Ako je známe, rýchlosť chemickej reakcie sa podľa Van't Hoffovho empirického pravidla zvyšuje 2-4 krát so zvýšením teploty o 10 o. Pre enzymatické reakcie sa však pozoruje len do 50-60 o C. Pri vyšších teplotách enzým, ktorým je proteín, denaturuje, mení sa jeho konformácia a už nemôže vykonávať svoje katalytické funkcie. Preto má závislosť rýchlosti enzymatickej reakcie od teploty tvar krivky s maximom (obrázok)

Maximum zodpovedá najvyššiemu činnosť enzým, ktorý sa zvyčajne meria v mg, ktorý katalyzuje 1 mgmol substrátu za 1 min. Špecifická činnosť merané na 1 mg enzýmu (mgmol/min). Molárna aktivita (ot./min alebo katalytická konštanta) sa počíta na mgmol enzýmu (mgmol/mgmol ∙×min), to znamená, že molárna aktivita ukazuje, koľko molekúl substrátu sa premení za 1 minútu jednou molekulou enzýmu.

Aktivitu enzýmov ovplyvňuje okrem teploty aj pH prostredia a prítomnosť inhibítorov.

Vplyv pH na rýchlosť enzymatickej reakcie

Pre väčšinu enzymatických reakcií je optimálna hodnota pH média v rozmedzí 5−9 Krivka závislosti rýchlosti enzymatickej reakcie od pH je krivka s maximom (obrázok)

Tento typ krivky je spôsobený tým, že dochádza k optimálnemu stavu ionizácie substrátu a proteínovej molekuly enzýmu (jeho aminokyselinových zvyškov), čo zaisťuje ich najsilnejšie spojenie v aktívnom centre a tým aj najvyššiu reakčnú rýchlosť.

Inhibítory enzýmov

Pôsobenie enzýmov môže byť oslabené alebo úplne potlačené niektorými látkami - inhibítory. Ich pôsobenie môže byť reverzibilné a nezvratné.

Reverzibilné inhibítory sú zvyčajne spojené s enzýmom nekovalentnými väzbami a dajú sa z nich ľahko oddeliť a existujú tzv. kompetitívne reverzibilné inhibítory, ktoré majú podobnú štruktúru ako substrát a každý z nich sa snaží predovšetkým kontaktovať enzým na substrát viažucom mieste aktívneho miesta. Ak sa k enzýmu E pridá kompetitívny inhibítor I a substrát S, potom sa podľa reakcií vytvoria dva komplexy:

E + S « ES ® P + E

E + I « E I ≠ P

Pretože tvorba EI komplexu nevedie k tvorbe reakčných produktov, reakčná rýchlosť ich tvorby klesá, pretože počet aktívnych miest enzýmu schopných interagovať so substrátom klesá. Keďže kompetitívny inhibítor sa viaže na enzým reverzibilne, jeho účinok možno znížiť zvýšením koncentrácie substrátu, pretože to zvyšuje pravdepodobnosť väzby enzýmu na substrát. Inhibítor, ktorý interferuje s tvorbou komplexu enzým-substrát, zvyšuje Michaelisovu konštantu Km, ale nemení V max.

Nekompetitívny reverzibilný inhibítor nie je štruktúrou podobná substrátu, takže sa môže viazať na enzým v prítomnosti alebo neprítomnosti substrátu a zvyčajne sa neviaže na enzým v aktívnom mieste, ale na inom mieste, zvyčajne v regulačnom centre. V tomto prípade sa vytvorí ternárny komplex: enzým-inhibítor-substrát (ESI), ktorý nevedie k tvorbe reakčných produktov:

E + S + I ® E I ≠ P

Pri tomto type inhibície nemožno účinok inhibítora prekonať zvýšením koncentrácie substrátu. Nekompetitívny reverzibilný inhibítor znižuje Vmax aj Km.

Ireverzibilné inhibítory Enzýmy sú zlúčeniny, ktoré vytvárajú silné väzby s enzýmom, konkrétne v jeho aktívnom centre. Naviazaním dôležitých skupín na väzbové miesto substrátu nevratne menia jeho konfiguráciu. Ióny ťažkých kovov Hg +2 a Pb +2 tak nevratne pôsobia na enzýmy, čo vysvetľuje ich toxický účinok na ľudský organizmus.

Pôsobenie enzýmov je regulované hormónmi.

DYNAMICKÁ BIOCHÉMIA

Súbor chemických reakcií prebiehajúcich v živých bunkách a poskytujúcich telu potrebné látky a energiu sa nazýva tzv metabolizmus alebo metabolizmus. Rozlišovať katabolizmus a anabolizmus. Katabolická transformácia je rozklad zložitých molekúl, tak tých, ktoré sú dodávané s jedlom, ako aj tých, ktoré sa nachádzajú v bunke; tieto procesy sa nazývajú exogonické.

