Kā zināms, ķīmiskās reakcijas ātrums, saskaņā ar Van't Hoff empīrisko likumu, palielinās 2-4 reizes, temperatūrai paaugstinoties par 10 o. Taču fermentatīvām reakcijām to novēro tikai līdz 50-60 o C. Augstākā temperatūrā enzīms, kas ir proteīns, denaturējas, mainās tā konformācija, un tas vairs nespēj pildīt savas katalītiskās funkcijas. Tāpēc fermentatīvās reakcijas ātruma atkarība no temperatūras ir līknes forma ar maksimumu (attēls)

Maksimums atbilst augstākajam aktivitāte enzīms, ko parasti mēra mg, kas katalizē 1 mgmol substrāta 1 minūtē. Konkrēta darbība izmērīts uz 1 mg fermenta (mgmol/min). Molārā aktivitāte (apgr./min vai katalītiskā konstante) tiek aprēķināts uz mgmol fermenta (mgmol/mgmol ∙×min), tas ir, molārā aktivitāte parāda, cik substrāta molekulu 1 minūtē pārvērš viena enzīma molekula.

Papildus temperatūrai enzīmu darbību ietekmē vides pH un inhibitoru klātbūtne.

PH ietekme uz fermentatīvās reakcijas ātrumu

Lielākajai daļai fermentatīvo reakciju barotnes optimālā pH vērtība ir diapazonā no 5 līdz 9. Enzīmu reakcijas ātruma atkarības no pH līkne ir līkne ar maksimumu (attēls)

Šāda veida līkne ir saistīta ar to, ka ir optimāls substrāta un fermenta proteīna molekulas (tā aminoskābju atlikumu) jonizācijas stāvoklis, kas nodrošina to spēcīgāko savienojumu aktīvajā centrā un līdz ar to arī lielāko reakcijas ātrumu.

Enzīmu inhibitori

Fermentu darbību var vājināt vai pilnībā nomākt, izmantojot noteiktas vielas - inhibitori. Viņu darbība var būt atgriezeniska un neatgriezeniska.

Atgriezeniski inhibitori parasti ir saistīti ar fermentu ar nekovalentām saitēm un ir viegli no tām atdalāmi, un ir t.s. konkurējoši atgriezeniski inhibitori, kuriem ir substrātam līdzīga struktūra un katrs cenšas, pirmkārt, sazināties ar fermentu aktīvās vietas substrāta saistīšanās vietā. Ja fermentam E pievieno konkurējošo inhibitoru I un substrātu S, tad atbilstoši reakcijām veidojas divi kompleksi:

E + S « ES ® P + E

E + I « E I ≠ P

Tā kā EI kompleksa veidošanās neizraisa reakcijas produktu veidošanos, to veidošanās reakcijas ātrums samazinās, jo samazinās fermenta aktīvo vietu skaits, kas spēj mijiedarboties ar substrātu. Tā kā konkurētspējīgs inhibitors saistās ar enzīmu atgriezeniski, tā iedarbību var samazināt, palielinot substrāta koncentrāciju, jo tas palielina iespējamību, ka enzīms saistās ar substrātu. Inhibitors, traucējot enzīma-substrāta kompleksa veidošanos, palielina Mihaelisa konstanti K m, bet nemaina V max.

Nekonkurējošs atgriezenisks inhibitors pēc struktūras nav līdzīgs substrātam, tāpēc tas var saistīties ar fermentu substrāta klātbūtnē vai bez tā, un parasti saistās ar fermentu nevis aktīvajā vietā, bet citā vietā, parasti regulēšanas centrā. Šajā gadījumā veidojas trīskāršs komplekss: enzīma inhibitors-substrāts (ESI), kas neizraisa reakcijas produktu veidošanos:

E + S + I ® E I ≠ P

Ar šāda veida inhibīciju inhibitora iedarbību nevar pārvarēt, palielinot substrāta koncentrāciju. Nekonkurētspējīgs atgriezenisks inhibitors samazina gan Vmax, gan Km.

Neatgriezeniski inhibitori Fermenti ir savienojumi, kas veido spēcīgas saites ar fermentu, īpaši tā aktīvajā centrā. Saistot svarīgas grupas ar substrāta saistīšanas vietu, tās neatgriezeniski maina tās konfigurāciju. Tā smago metālu joni Hg +2 un Pb +2 neatgriezeniski iedarbojas uz fermentiem, kas izskaidro to toksisko ietekmi uz cilvēka organismu.

Fermentu darbību regulē hormoni.

DINAMISKĀ BIOĶĪMIJA

Tiek saukts ķīmisko reakciju kopums, kas notiek dzīvās šūnās un nodrošina organismu ar tam nepieciešamajām vielām un enerģiju vielmaiņa vai vielmaiņa. Atšķirt katabolisms un anabolisms. Kataboliskā transformācija ir sarežģītu molekulu, gan ar pārtiku piegādāto, gan šūnā atrodamo molekulu sadalīšanās; šos procesus sauc par eksogoniskiem.

Anaboliskie procesi (biosintēzes procesi) ir vērsti uz šūnu strukturālo elementu veidošanos un atjaunošanu, tas ir, uz sarežģītu molekulu sintēzi no vienkāršām. Biosintēzes procesi ir reducēšanās procesi, un tos pavada brīvās enerģijas patēriņš, šādus procesus sauc par endergoniskiem. Abas procesa puses ir savstarpēji saistītas laikā un telpā. Kataboliskie un anaboliskie procesi notiek dažādās šūnu organellās, kur tiek lokalizēti dažādi intracelulāri enzīmi. Visi vielmaiņas ceļi ir savstarpēji saistīti, kā parādīts integrētajā vielmaiņas ceļa diagrammā.

