестве лекарственных препаратов. Трипсин и химотрипсин применяются для лечения бронхитов и пневмонии; пепсин - для лечения гастрита; плазмин - для лечение инфаркта; панкреатин – для лечение поджелудочной железы. Ферменты отличаются от обычных катализаторов: (а) более высокой каталитической активностью; (б) высокой специфичностью, т.е. избирательностью действия.

Механизм односубстратной ферментативной реакции можно представить схемой:

где Е - фермент,

S - субстрат,

ЕS - фермент-субстратный комплекс,

Р - продукт реакции.

Характеристикой первой стадии ферментативной реакции является константа Михаэлиса (К М) . К М является величиной, обратной константе равновесия:

константа Михаэлиса (К М) характеризует устойчивость фермент-субстратного комплекса (ES). Чем меньше константа Михаэлиса (К М), тем устойчивее комплекс.

Скорость ферментативной реакции равна скорости ее лимитирующей стадии:

где k 2 – константа скорости, называемая числом оборотов или молекулярной активностью фермента.

молекулярная активность фермента (k 2) равна числу молекул субстрата, претерпевающих превращения под воздействием одной молекулы фермента за 1 минуту при 25 0 С. Данная константа принимает значения в диапазоне: 1·10 4 < k 2 < 6·10 6 мин‾ 1 .

Для уреазы, ускоряющей гидролиз мочевины, k 2 = 1,85∙10 6 мин‾ 1 ; для аденозинтрифосфатазы, ускоряющей гидролиз АТФ, k 2 = 6,24∙10 6 мин‾ 1 ; для каталазы, ускоряющей разложение Н 2 О 2 , k 2 = 5∙10 6 мин‾ 1 .

Однако кинетическое уравнение ферментативной реакции в той форме, в которой оно приведено выше, практически невозможно использовать из-за невозможности экспериментального определения концентрации фермент-субстратного комплекса (). Выразив через другие величины, легко определяемые экспериментальным путем, получаем кинетическое уравнение ферментативных реакций, называемое уравнением Михаэлиса-Ментен (1913):

,

где произведение k 2 [E] общ является величиной постоянной, которую обозначают (максимальная скорость).

Соответственно:

Рассмотрим частные случаи уравнения Михаэлиса-Ментен.

1) При низкой концентрации субстрата K M >> [S], поэтому

что соответствует кинетическому уравнению реакции первого порядка.

2) При высокой концентрации субстрата К м << [S], поэтому

что соответствует кинетическому уравнению реакции нулевого порядка.

Таким образом, при низкой концентрации субстрата скорость ферментативной реакции возрастает с увеличением содержания субстрата в системе, а при его высокой концентрации – кинетическая кривая выходит на плато (скорость реакции не зависит от концентрации субстрата) (рис. 30).

Рисунок 30. - Кинетическая кривая ферментативной реакции

Если [S] = К М, то

что позволяет графически определять константу Михаэлиса К м (рис. 31).

Рисунок 31. - Графическое определение константы Михаэлиса

На активность ферментов оказывают влияние: (а) температура, (б) кислотность среды, (в) наличие ингибиторов. Влияние температуры на скорость ферментативной реакции рассмотрено в главе 9.3.

Влияние кислотности среды на скорость ферментативной реакции представлено на рисунке 32. Максимальная активность фермента соответствует оптимальному значению водородного показателя (рН опт).

Рисунок 32. - Влияние кислотности растворов на активность ферментов

Для большинства ферментов оптимальные значения рН совпадают с физиологическими значениями (7,3 - 7,4). Однако существуют ферменты, для нормального функционирования которых нужна сильнокислая (пепсин - 1,5- 2,5) или достаточно щелочная среда (аргиназа - 9,5 - 9,9).

Ингибиторы ферментов - это вещества, занимающие часть активных центров молекул фермента, в результате чего скорость ферментативной реакции уменьшается. В роли ингибиторов выступают катионы тяжелых металлов, органические кислоты и другие соединения.

Лекция 11

Строение атома

Существуют два определения понятия «атом».Атом - это мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его химические свойства.

Атом - это электронейтральная микросистема, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.

Учение об атоме прошло длительный путь развития. К основным этапам развития атомистики относят:

1) натурфилософский этап - период формирования концепции об атомном строении материи, не подтвержденной экспериментом (V век до н.э. - 16 век н.э.);

2) этап формирования гипотезы об атоме как мельчайшей частице химического элемента (XVIII-XIX в.в.);

3) этап создания физических моделей, отражающих сложность строения атома и позволяющих описать его свойства (начало XX в.)

4) современный этап атомистики называется квантово-механическим. Квантовая механика – это раздел физики, изучающий движение элементарных частиц.

ПЛАН

11.1. Строение ядра. Изотопы.

11.2. Квантово-механическая модель электронной оболочки атома.

11.3. Физико-химические характеристики атомов.

Строение ядра. Изотопы

Ядро атома - это положительно заряженная частица, состоящая из протонов, нейтронов и некоторых других элементарных частиц.

Принято считать, что основными элементарными частицами ядра являются протоны и нейтроны. Протон (p) – это элементарная частица, относительная атомная масса которой равна 1 а.е.м, а относительный заряд составляет + 1. Нейтрон (n) – это элементарная частица, не имеющая электрического заряда, масса которой равна массе протона.

В ядре сосредоточено 99,95 % массы атома. Между элементарными частицами действуют особые ядерные силы протяжения, значительно превосходящие силы электростатического отталкивания.

Фундаментальной характеристикой атома является заряд егоядра , равный числу протонов и совпадающий с порядковым номером элемента в периодической системе химических элементов. Совокупность (вид) атомов с одинаковым зарядом ядра называется химическим элементом . В природе найдены элементы с номерами от 1 до 92.

Изотопы - это атомы одного химического элемента, содержащие одинаковое количество протонов и разное количество нейтронов в ядре.

где массовое число (А) – это масса ядра, z – заряд ядра.

Каждый химический элемент представляет собой смесь изотопов. Как правило, название изотопов совпадает с названием химического элемента. Однако для изотопов водорода введены особые названия. Химический элемент водород представлен тремя изотопами:

Число р Число n

Протий Н 1 0

Дейтерий Д 1 1

Тритий Т 1 2

Изотопы химического элемента могут быть как стабильными, так и радиоактивными. Радиоактивные изотопы содержат ядра, самопроизвольно разрушающиеся с выделением частиц и энергии. Стабильность ядра определяется его нейтронно-протонным отношением.

Попадая в организм, радионуклиды нарушают протекание важнейших биохимических процессов, снижают иммунитет, обрекают организм на болезни. Организм защищает себя от воздействия радиации, избирательно поглощая элементы из окружающей среды. Стабильные изотопы имеют приоритет перед радиоактивными изотопами. Другими словами, стабильные изотопы блокируют накопление радиоактивных изотопов в живых организмах (таб. 8).

В книге С.Шеннон «Питание в атомном веке» приводятся следующие данные. Если блокирующую дозу стабильного изотопа йода, равную ~100 мг, принять не позднее чем через 2 часа после попадания I-131в организм, то поглощение радиойода в щитовидной железе снизится на 90%.

Радиоизотопы применяются в медицине

· для диагностики некоторых заболеваний,

· для лечения всех форм онкологических заболеваний,

· для патофизиологических исследований.

Таблица 8 - Блокирующее действие стабильных изотопов