Anabolické procesy (procesy biosyntézy) sú zamerané na tvorbu a obnovu štruktúrnych prvkov buniek, to znamená na syntézu zložitých molekúl z jednoduchých. Procesy biosyntézy sú redukčné procesy a sú sprevádzané výdajom voľnej energie, takéto procesy sa nazývajú endergonické. Obe strany procesu sú vzájomne prepojené v čase a priestore. Katabolické a anabolické procesy prebiehajú v rôznych bunkových organelách, kde sú lokalizované rôzne vnútrobunkové enzýmy. Všetky metabolické dráhy sú vzájomne prepojené, ako ukazuje integrovaný diagram metabolických dráh.

Rýchlosť reakcie enzýmu

Rýchlosť enzymatickej reakcie sa meria množstvom substrátu premeneného za jednotku času alebo množstvom vytvoreného produktu. Rýchlosť je určená uhlom sklonu dotyčnice ku krivke v počiatočnom štádiu reakcie.

Ryža. 2 Rýchlosť enzymatickej reakcie.

Čím strmší svah, tým väčšia rýchlosť. V priebehu času sa rýchlosť reakcie zvyčajne znižuje, z veľkej časti v dôsledku klesajúcej koncentrácie substrátu.

Faktory ovplyvňujúce enzymatickú aktivitu

Pôsobenie F. závisí od množstva faktorov: teploty, reakcie prostredia (pH), koncentrácie enzýmu, koncentrácie substrátu a prítomnosti špecifických aktivátorov a nešpecifických alebo špecifických inhibítorov.

Koncentrácia enzýmov

Pri vysokých koncentráciách substrátu a iných faktoroch, ktoré zostávajú konštantné, je rýchlosť enzymatickej reakcie úmerná koncentrácii enzýmu.

Ryža. 3 Závislosť rýchlosti enzymatickej reakcie od koncentrácie enzýmu.

Katalýza nastáva vždy za podmienok, keď je koncentrácia enzýmu oveľa nižšia ako koncentrácia substrátu. Preto so zvyšujúcou sa koncentráciou enzýmu sa zvyšuje aj rýchlosť enzymatickej reakcie.

Teplota

Vplyv teploty na rýchlosť enzymatickej reakcie možno vyjadriť pomocou teplotného koeficientu Q10: Q10 = (rýchlosť reakcie pri (x + 10) °C) / (rýchlosť reakcie pri x °C)

Medzi 0-40°C je Q10 enzymatickej reakcie 2. Inými slovami, s každým zvýšením teploty o 10°C sa rýchlosť enzymatickej reakcie zdvojnásobí.

Ryža. 4 Vplyv teploty na aktivitu enzýmu, akým je slinná amyláza.

So zvyšovaním teploty sa pohyb molekúl zrýchľuje a molekuly reagujúcich látok sa s väčšou pravdepodobnosťou navzájom zrážajú. V dôsledku toho sa zvyšuje pravdepodobnosť, že medzi nimi dôjde k reakcii. Teplota, ktorá poskytuje najväčšiu aktivitu, sa nazýva optimálna. Za touto úrovňou sa rýchlosť enzymatickej reakcie znižuje, napriek zvýšeniu frekvencie kolízií. K tomu dochádza v dôsledku deštrukcie sekundárnych a terciárnych štruktúr enzýmu, inými slovami, v dôsledku skutočnosti, že enzým prechádza denaturáciou.

Ryža. 5 Priebeh enzymatickej reakcie pri rôznych teplotách.

Keď sa teplota priblíži alebo klesne pod bod mrazu, enzýmy sa inaktivujú, ale nedôjde k denaturácii. So zvyšujúcou sa teplotou sa ich katalytická aktivita opäť obnoví.

Keďže proteíny v suchom stave sú denaturované oveľa pomalšie ako hydratované proteíny (vo forme proteínového gélu alebo roztoku), k inaktivácii fosforu v suchom stave dochádza oveľa pomalšie ako v prítomnosti vlhkosti. Preto suché bakteriálne spóry alebo suché semená vydržia zahrievanie na oveľa vyššie teploty ako rovnaké spóry alebo semená vo vlhkom stave.

Koncentrácia substrátu

Pre danú koncentráciu enzýmu sa rýchlosť enzymatickej reakcie zvyšuje so zvyšujúcou sa koncentráciou substrátu.

Ryža. 6 Závislosť rýchlosti enzymatickej reakcie od koncentrácie substrátu.