Fermentu reakcijas ātrums

Fermentatīvās reakcijas ātrumu mēra ar substrāta daudzumu, kas pārveidots laika vienībā, vai izveidotā produkta daudzumu. Ātrumu nosaka pēc līknes pieskares slīpuma leņķa reakcijas sākuma stadijā.

Rīsi. 2 Fermentatīvās reakcijas ātrums.

Jo stāvāks slīpums, jo lielāks ātrums. Laika gaitā reakcijas ātrums parasti samazinās, lielā mērā substrāta koncentrācijas samazināšanās rezultātā.

Faktori, kas ietekmē fermentu aktivitāti

F. darbība ir atkarīga no vairākiem faktoriem: temperatūras, vides reakcijas (pH), fermentu koncentrācijas, substrāta koncentrācijas un specifisku aktivatoru un nespecifisku vai specifisku inhibitoru klātbūtnes.

Fermentu koncentrācija

Pie augstām substrāta koncentrācijām un citiem faktoriem, kas paliek nemainīgi, fermentatīvās reakcijas ātrums ir proporcionāls enzīma koncentrācijai.

Rīsi. 3 Fermentatīvās reakcijas ātruma atkarība no fermenta koncentrācijas.

Katalīze vienmēr notiek apstākļos, kad enzīma koncentrācija ir daudz zemāka par substrāta koncentrāciju. Tāpēc, palielinoties fermentu koncentrācijai, palielinās arī fermentatīvās reakcijas ātrums.

Temperatūra

Temperatūras ietekmi uz fermentatīvās reakcijas ātrumu var izteikt ar temperatūras koeficientu Q10: Q10 = (reakcijas ātrums pie (x + 10) °C) / (reakcijas ātrums pie x °C)

Starp 0-40°C fermentatīvās reakcijas Q10 ir 2. Citiem vārdiem sakot, par katru 10°C temperatūras paaugstināšanos fermentatīvās reakcijas ātrums dubultojas.

Rīsi. 4 Temperatūras ietekme uz tāda enzīma kā siekalu amilāzes aktivitāti.

Paaugstinoties temperatūrai, molekulu kustība paātrinās, un reaģējošo vielu molekulas, visticamāk, saduras viena ar otru. Līdz ar to palielinās iespējamība, ka starp tām notiks reakcija. Temperatūra, kas nodrošina vislielāko aktivitāti, tiek saukta par optimālo. Pārsniedzot šo līmeni, fermentatīvās reakcijas ātrums samazinās, neskatoties uz sadursmju biežuma palielināšanos. Tas notiek fermenta sekundāro un terciāro struktūru iznīcināšanas dēļ, citiem vārdiem sakot, tāpēc, ka ferments tiek denaturēts.

Rīsi. 5 Fermentatīvās reakcijas gaita dažādās temperatūrās.

Kad temperatūra tuvojas vai nokrīt zem sasalšanas, fermenti tiek inaktivēti, bet denaturācija nenotiek. Paaugstinoties temperatūrai, to katalītiskā aktivitāte atkal tiek atjaunota.

Tā kā olbaltumvielas sausā stāvoklī tiek denaturētas daudz lēnāk nekā hidratētie proteīni (olbaltumvielu želejas vai šķīduma veidā), fosfora inaktivācija sausā stāvoklī notiek daudz lēnāk nekā mitruma klātbūtnē. Tāpēc sausas baktēriju sporas vai sausas sēklas var izturēt karsēšanu līdz daudz augstākām temperatūrām nekā tās pašas sporas vai sēklas mitrā stāvoklī.

Substrāta koncentrācija

Pie noteiktas fermenta koncentrācijas fermentatīvās reakcijas ātrums palielinās, palielinoties substrāta koncentrācijai.

Rīsi. 6 Fermentatīvās reakcijas ātruma atkarība no substrāta koncentrācijas.

Teorētiskais maksimālais reakcijas ātrums Vmax nekad netiek sasniegts, bet pienāk brīdis, kad turpmāka substrāta koncentrācijas palielināšanās vairs neizraisa nekādas manāmas izmaiņas reakcijas ātrumā. Tas skaidrojams ar to, ka pie augstām substrāta koncentrācijām fosfora molekulu aktīvie centri ir praktiski piesātināti jebkurā brīdī. Tādējādi neatkarīgi no tā, cik daudz ir pieejams substrāta pārpalikums, tas var apvienoties ar fermentu tikai pēc tam, kad iepriekš izveidotais enzīma-substrāta komplekss sadalās produktā un brīvā enzīmā.Tāpēc pie augstām substrāta koncentrācijām fermentatīvās reakcijas ātrumu ierobežo gan substrāta koncentrācija un laiks, kas nepieciešams fermenta-substrāta kompleksa disociācijai.

Pastāvīgā temperatūrā jebkurš fosfors darbojas visefektīvāk šaurā pH diapazonā. Optimālā pH vērtība ir tā, pie kuras reakcija notiek ar maksimālo ātrumu.

Rīsi. 7 Fermentu aktivitātes atkarība no pH.

Pie augstāka un zemāka pH F. aktivitāte samazinās. PH nobīde maina jonizēto skābo un bāzisko grupu lādiņu, no kā ir atkarīga fosfora molekulu specifiskā forma, kā rezultātā mainās fosfora molekulu forma un galvenokārt tās aktīvā centra forma. Ja pH mainās pārāk strauji, F. denaturējas. Dotā fosfora pH optimālais raksturlielums ne vienmēr sakrīt ar tā tiešās intracelulārās vides pH. Tas liek domāt, ka vide, kurā atrodas F., zināmā mērā regulē viņa darbību.

Enzīmu kinētika pēta reaģējošo vielu (enzīmu, substrātu) ķīmiskās dabas un to mijiedarbības apstākļu (vidēja pH, temperatūra, koncentrācija, aktivatoru vai inhibitoru klātbūtne) ietekmi uz fermentatīvās reakcijas ātrumu. Fermentatīvās reakcijas ātrumu (u) mēra ar substrāta daudzuma samazināšanos vai reakcijas produkta palielināšanos laika vienībā.

Pie zemas substrāta koncentrācijas reakcijas ātrums

ir tieši proporcionāls tā koncentrācijai. Augstās substrāta koncentrācijās, kad visas fermenta aktīvās vietas ir aizņemtas ar substrātu ( fermenta piesātinājums ar substrātu), reakcijas ātrums ir maksimāls, kļūst nemainīgs un neatkarīgs no substrāta koncentrācijas [S] un pilnībā atkarīgs no enzīmu koncentrācijas (19. att.).

K S – enzīma-substrāta kompleksa disociācijas konstante ES, līdzsvara konstantes apgrieztā vērtība:

.

Jo zemāka ir K S vērtība, jo augstāka ir fermenta afinitāte pret substrātu.

Rīsi. 19. Fermentatīvās reakcijas ātruma atkarība no substrāta koncentrācijas pie nemainīgas enzīma koncentrācijas

Kvantitatīvā sakarība starp substrāta koncentrāciju un fermentatīvās reakcijas ātrumu izpaužas Mihaelisa-Mentena vienādojums:

,

u ir reakcijas ātrums, u max ir fermentatīvās reakcijas maksimālais ātrums.

Brigs un Haldane uzlaboja vienādojumu, ieviešot Miķeļa konstante K m, noteikts eksperimentāli.

Brigsa – Haldāna vienādojums:

.

Mihaelisa konstante skaitliski ir vienāda ar substrāta koncentrāciju (mol/l), pie kuras fermentatīvās reakcijas ātrums ir puse no maksimālā (20. att.). K m parāda fermenta afinitāti pret substrātu: jo zemāka tā vērtība, jo lielāka afinitāte.

K m eksperimentālās vērtības lielākajai daļai fermentatīvo reakciju, kurās iesaistīts viens substrāts, parasti ir 10 -2 -10 -5 M. Ja reakcija ir atgriezeniska, tad fermenta mijiedarbību ar tiešās reakcijas substrātu raksturo K m atšķirīgs no tā apgrieztās reakcijas substrātam.

G. Linevīvers un D. Bērks pārveidoja Brigsa-Haldāna vienādojumu un ieguva taisnās līnijas vienādojumu: y = cirvis + b (21. attēls):

.

Lineweaver-Burk metode dod precīzāku rezultātu.

Rīsi. 21. Mihaelisa konstantes grafiskā definīcija

saskaņā ar Lineweaver-Burk metodi

FERMENTA ĪPAŠĪBAS

Fermenti no parastajiem katalizatoriem atšķiras ar vairākām īpašībām.

Termiskā labilitāte, vai jutība pret paaugstinātu temperatūru (22. att.).

Rīsi. 22. Fermentatīvās reakcijas ātruma atkarība no temperatūras

Temperatūrā, kas nepārsniedz 45–50 °C, vairuma bioķīmisko reakciju ātrums palielinās 2 reizes, temperatūrai paaugstinoties par 10 °C saskaņā ar Van Hofa likumu. Temperatūrā virs 50 °C reakcijas ātrumu ietekmē fermenta proteīna termiskā denaturācija, kas pakāpeniski noved pie tā pilnīgas dezaktivācijas.

Temperatūru, kurā fermenta katalītiskā aktivitāte ir maksimāla, sauc par to temperatūras optimālais. Vairumam zīdītāju enzīmu optimālā temperatūra ir 37-40 °C robežās. Zemā temperatūrā (0 °C un zemāk) fermenti, kā likums, netiek iznīcināti, lai gan to aktivitāte samazinās līdz gandrīz nullei.

Fermentu aktivitātes atkarība no barotnes pH vērtības(23. att.).

Katram fermentam ir optimāla pH vērtība, pie kuras tas uzrāda maksimālo aktivitāti. pH optimālais enzīmu darbība dzīvnieku audos atrodas šaurā ūdeņraža jonu koncentrācijas zonā, kas atbilst evolūcijas procesā izveidotajām fizioloģiskajām pH vērtībām 6,0-8,0. Izņēmumi ir pepsīns - 1,5-2,5; argināze – 9,5-10.