Teoretická maximálna rýchlosť reakcie Vmax sa nikdy nedosiahne, ale nastáva bod, keď ďalšie zvýšenie koncentrácie substrátu už nespôsobuje žiadnu výraznú zmenu rýchlosti reakcie. To by sa malo vysvetliť skutočnosťou, že pri vysokých koncentráciách substrátu sú aktívne centrá molekúl fosforu prakticky nasýtené v každom danom okamihu. Bez ohľadu na to, koľko nadbytočného substrátu je k dispozícii, môže sa spojiť s enzýmom až po tom, čo sa predtým vytvorený komplex enzým-substrát disociuje na produkt a voľný enzým. Preto pri vysokých koncentráciách substrátu je rýchlosť enzymatickej reakcie obmedzená ako koncentrácia substrátu a čas potrebný na disociáciu komplexu enzým-substrát.

Pri konštantnej teplote funguje akýkoľvek fosfor najefektívnejšie v úzkom rozsahu pH. Optimálna hodnota pH je taká, pri ktorej reakcia prebieha maximálnou rýchlosťou.

Ryža. 7 Závislosť aktivity enzýmu od pH.

Pri vyššom a nižšom pH sa aktivita F. znižuje. Posunom pH sa mení náboj ionizovaných kyslých a zásaditých skupín, od ktorých závisí konkrétny tvar molekúl fosforu, v dôsledku čoho sa mení tvar molekúl fosforu a predovšetkým tvar jeho aktívneho centra. Ak sa pH zmení príliš prudko, F. denaturuje. Optimálna pH charakteristika daného fosforu sa nie vždy zhoduje s pH jeho bezprostredného vnútrobunkového prostredia. To naznačuje, že prostredie, v ktorom sa F. nachádza, do určitej miery reguluje jeho činnosť.

Enzýmová kinetika študuje vplyv chemickej povahy reagujúcich látok (enzýmov, substrátov) a podmienok ich interakcie (pH média, teplota, koncentrácia, prítomnosť aktivátorov alebo inhibítorov) na rýchlosť enzymatickej reakcie. Rýchlosť enzymatickej reakcie (u) sa meria znížením množstva substrátu alebo zvýšením reakčného produktu za jednotku času.

Pri nízkej koncentrácii substrátu je rýchlosť reakcie

je priamo úmerná jeho koncentrácii. Pri vysokých koncentráciách substrátu, keď sú všetky aktívne miesta enzýmu obsadené substrátom ( nasýtenia enzýmu substrátom), reakčná rýchlosť je maximálna, stáva sa konštantnou a nezávislou od koncentrácie substrátu [S] a úplne závisí od koncentrácie enzýmu (obr. 19).

K S – disociačná konštanta komplexu enzým-substrát ES, prevrátená hodnota rovnovážnej konštanty:

.

Čím nižšia je hodnota KS, tým vyššia je afinita enzýmu k substrátu.

Ryža. 19. Závislosť rýchlosti enzymatickej reakcie od koncentrácie substrátu pri konštantnej koncentrácii enzýmu

Vyjadruje sa kvantitatívny vzťah medzi koncentráciou substrátu a rýchlosťou enzymatickej reakcie Michaelis-Mentenova rovnica:

,

u je rýchlosť reakcie, u max je maximálna rýchlosť enzymatickej reakcie.

Briggs a Haldane zlepšili rovnicu zavedením Michaelisova konštanta K m, stanovené experimentálne.

Briggsova-Haldaneova rovnica:

.

Michaelisova konštanta sa číselne rovná koncentrácii substrátu (mol/l), pri ktorej je rýchlosť enzymatickej reakcie polovičná (obr. 20). Km ukazuje afinitu enzýmu k substrátu: čím nižšia je jeho hodnota, tým väčšia je afinita.

Experimentálne hodnoty Km pre väčšinu enzymatických reakcií zahŕňajúcich jeden substrát sú zvyčajne 10 -2 -10 -5 M. Ak je reakcia reverzibilná, potom je interakcia enzýmu so substrátom priamej reakcie charakterizovaná rozdielmi Km z toho pre substrát reverznej reakcie.

G. Lineweaver a D. Burke transformovali Briggs-Haldaneovu rovnicu a získali rovnicu s priamkou: y = ax + b (Obr. 21):

.

Lineweaver–Burk metóda poskytuje presnejší výsledok.

Ryža. 21. Grafická definícia Michaelisovej konštanty

podľa metódy Lineweaver-Burk

VLASTNOSTI ENZÝMU

Enzýmy sa líšia od bežných katalyzátorov v mnohých vlastnostiach.

Tepelná labilita, alebo citlivosť na zvýšenú teplotu (obr. 22).

Ryža. 22. Závislosť rýchlosti enzymatickej reakcie od teploty

Pri teplote nepresahujúcej 45–50 °C sa rýchlosť väčšiny biochemických reakcií zvyšuje 2-krát so zvýšením teploty o 10 °C podľa Van't Hoffovho pravidla. Pri teplotách nad 50 °C je rýchlosť reakcie ovplyvnená tepelnou denaturáciou enzýmového proteínu, čo postupne vedie k jeho úplnej deaktivácii.