Rīsi. 23. Fermentatīvās reakcijas ātruma atkarība no barotnes pH

Vides pH izmaiņu ietekme uz enzīma molekulu ietekmē tās aktīvo grupu jonizācijas pakāpi un līdz ar to arī proteīna terciāro struktūru un aktīvā centra stāvokli. pH maina arī kofaktoru, substrātu, enzīmu-substrātu kompleksu un reakcijas produktu jonizāciju.

Specifiskums. Fermentu darbības augstā specifika ir saistīta ar konformācijas un elektrostatisko komplementaritāti starp substrāta un enzīma molekulām un unikālo aktīvā centra strukturālo organizāciju, kas nodrošina reakcijas selektivitāti.

Absolūta specifika - fermenta spēja katalizēt vienu reakciju. Piemēram, ureāze katalizē urīnvielas hidrolīzes reakciju uz NH 3 un CO 2, argināze - arginīna hidrolīzi.

Relatīvā (grupas) specifika – fermenta spēja katalizēt noteikta veida reakciju grupu. Piemēram, hidrolītiskajiem enzīmiem peptidāzēm, kas hidrolizē peptīdu saites proteīnu un peptīdu molekulās, un lipāzei, kas hidrolizē esteru saites tauku molekulās, ir relatīva specifika.

Stereoķīmiskā specifika piemīt fermenti, kas katalizē tikai viena telpiskā izomēra transformāciju. Enzīms fumarāze katalizē butēndioskābes trans-izomēra fumārskābes pārvēršanu ābolskābē un neiedarbojas uz cis izomēru, maleīnskābi.

Fermentu darbības augstā specifika nodrošina, ka starp visām iespējamām pārvērtībām notiek tikai noteiktas ķīmiskas reakcijas.

ENZIMATĪVĀS REAKCIJAS KINĒTIKA

pēta fermentatīvo reakciju norises modeļus laika gaitā, kā arī to mehānismu; nodaļā ķīmiskā kinētika.

Katalītiskais vielas S (substrāta) pārvēršanas cikls produktā P enzīma E iedarbībā turpinās ar starpproduktu veidošanos. savienojums X i:

Kur ki- atsevišķu elementāru posmu ātruma konstantes, fermentu-substrāta kompleksa X 1 veidošanās (ES, Michaelis komplekss).

Noteiktā temperatūrā reakcijas ātrums ir atkarīgs no enzīma koncentrācijas, substrāta un barotnes sastāva. Ir fermentatīvo reakciju stacionāra, pirmsstacionāra un relaksācijas kinētika.

Stacionārā kinētika. Stacionārā stāvoklī caur starpsavienojumiem. (dX i/dt= 0, i = 1, ..., n) un ar substrāta pārpalikumu, kur [S] 0 un [E] 0 ir attiecīgi sākotnējās koncentrācijas. substrāts un ferments, procesa kinētiku raksturo nemainīgs, laikā nemainīgs koncentrāciju līmenis. savienojums un procesa ātruma izteiksme v 0, zvanīja sākotnējam stacionāram ātrumam ir šāda forma (Mihaelisa-Mentena vienādojums):

(1)

kur vērtības k cat un K m -> elementārpakāpju ātruma konstantu funkcijas un tiek dotas ar vienādojumiem:

Vērtība k kat sauca efektīvs katalītisks līdzeklis procesa ātruma konstante, parametrs K m -> Miķeļa konstante. k kaķa vērtība nosaka pēc daudzumiem maks. lēnas katalītiskās stadijas rajoniem un dažreiz sauc fermenta (enzīmu sistēmas) apgriezienu skaits; k kat raksturo katalītiskā skaita cikli, ko veic fermentu sistēma laika vienībā. Naib. kopīgs, kam ir vērtība k kat. konkrētiem substrāti diapazonā no 10 2 -10 3 s -1. Tipiskās Michaelis konstantes vērtības ir diapazonā no 10 -3 - 10 -4 M.

Pie lielām substrāta koncentrācijām, kad, t.i., cirkulācijas ātrums nav atkarīgs no substrāta koncentrācijas un sasniedz nemainīgu vērtību, ko sauc. Maks. ātrumu. Grafiski Mihaelisa-Mentena vienādojums ir hiperbola. To var linearizēt, izmantojot dubulto reciproku metodi (Linewere-Burk metode), t.i., konstruējot atkarību 1/v no 1/[S] 0, vai citas metodes. Vienādojuma (1) lineārajai formai ir šāda forma:

(2)

Tas ļauj grafiski noteikt vērtības K m un v max (1. att.).

Rīsi. 1. Mihaelisa - Mentena vienādojuma lineārās transformācijas grafiks dubultās apgrieztās skaitļos (saskaņā ar Lineweaver - Burke).

Lielums K m > ir skaitliski vienāds ar substrāta koncentrāciju, pie kuras cirkulācijas ātrums ir vienāds, tāpēc K m bieži kalpo kā substrāta un fermenta afinitātes mērs, bet tas ir derīgs tikai tad, ja

Daudzumi K m > Un atšķiras atkarībā no pH vērtībām. Tas ir saistīts ar katalīzē iesaistīto enzīmu molekulu grupu spēju mainīt savu jonizācijas stāvokli un līdz ar to arī katalītisko aktivitāti. efektivitāti. Vienkāršākajā gadījumā pH izmaiņas izraisa vismaz divu katalīzē iesaistīto fermenta jonizējamo grupu protonēšanu vai deprotonēšanu. Ja šajā gadījumā tikai viena enzīma-substrāta kompleksa forma (piemēram, ESH) no trim iespējamajām formām (ES, ESH un ESH 2) var tikt pārveidota par šķīduma produktu, tad atkarība no pH ātrumu apraksta ar formulu:

Kur f = 1 + / Un f" = 1 + +K" b />-T. sauca Michaelis pH-funkcijas un K a, K b Un K" a, K" b -> grupu a un bresp jonizācijas konstantes. bezmaksas fermentu un enzīmu-substrātu komplekss. lg koordinātēs - pH šī atkarība ir parādīta attēlā. 2, un pieskares slīpuma leņķiem uz augšupejošu, neatkarīgi no pH un dilstošo līknes zaru, jābūt vienādām ar attiecīgi +1, 0 un -1. No šāda grafika jūs varat noteikt vērtības pK a katalīzē iesaistītās grupas.

Rīsi. 2. Katalītiskā atkarība konstantes no pH līdz logaritmiskam. koordinātas

Fermentatīvās reakcijas ātrums ne vienmēr atbilst (1) vienādojumam. Viens no visizplatītākajiem gadījumiem ir allostērikas piedalīšanās reakcijā. fermenti (sk enzīmu regulatori), kuriem fermenta piesātinājuma pakāpes atkarība no [S] 0 ir nehiperboliska. raksturs (3. att.). Šī parādība ir saistīta ar substrāta saistīšanās kooperativitāti, t.i., kad substrāta saistīšanās vienā no enzīma makromolekulas vietām palielina (pozitīvā kooperativitāte) vai samazina (negatīvā kooperativitāte) afinitāti pret citas vietas substrātu.

Rīsi. H Fermenta piesātinājuma pakāpes ar substrātu atkarība no substrāta koncentrācijas ar pozitīvu (I) un negatīvu (II) kooperativitāti, kā arī tā neesamības gadījumā (III).

Pirms līdzsvara stāvokļa kinētika.Ātri sajaucot enzīmu un substrāta šķīdumus laika intervālā 10 -6 -10 -1 s, var novērot pārejošus procesus pirms stabila stacionāra stāvokļa veidošanās. Šajā pirmsstacionārajā režīmā, izmantojot lielu substrāta pārpalikumu, diferenciālā sistēma. Vienādojums, kas apraksta procesu kinētiku, ir lineārs. Šāda veida lineārās diferenciālās sistēmas risinājums. Vienādojumu dod eksponenciālo vārdu summa. Tātad, par kinētiku Iepriekš parādītajā shēmā produktu uzkrāšanās kinētikai ir šāda forma:

kur es ->, b un n -> elementāro ātruma konstantu funkcijas; -atbilstošā raksturlieluma saknes. līmenī.

Tiek saukts abpusējais lielums raksturīga apstrādes laiks:

Upei, kas plūst ar nintervālu piedalīšanos. savienojumu, varat iegūt nraksturojumus. reizes

Enzīmu reakcijas kinētikas izpēte prestacionārā režīmā ļauj iegūt priekšstatu par detalizētu katalītisko reakciju mehānismu. ciklu un nosaka procesa elementāro posmu ātruma konstantes.

Eksperimentāli tiek pētīta fermentatīvās reakcijas kinētika prestacionārā režīmā, izmantojot apturētās strūklas metodi (sk. Strūklas kinētiskās metodes),ļaujot sajaukt šķīduma sastāvdaļas 1 ms laikā.

Relaksācijas kinētika. Ar strauju traucējošu ietekmi uz sistēmu (temperatūras, spiediena, elektriskā lauka maiņa) laiks, kas nepieciešams, lai sistēma sasniegtu jaunu līdzsvara vai stacionāro stāvokli, ir atkarīgs no procesu ātruma, kas nosaka katalītisko reakciju. enzīmu cikls.

Procesa kinētiku aprakstošā vienādojumu sistēma ir lineāra, ja nobīde no līdzsvara stāvokļa ir neliela. Sistēmas risinājums noved pie komponentu koncentrāciju atkarībām, dec. procesa posmi eksponenciālu terminu summas veidā, kuru eksponentiem ir relaksācijas laiku raksturs. Pētījuma rezultāts ir relaksācijas laiku spektrs, kas atbilst intervālu skaitam. savienojumi, kas piedalās procesā. Relaksācijas laiki ir atkarīgi no procesa elementāro posmu ātruma konstantēm.

Relaksācijas tehnikas kinētika ļauj noteikt ātruma konstantes atsevišķos elementāros starpproduktu transformācijas posmos. Relaksācijas kinētikas izpētes metodes atšķiras. izšķirtspēja: ultraskaņas absorbcija - 10 -6 -10 -10 s, temperatūras lēciens - 1O -4 -10 -6 s, elektriskā metode. impulss - 10 -4 -10 -6 s, spiediena lēciens - 10 -2 s. Pētot fermentatīvo reakciju kinētiku, pielietojumu atrada temperatūras lēciena metode.

Enzīmu procesu makrokinētika. Metožu izstrāde heterogēnu katalizatoru ražošanai, imobilizējot fermentus sadalīšanās procesā. plašsaziņas līdzekļi (sk Imobilizēti fermenti) bija nepieciešama procesu kinētikas analīze, ņemot vērā substrāta masas pārnesi. Reakciju kinētika ir pētīta teorētiski un eksperimentāli, ņemot vērā difūzijas slāņa ietekmi un sistēmām ar intradifūzijas grūtībām fermenta izplatīšanās laikā nesējā.