Teplota, pri ktorej je katalytická aktivita enzýmu maximálna, sa nazýva jeho teplotné optimum. Teplotné optimum pre väčšinu enzýmov cicavcov je v rozmedzí 37-40 °C. Pri nízkych teplotách (0 °C a menej) sa enzýmy spravidla neničia, hoci ich aktivita klesá takmer na nulu.

Závislosť aktivity enzýmu od hodnoty pH média(obr. 23).

Pre každý enzým existuje optimálna hodnota pH, pri ktorej vykazuje maximálnu aktivitu. pH optimum Pôsobenie enzýmov v živočíšnych tkanivách leží v úzkej zóne koncentrácie vodíkových iónov zodpovedajúcej fyziologickým hodnotám pH 6,0-8,0 vyvinutým v procese evolúcie. Výnimkou je pepsín - 1,5-2,5; argináza – 9,5-10.

Ryža. 23. Závislosť rýchlosti enzymatickej reakcie od pH média

Vplyv zmien pH prostredia na molekulu enzýmu má vplyv na stupeň ionizácie jeho aktívnych skupín, a tým aj na terciárnu štruktúru proteínu a stav aktívneho centra. pH mení aj ionizáciu kofaktorov, substrátov, komplexov enzým-substrát a reakčných produktov.

Špecifickosť. Vysoká špecifickosť pôsobenia enzýmov je spôsobená konformačnou a elektrostatickou komplementaritou medzi molekulami substrátu a enzýmu a unikátnou štruktúrnou organizáciou aktívneho centra, ktorá zabezpečuje selektivitu reakcie.

Absolútna špecifickosť - schopnosť enzýmu katalyzovať jednu reakciu. Napríklad ureáza katalyzuje reakciu hydrolýzy močoviny na NH 3 a CO 2, argináza - hydrolýzu arginínu.

Relatívna (skupinová) špecifickosť – schopnosť enzýmu katalyzovať skupinu reakcií určitého typu. Napríklad hydrolytické enzýmy peptidázy, ktoré hydrolyzujú peptidové väzby v proteínových a peptidových molekulách, a lipáza, ktoré hydrolyzujú esterové väzby v molekulách tuku, majú relatívnu špecifickosť.

Stereochemická špecifickosť majú enzýmy, ktoré katalyzujú transformáciu iba jedného z priestorových izomérov. Enzým fumaráza katalyzuje premenu trans izoméru kyseliny buténdiovej, kyseliny fumarovej, na kyselinu jablčnú a nepôsobí na cis izomér, kyselinu maleínovú.

Vysoká špecifickosť pôsobenia enzýmov zabezpečuje, že medzi všetkými možnými premenami dochádza len k určitým chemickým reakciám.

ENZYMATÍVNA REAKČNÁ KINETIKA

študuje vzorce prechodu enzymatických reakcií v čase, ako aj ich mechanizmus; kapitola chemická kinetika.

Katalytický cyklus premeny látky S (substrát) na produkt P pôsobením enzýmu E prebieha tvorbou medziproduktov. spoj. X i:

Kde ki- rýchlostné konštanty jednotlivých elementárnych stupňov, tvorba komplexu enzým-substrát X 1 (ES, Michaelisov komplex).

Pri danej teplote závisí rýchlosť reakcie od koncentrácií enzýmu, substrátu a zloženia média. Existuje stacionárna, predstacionárna a relaxačná kinetika enzymatických reakcií.

Stacionárna kinetika. V stacionárnom stave cez medziľahlé spojenia. (dX i/dt= 0, i = 1, ..., n) a s nadbytkom substrátu, kde [S]0 a [E]0 sú počiatočné koncentrácie. substrátu a enzýmu, kinetika procesu je charakterizovaná konštantnou, časovo invariantnou úrovňou koncentrácií. spojenie a výraz pre rýchlosť procesu v 0, tzv počiatočná stacionárna rýchlosť, má tvar (Michaelis-Mentenova rovnica):

(1)

kde sú hodnoty k cat and Km -> funkcie rýchlostných konštánt elementárnych stupňov a sú dané rovnicami:

Hodnota k kat volal účinný katalytický rýchlostná konštanta procesu, parameter Km -> Michaelis konštanta. k cat hodnota určené množstvom max. pomalé fázy katalytického procesu okresy a niekedy tzv počet otáčok enzýmu (enzýmový systém); k kat charakterizuje počet katalytických cyklov vykonaných enzýmovým systémom za jednotku času. Naíb. bežné, majúce hodnotu k kat. pre konkrétne substráty v rozsahu 10 2 -10 3 s -1. Typické hodnoty Michaelisovej konštanty ležia v rozmedzí 10 -3 - 10 -4 M.