Apstākļos, kad procesa kinētiku ietekmē substrāta difūzijas pārnese, katalītisks. sistēmas efektivitāte samazinās. Efektivitātes koeficients ir vienāds ar produkta plūsmas blīvuma attiecību fermentatīvās plūsmas apstākļos ar difūziski samazinātu substrāta koncentrāciju pret plūsmu, ko varētu realizēt, ja nav difūzijas ierobežojumu. Tīri difūzijas apgabalā, kad procesa ātrumu nosaka substrāta masas pārnese, efektivitātes koeficients sistēmām ar ārēju difūzijas kavēšanu ir apgriezti proporcionāls difūzijas modulim:

Kur difūzijas slāņa biezums, D - koeficients. substrāta difūzija.

Sistēmām ar intradifūzijas inhibīciju pirmās kārtas reģionos

kur Ф T- bezdimensiju modulis (Tiele modulis).

Analizējot kinētiku enzīmu reaktoru modeļi ir plaši teorētiski. un eksperimentēt. Ir izstrādāti “ideālie” reaktoru modeļi: plūsmas reaktors (plūsmas reaktors ar ideālu sajaukšanu), plūsmas reaktors ar ideālu pārvietošanu un membrānas reaktors.

Multienzīmu procesu kinētika. Organismā (šūnā) fermenti nedarbojas izolēti, bet katalizē molekulu transformācijas ķēdes. R-cijas daudzenzīmu sistēmās ar kinētiku. viedokļus var uzskatīt par konsekventiem. procesi, specifiski Kuras iezīme ir katra posma fermenti:

Kur , resp. max, procesa ātrums un Michaelis konstante i th posms rajona attiecīgi.

Svarīga procesa iezīme ir iespēja veidot stabilu stacionāru stāvokli. Tās rašanās nosacījums var būt nevienlīdzība > v 0 , kur v 0 ir ierobežojošā posma ātrums, ko raksturo mazākā ātruma konstante un tādējādi nosaka visu sekojošo ātrumu. process. Līdzsvara stāvoklī metabolītu koncentrācija pēc ierobežojošās stadijas ir mazāka par attiecīgā enzīma Mihaelisa konstanti.

Konkrēts multienzīmu sistēmu grupa sastāv no sistēmām, kas veic oksidāciju-reducēšanu. r-cijas ar olbaltumvielu elektronu nesēju piedalīšanos. Pārvadātāju forma specifiska struktūras, kompleksi ar deterministisku elektronu pārneses secību. Kinētiskā. šāda veida sistēmu aprakstā ķēžu stāvoklis ar sadalīšanos tiek uzskatīts par neatkarīgu mainīgo. elektronu populācijas pakāpe.

Pieteikums. F.r. K. plaši izmanto pētniecības praksē, lai pētītu enzīmu un enzīmu sistēmu darbības mehānismus. Praktiski nozīmīga enzīmu zinātnes joma ir inženiertehniskā fermentoloģija, operē ar jēdzieniem F. r. biotehnoloģiju optimizācijai. procesi.

Lit.: Poltoraks O. M., Chukhrai E. S., Enzīmu katalīzes fizikāli ķīmiskie pamati, M., 1971; Berezins I.V., Martineks K., Enzīmu katalīzes fizikālās ķīmijas pamati, M., 1977; Varfolomejevs S. D., Zaicevs S. V., Kinētiskās metodes bioķīmiskajos pētījumos, M.. 1982. S. D. Varfolomejevs.

Ķīmiskā enciklopēdija. - M.: Padomju enciklopēdija. Ed. I. L. Knunyants. 1988 .

Skatiet, kas ir "ENZĪMATĪVĀS REAKCIJAS KINETICS" citās vārdnīcās:

Katalītiskais radio ciklisks process, kas sastāv no vairākām elementārām kustībām, kuru ātrumu raksturo masu darbības likums. Šim likumam ir vienkārša forma ideāliem gāzu maisījumiem, ideāliem šķidrumiem un ideāliem virsmas slāņiem.... Ķīmiskā enciklopēdija

Ķīmisko reakciju kinētika, ķīmisko procesu izpēte, to norises likumi laikā, ātrumi un mehānismi. Mūsdienu ķīmijas un ķīmijas zinātnes svarīgākās jomas ir saistītas ar ķīmisko reakciju kinētikas pētījumiem... ... Lielā padomju enciklopēdija

ĶĪMISKĀ KINĒTIKA- (no grieķu kinesis kustības), teorētiskās ķīmijas nodaļa, kas veltīta ķīmijas likumu izpētei. reakcijas. Var identificēt vairākus ķīmisko vielu veidus. mijiedarbības un, pirmkārt, atšķirt reakcijas, kas notiek viendabīgā (homogēnā) vidē no reakcijām... ... Lielā medicīnas enciklopēdija

- (biokatalīze), bioķīmisko paātrinājumu. devas, kurās piedalās olbaltumvielu makromolekulas, ko sauc par fermentiem. F. k. ir katalīzes veids, lai gan termins fermentācija (fermentācija) ir pazīstams kopš seniem laikiem, kad vēl nebija ķīmijas jēdziena. katalīze. Vispirms…… Ķīmiskā enciklopēdija

- (no latīņu prefiksa re, kas nozīmē apgrieztā darbība un actio darbība), dažu pārvēršanās par (sākotnējo savienojumu) citos (uztura produktos) ar atomu kodolu nemainīgumu (pretstatā kodolreakcijām). Sākotnējie savienojumi R. x. dažreiz sauc...... Ķīmiskā enciklopēdija

- (no latīņu fermentum starter) (enzīmi), olbaltumvielas, kas darbojas kā katalizatori dzīvos organismos. Pamata F. funkcijas, lai paātrinātu organismā nonākušo un vielmaiņas laikā veidojošo vielu pārveidi (atjaunotu šūnu struktūras, nodrošinātu tās ... Ķīmiskā enciklopēdija

- (no grieķu valodas pharmakon medicīna un kinētika, kas iekustina), pēta kinētiku. procesu modeļi, kas notiek ar lek. Wed vom ķermenī. Pamata farmakokinētika procesi: uzsūkšanās, sadale, vielmaiņa un izvadīšana (izvadīšana). Ķīmiskā enciklopēdija

Gandrīz visas bioķīmiskās reakcijas ir fermentatīvas. Fermenti(biokatalizatori) ir proteīna vielas, ko aktivizē metālu katjoni. Ir zināmi aptuveni 2000 dažādu enzīmu, un aptuveni 150 no tiem ir izolēti, daži no tiem tiek izmantoti kā zāles. Tripsīnu un himotripsīnu lieto bronhīta un pneimonijas ārstēšanai; pepsīns - gastrīta ārstēšanai; plazmīns - sirdslēkmes ārstēšanai; Pankreatīns – aizkuņģa dziedzera ārstēšanai. Fermenti atšķiras no parastajiem katalizatoriem: a) ar augstāku katalītisko aktivitāti; b) augsta specifika, t.i. darbības selektivitāte.

Viena substrāta fermentatīvās reakcijas mehānismu var attēlot ar šādu diagrammu:

kur E ir ferments,

S - substrāts,

ES - enzīmu-substrāta komplekss,

P ir reakcijas produkts.

Fermentatīvās reakcijas pirmā posma īpašība ir Miķeļa konstante (K M). K M ir līdzsvara konstantes apgrieztā vērtība:

Mihaelisa konstante (K M) raksturo fermenta-substrāta kompleksa (ES) stabilitāti. Jo zemāka ir Mihaelisa konstante (K M), jo stabilāks ir komplekss.

Fermentatīvās reakcijas ātrums ir vienāds ar tās ātrumu ierobežojošās stadijas ātrumu:

kur k 2 ir ātruma konstante, ko sauc apgriezienu skaits vai enzīma molekulārā aktivitāte.

molekulāro enzīmu aktivitāte(k 2) ir vienāds ar substrāta molekulu skaitu, kurās notiek transformācijas vienas fermenta molekulas ietekmē 1 minūtē 25 0 C temperatūrā. Šīs konstantes vērtības ir diapazonā: 1,10 4< k 2 < 6·10 6 мин‾ 1 .

Ureāzei, kas paātrina urīnvielas hidrolīzi, k 2 = 1,85∙10 6 min‾ 1; adenozīna trifosfatāzei, kas paātrina ATP hidrolīzi, k 2 = 6,24∙10 6 min‾ 1; katalāzei, kas paātrina H 2 O 2 sadalīšanos, k 2 = 5∙10 6 min‾ 1.

Tomēr fermentatīvās reakcijas kinētisko vienādojumu tādā formā, kādā tas ir norādīts iepriekš, praktiski nav iespējams izmantot, jo nav iespējams eksperimentāli noteikt fermenta-substrāta kompleksa koncentrāciju (). Izteikts citos daudzumos, kas ir viegli nosakāmi eksperimentāli, mēs iegūstam enzīmu reakciju kinētisko vienādojumu, sauca pēc Mihaelisa-Mentena vienādojuma (1913):

,

kur reizinājums k 2 [E] kopā ir nemainīga vērtība, ko apzīmē (maksimālais ātrums).

Attiecīgi:

Apskatīsim īpašos Mihaelisa-Mentena vienādojuma gadījumus.

1) Pie zemas substrāta koncentrācijas K M >> [S], tātad

kas atbilst pirmās kārtas reakcijas kinētiskajam vienādojumam.

2) Pie augstas substrāta koncentrācijas K m<< [S], поэтому

kas atbilst nulles kārtas reakcijas kinētiskajam vienādojumam.

Tādējādi pie zemas substrāta koncentrācijas fermentatīvās reakcijas ātrums palielinās, palielinoties substrāta saturam sistēmā, un pie augstas substrāta koncentrācijas kinētiskā līkne sasniedz plato (reakcijas ātrums nav atkarīgs no substrāta koncentrācijas) (att. . 30).

30. attēls. Enzīmu reakcijas kinētiskā līkne

Ja [S] = K M, tad

kas ļauj grafiski noteikt Miķeļa konstanti K m (31. att.).

31. attēls. Mihaelisa konstantes grafiskā definīcija

Fermentu aktivitāti ietekmē: (a) temperatūra, (b) barotnes skābums, (c) inhibitoru klātbūtne. Temperatūras ietekme uz fermentatīvās reakcijas ātrumu ir apskatīta 9.3. nodaļā.

Vides skābuma ietekme uz fermentatīvās reakcijas ātrumu parādīta 32. attēlā. Maksimālā enzīma aktivitāte atbilst optimālajai pH vērtībai (pH opt).