Pri vysokých koncentráciách substrátu, kedy, t.j. rýchlosť cirkulácie nezávisí od koncentrácie substrátu a dosahuje konštantnú hodnotu, tzv. Max. rýchlosť. Z grafického hľadiska je rovnica Michaelis-Menten hyperbolou. Dá sa linearizovať metódou dvojitých reciprokál (Linewere-Burkova metóda), t.j. zostrojením závislosti 1/v na 1/[S] 0, alebo inými metódami. Lineárny tvar rovnice (1) má tvar:

(2)

Umožňuje vám graficky určiť hodnoty K m a v max (obr. 1).

Ryža. 1. Graf lineárnej transformácie Michaelisovej - Mentenovej rovnice v dvojitých reciprokáloch (podľa Lineweavera - Burkeho).

Rozsah Km > sa číselne rovná koncentrácii substrátu, pri ktorej je rýchlosť cirkulácie rovnaká K mčasto slúži ako miera afinity substrátu a enzýmu, ale to platí len vtedy, ak

množstvá Km > A sa líšia v závislosti od hodnôt pH. Je to spôsobené schopnosťou skupín molekúl enzýmu zapojených do katalýzy meniť svoj ionizačný stav a tým aj svoju katalytickú aktivitu. efektívnosť. V najjednoduchšom prípade má zmena pH za následok protonáciu alebo deprotonáciu aspoň dvoch ionizovateľných skupín enzýmu, ktorý sa podieľa na katalýze. Ak je v tomto prípade len jedna forma komplexu enzým-substrát (napríklad ESH) z troch možných foriem (ES, ESH a ESH 2) schopná premeny na produkt roztoku, potom závislosť rýchlosť pH je opísaná vzorcom:

Kde f = 1 + / A f" = 1 + +K" b />-T. volal pH-funkcie Michaelis, a Ka, K b A K" a, K" b -> ionizačné konštanty skupín a a bresp. zadarmo enzým a komplex enzým-substrát. V súradniciach lg - pH táto závislosť je znázornená na obr. 2 a dotyčnice uhlov sklonu dotyčníc k vzostupnej nezávislej od pH a klesajúcej vetve krivky by sa mali rovnať +1, 0 a -1. Z takéhoto grafu môžete určiť hodnoty pK a skupiny zapojené do katalýzy.

Ryža. 2. Závislosť katalyzátora konštanty od pH po logaritmické. súradnice

Rýchlosť enzymatickej reakcie nie vždy zodpovedá rovnici (1). Jedným z najbežnejších prípadov je účasť alosterika v reakcii. enzýmy (pozri enzýmové regulátory), pre ktoré je závislosť stupňa nasýtenia enzýmu od [S] 0 nehyperbolická. znak (obr. 3). Tento jav je spôsobený kooperativitou väzby substrátu, t.j. keď väzba substrátu na jedno z miest makromolekuly enzýmu zvyšuje (pozitívna kooperativita) alebo znižuje (negatívna kooperativita) afinitu k substrátu iného miesta.

Ryža. H Závislosť stupňa nasýtenia enzýmu substrátom od koncentrácie substrátu s pozitívnou (I) a negatívnou (II) kooperativitou, ako aj v jeho neprítomnosti (III).

Kinetika pred ustáleným stavom. Pri rýchlom miešaní roztokov enzýmov a substrátov v časovom intervale 10 -6 -10 -1 s možno pozorovať prechodné procesy predchádzajúce vzniku stabilného stacionárneho stavu. V tomto predstacionárnom režime, pri použití veľkého prebytku substrátu, diferenciálneho systému. Rovnica popisujúca kinetiku procesov je lineárna. Riešenie tohto typu lineárneho diferenciálneho systému. Rovnica je daná súčtom exponenciálnych členov. Takže pre kinetiku V schéme uvedenej vyššie má kinetika akumulácie produktu tvar:

kde i ->, b, a n -> funkcie elementárnych rýchlostných konštánt; -korene zodpovedajúcej charakteristiky. úrovni.

Recipročné množstvo je tzv charakteristický čas spracovania:

Pre rieku tečúcu za účasti nintervalov. pripojenie, môžete získať ncharakteristiky. krát

Štúdium kinetiky enzymatickej reakcie v predstacionárnom režime nám umožňuje získať predstavu o podrobnom mechanizme katalytických reakcií. cyklu a určiť rýchlostné konštanty elementárnych fáz procesu.

Experimentálne sa študuje kinetika enzymatickej reakcie v predstacionárnom režime pomocou metódy zastaveného prúdu (pozri. tryskové kinetické metódy), umožňujúce zmiešanie zložiek roztoku do 1 ms.

Relaxačná kinetika. Pri rýchlom rušivom účinku na systém (zmena teploty, tlaku, elektrického poľa) závisí čas potrebný na to, aby systém dosiahol nový rovnovážny alebo stacionárny stav od rýchlosti procesov, ktoré podmieňujú katalytickú reakciu. enzymatický cyklus.