32. attēls. Šķīduma skābuma ietekme uz fermentu aktivitāti

Lielākajai daļai enzīmu optimālās pH vērtības sakrīt ar fizioloģiskajām vērtībām (7,3-7,4). Taču ir fermenti, kuru normālai darbībai nepieciešama stipri skāba (pepsīns – 1,5 – 2,5) vai pietiekami sārmaina vide (argināze – 9,5 – 9,9).

Enzīmu inhibitori- tās ir vielas, kas aizņem daļu no enzīmu molekulu aktīvajiem centriem, kā rezultātā fermentatīvās reakcijas ātrums samazinās. Smago metālu katjoni, organiskās skābes un citi savienojumi darbojas kā inhibitori.

11. lekcija

Atomu struktūra

Ir divas jēdziena “atoms” definīcijas. Atom ir mazākā ķīmiskā elementa daļiņa, kas saglabā savas ķīmiskās īpašības.

Atom ir elektriski neitrāla mikrosistēma, kas sastāv no pozitīvi lādēta kodola un negatīvi lādēta elektronu apvalka.

Doktrīna par atomu ir izgājusi garu attīstības ceļu. Galvenie atomisma attīstības posmi ir:

1) naturālfilozofiskais posms - matērijas atomu struktūras jēdziena veidošanās periods, kas nav apstiprināts ar eksperimentu (5. gs. p.m.ē. - 16. gs. AD);

2) hipotēzes veidošanās stadija par atomu kā ķīmiskā elementa mazāko daļiņu (XVIII-XIX gs.);

3) fizisku modeļu veidošanas stadija, kas atspoguļo atoma uzbūves sarežģītību un ļauj aprakstīt tā īpašības (20. gs. sākums)

4) mūsdienu atomisma stadiju sauc par kvantu mehānisko. Kvantu mehānika ir fizikas nozare, kas pēta elementārdaļiņu kustību.

PLĀNS

11.1. Kodola uzbūve. Izotopi.

11.2. Atoma elektronu apvalka kvantu mehāniskais modelis.

11.3. Atomu fizikāli ķīmiskās īpašības.

Kodola uzbūve. Izotopi

Atomu kodols ir pozitīvi lādēta daļiņa, kas sastāv no protoniem, neitroniem un dažām citām elementārdaļiņām.

Ir vispāratzīts, ka galvenās kodola elementārdaļiņas ir protoni un neitroni. Protons (p) – ir elementārdaļiņa, kuras relatīvā atommasa ir 1 amu un relatīvais lādiņš ir + 1. Neitrons (n) –Šī ir elementārdaļiņa, kurai nav elektriskā lādiņa un kuras masa ir vienāda ar protona masu.

99,95% no atoma masas ir koncentrēti kodolā. Starp elementārdaļiņām ir īpaši kodola pagarinājuma spēki, kas ievērojami pārsniedz elektrostatiskās atgrūšanās spēkus.

Atoma pamatīpašība ir maksas viņa kodoli, vienāds ar protonu skaitu un sakrīt ar elementa atomu skaitu ķīmisko elementu periodiskajā tabulā. Tiek saukta atomu kopa (tips) ar vienādu kodollādiņu ķīmiskais elements. Dabā ir sastopami elementi ar skaitļiem no 1 līdz 92.

Izotopi- tie ir viena un tā paša ķīmiskā elementa atomi, kas satur vienādu skaitu protonu un dažādu neitronu skaitu kodolā.

kur masas skaitlis (A) ir kodola masa, z ir kodola lādiņš.

Katrs ķīmiskais elements ir izotopu maisījums. Parasti izotopu nosaukums sakrīt ar ķīmiskā elementa nosaukumu. Tomēr ūdeņraža izotopiem ir ieviesti īpaši nosaukumi. Ķīmisko elementu ūdeņradi attēlo trīs izotopi:

Skaitlis p Skaitlis n

Protium N 1 0

Deitērijs D 1 1

Tritijs T 1 2

Ķīmiskā elementa izotopi var būt gan stabili, gan radioaktīvi. Radioaktīvie izotopi satur kodolus, kas spontāni sadalās, atbrīvojot daļiņas un enerģiju. Kodola stabilitāti nosaka tā neitronu un protonu attiecība.

Nokļūstot organismā, radionuklīdi izjauc svarīgākos bioķīmiskos procesus, samazina imunitāti un nolemj organismu slimībām. Organisms pasargā sevi no starojuma ietekmes, selektīvi absorbējot elementus no apkārtējās vides. Stabiliem izotopiem ir prioritāte pār radioaktīvajiem izotopiem. Citiem vārdiem sakot, stabili izotopi bloķē radioaktīvo izotopu uzkrāšanos dzīvos organismos (8. tabula).

S. Šenonas grāmata “Uzturs atomu laikmetā” sniedz šādus datus. Ja ne vēlāk kā 2 stundas pēc I-131 nonākšanas organismā tiek uzņemta ~100 mg stabilā izotopa joda bloķējošā deva, radioaktīvā joda uzņemšana vairogdziedzerī samazināsies par 90%.

Radioizotopus izmanto medicīnā

noteiktu slimību diagnosticēšanai,

· visu veidu vēža ārstēšanai,

· patofizioloģiskiem pētījumiem.

8. tabula. Stabilu izotopu bloķējošais efekts