Systém rovníc popisujúcich kinetiku procesu je lineárny, ak je posunutie z rovnovážnej polohy malé. Riešenie sústavy vedie k závislostiam koncentrácií zložiek, rozkl. etapy procesu vo forme súčtu exponenciálnych členov, ktorých exponenty majú charakter relaxačných časov. Výsledkom štúdie je spektrum relaxačných časov zodpovedajúce počtu intervalov. spojenia zúčastňujúce sa procesu. Relaxačné časy závisia od rýchlostných konštánt základných štádií procesov.

Relaxačné techniky kinetika umožňuje určiť rýchlostné konštanty jednotlivých elementárnych stupňov premeny medziproduktov. Metódy na štúdium kinetiky relaxácie sa líšia. rozlíšenie: absorpcia ultrazvuku - 10 -6 -10 -10 s, teplotný skok - 1O -4 -10 -6 s, elektrická metóda. impulz - 10 -4 -10 -6 s, tlakový skok - 10 -2 s. Pri štúdiu kinetiky enzymatických reakcií našla uplatnenie metóda teplotného skoku.

Makrokinetika enzymatických procesov. Vývoj metód výroby heterogénnych katalyzátorov imobilizáciou enzýmov pri rozklade. médiá (pozri Imobilizované enzýmy) si vyžiadala analýzu kinetiky procesov s ohľadom na prenos hmoty substrátu. Kinetika reakcií bola študovaná teoreticky a experimentálne, berúc do úvahy účinky difúznej vrstvy a pre systémy s intradifúznymi ťažkosťami počas distribúcie enzýmu v nosiči.

V podmienkach, kde je kinetika procesu ovplyvnená difúznym prenosom substrátu, katalytický. účinnosť systému klesá. Faktor účinnosti sa rovná pomeru hustoty toku produktu za podmienok enzymatického toku s difúzne zníženou koncentráciou substrátu k toku, ktorý by sa mohol realizovať bez obmedzení difúzie. V čisto difúznej oblasti, keď je rýchlosť procesu určená prenosom hmoty substrátu, je faktor účinnosti pre systémy s vonkajšou inhibíciou difúzie nepriamo úmerný modulu difúzie:

Kde hrúbka difúznej vrstvy, D - koeficient. substrátová difúzia.

Pre systémy s intradifúznou inhibíciou v oblastiach prvého poriadku

kde Ф T- bezrozmerný modul (Thiele modul).

Pri analýze kinetiky vzory v enzymatických reaktoroch sú široko teoretické. a experimentovať. Boli vyvinuté „ideálne“ modely reaktorov: prietokový reaktor (prietokový reaktor s ideálnym miešaním), prietokový reaktor s ideálnym objemom a membránový reaktor.

Kinetika multienzýmových procesov. V tele (bunke) enzýmy nepôsobia izolovane, ale katalyzujú reťazce transformácie molekúl. R-ióny v multienzýmových systémoch s kinetickou. názory možno považovať za konzistentné. procesy, špecifické Charakteristickým znakom sú enzýmy každého z etáp:

Kde , resp. max, rýchlosť procesu a Michaelisova konštanta i etapa okresu, resp.

Dôležitou črtou procesu je možnosť vytvorenia stabilného stacionárneho stavu. Podmienkou jej vzniku môže byť nerovnosť > v 0 , kde v 0 je rýchlosť limitného stupňa, charakterizovaná najmenšou rýchlostnou konštantou a tým určujúca rýchlosť všetkého, čo nasleduje. proces. V ustálenom stave sú koncentrácie metabolitov po limitnom štádiu nižšie ako Michaelisova konštanta zodpovedajúceho enzýmu.

Špecifické skupinu multienzýmových systémov tvoria systémy, ktoré vykonávajú oxidačno-redukčnú činnosť. r-ióny za účasti proteínových nosičov elektrónov. Špecifické formy nosičov štruktúry, komplexy s deterministickou postupnosťou prenosu elektrónov. Kinetický. popis tohto druhu systémov považuje stav obvodov s rozkladom za nezávislú premennú. stupeň elektrónovej populácie.

Aplikácia. F.r. K. má široké využitie vo výskumnej praxi na štúdium mechanizmov pôsobenia enzýmov a enzýmových systémov. Prakticky významnou oblasťou vedy o enzýmoch je inžinierska enzymológia, pracuje s pojmami F. r. pre optimalizáciu biotechn. procesy.

Lit.: Poltorak O.M., Chukhrai E.S., Fyzikálne-chemické základy enzymatickej katalýzy, M., 1971; Berezin I.V., Martinek K., Základy fyzikálnej chémie enzymatickej katalýzy, M., 1977; Varfolomeev S. D., Zaitsev S. V., Kinetické metódy v biochemickom výskume, M.. 1982. S. D. Varfolomejev.

Chemická encyklopédia. - M.: Sovietska encyklopédia. Ed. I. L. Knunyants. 1988 .

Pozrite sa, čo je "ENZYMATÍVNA REAKČNÁ KINETIKA" v iných slovníkoch:

Katalytický rádio cyklické proces pozostávajúci z množstva elementárnych pohybov, ktorých rýchlosti popisuje zákon hromadnej akcie. Tento zákon má jednoduchú formu pre ideálne zmesi plynov, ideálne kvapaliny a ideálne povrchové vrstvy.... ... Chemická encyklopédia

Kinetika chemických reakcií, štúdium chemických procesov, zákonitosti ich priebehu v čase, rýchlosti a mechanizmy. Najdôležitejšie oblasti modernej chémie a chemickej vedy sú spojené so štúdiom kinetiky chemických reakcií... ... Veľká sovietska encyklopédia

CHEMICKÁ KINETIKA- (z gréckeho hnutia kinesis), odbor teoretickej chémie venujúci sa štúdiu zákonov chémie. reakcie. Je možné identifikovať niekoľko druhov chemikálií. interakcie a v prvom rade odlíšiť reakcie prebiehajúce v homogénnom (homogénnom) prostredí od reakcií... ... Veľká lekárska encyklopédia

- (biokatalýza), zrýchlenie biochem. dávky s účasťou bielkovinových makromolekúl nazývaných enzýmy. F. k. je typ katalýzy, hoci pojem fermentácia (fermentácia) je známy už v staroveku, keď ešte neexistoval pojem chémia. katalýza. Najprv… … Chemická encyklopédia

- (z lat. re prefix s významom spätné pôsobenie, a actio pôsobenie), premena niektorých na (počiatočné zlúčeniny) na iné (produkty stravy) s nemennosťou atómových jadier (na rozdiel od jadrových reakcií). Počiatočné zlúčeniny v R. x. niekedy nazývaný ... ... Chemická encyklopédia

- (z lat. fermentum starter) (enzýmy), bielkoviny, ktoré pôsobia ako katalyzátory v živých organizmoch. Základné funkcie F. na urýchlenie premeny látok vstupujúcich do tela a vznikajúcich pri látkovej premene (obnoviť bunkové štruktúry, zabezpečiť jej ... Chemická encyklopédia

- (z gréckeho pharmakon liek a kinetikos uvedenie do pohybu), študuje kinetiku. vzory procesov vyskytujúcich sa s lek. St vom v tele. Základné farmakokinetické procesy: vstrebávanie, distribúcia, metabolizmus a vylučovanie (odstraňovanie).... ... Chemická encyklopédia

Takmer všetky biochemické reakcie sú enzymatické. Enzýmy(biokatalyzátory) sú bielkovinové látky aktivované katiónmi kovov. Je známych asi 2000 rôznych enzýmov a asi 150 z nich bolo izolovaných, z ktorých niektoré sa používajú ako lieky. Trypsín a chymotrypsín sa používajú na liečbu bronchitídy a pneumónie; pepsín - na liečbu gastritídy; plazmín - na liečbu srdcového infarktu; Pankreatín – na liečbu pankreasu. Enzýmy sa líšia od konvenčných katalyzátorov: (a) vyššou katalytickou aktivitou; b) vysoká špecifickosť, t.j. selektívnosť pôsobenia.

Mechanizmus jednosubstrátovej enzymatickej reakcie možno znázorniť na nasledujúcom diagrame:

kde E je enzým,

S - substrát,

ES - komplex enzým-substrát,

P je reakčný produkt.

Charakteristickým znakom prvého stupňa enzymatickej reakcie je Michaelisova konštanta (K M). K M je prevrátená hodnota rovnovážnej konštanty:

Michaelisova konštanta (KM) charakterizuje stabilitu komplexu enzým-substrát (ES). Čím nižšia je Michaelisova konštanta (K M), tým je komplex stabilnejší.

Rýchlosť enzymatickej reakcie sa rovná rýchlosti jej rýchlostného limitu:

kde k 2 je rýchlostná konštanta, tzv počet otáčok alebo molekulárna aktivita enzýmu.

molekulárna enzýmová aktivita(k 2) sa rovná počtu molekúl substrátu, ktoré prechádzajú transformáciou pod vplyvom jednej molekuly enzýmu za 1 minútu pri 25 0 C. Táto konštanta nadobúda hodnoty v rozsahu: 1·10 4< k 2 < 6·10 6 мин‾ 1 .

Pre ureázu, ktorá urýchľuje hydrolýzu močoviny, k 2 = 1,85∙10 6 min‾ 1 ; pre adenozíntrifosfatázu, ktorá urýchľuje hydrolýzu ATP, k 2 = 6,24∙10 6 min‾ 1 ; pre katalázu, ktorá urýchľuje rozklad H 2 O 2, k 2 = 5∙10 6 min‾ 1.

Kinetická rovnica enzymatickej reakcie vo forme, v akej je uvedená vyššie, sa však prakticky nedá použiť z dôvodu nemožnosti experimentálne určiť koncentráciu komplexu enzým-substrát (). Vyjadrené inými veličinami, ktoré sa dajú ľahko určiť experimentálne, získame kinetickú rovnicu enzymatických reakcií, volal podľa Michaelisovej-Mentenovej rovnice (1913):

,

kde súčin k 2 [E] total je konštantná hodnota, ktorá je označená (maximálna rýchlosť).

Respektíve:

Uvažujme o špeciálnych prípadoch Michaelis-Mentenovej rovnice.

1) Preto pri nízkej koncentrácii substrátu K M >> [S]

čo zodpovedá kinetickej rovnici reakcie prvého rádu.

2) Pri vysokej koncentrácii substrátu K m<< [S], поэтому

čo zodpovedá kinetickej rovnici reakcie nultého rádu.

Pri nízkej koncentrácii substrátu sa teda rýchlosť enzymatickej reakcie zvyšuje so zvyšujúcim sa obsahom substrátu v systéme a pri vysokej koncentrácii substrátu kinetická krivka dosiahne plató (rýchlosť reakcie nezávisí od koncentrácie substrátu) (obr. 30).

Obrázok 30. - Kinetická krivka enzymatickej reakcie

Ak [S] = K M, potom

čo umožňuje graficky určiť Michaelisovu konštantu K m (obr. 31).

Obrázok 31. - Grafická definícia Michaelisovej konštanty

Aktivitu enzýmov ovplyvňuje: (a) teplota, (b) kyslosť média, (c) prítomnosť inhibítorov. Vplyv teploty na rýchlosť enzymatickej reakcie je diskutovaný v kapitole 9.3.

Vplyv kyslosti média na rýchlosť enzymatickej reakcie je znázornený na obrázku 32. Maximálna aktivita enzýmu zodpovedá optimálnej hodnote pH (pH opt).

Obrázok 32. - Vplyv kyslosti roztoku na aktivitu enzýmu

Pre väčšinu enzýmov sa optimálne hodnoty pH zhodujú s fyziologickými hodnotami (7,3 - 7,4). Sú však enzýmy, ktorých normálne fungovanie vyžaduje silne kyslé (pepsín - 1,5 - 2,5) alebo dostatočne zásadité prostredie (argináza - 9,5 - 9,9).

Inhibítory enzýmov- sú to látky, ktoré obsadzujú časť aktívnych centier molekúl enzýmov, v dôsledku čoho klesá rýchlosť enzymatickej reakcie. Ako inhibítory pôsobia katióny ťažkých kovov, organické kyseliny a iné zlúčeniny.

Prednáška 11

Atómová štruktúra

Existujú dve definície pojmu „atóm“. Atom je najmenšia častica chemického prvku, ktorá si zachováva svoje chemické vlastnosti.

Atom je elektricky neutrálny mikrosystém pozostávajúci z kladne nabitého jadra a záporne nabitého elektrónového obalu.

Doktrína atómu prešla dlhou cestou vývoja. Medzi hlavné fázy vývoja atomizmu patria:

1) prírodná filozofická etapa - obdobie formovania koncepcie atómovej štruktúry hmoty, experimentom nepotvrdené (5. stor. pred Kr. - 16. stor. n. l.);

2) štádium vzniku hypotézy o atóme ako najmenšej častici chemického prvku (XVIII-XIX storočia);

3) štádium vytvárania fyzikálnych modelov, ktoré odrážajú zložitosť štruktúry atómu a umožňujú popísať jeho vlastnosti (začiatok 20. storočia)

4) moderné štádium atomizmu sa nazýva kvantová mechanika. Kvantová mechanika je oblasť fyziky, ktorá študuje pohyb elementárnych častíc.

PLÁNOVAŤ

11.1. Štruktúra jadra. Izotopy.

11.2. Kvantovo-mechanický model elektrónového obalu atómu.

11.3. Fyzikálno-chemické vlastnosti atómov.

Štruktúra jadra. Izotopy

Atómové jadro je kladne nabitá častica pozostávajúca z protónov, neutrónov a niektorých ďalších elementárnych častíc.

Všeobecne sa uznáva, že hlavnými elementárnymi časticami jadra sú protóny a neutróny. Protón (p) – je elementárna častica, ktorej relatívna atómová hmotnosť je 1 amu a jej relatívny náboj je + 1. Neutrón (n) – Ide o elementárnu časticu, ktorá nemá elektrický náboj a ktorej hmotnosť sa rovná hmotnosti protónu.

99,95 % hmotnosti atómu je sústredených v jadre. Medzi elementárnymi časticami existujú špeciálne jadrové rozťahovacie sily, ktoré výrazne prevyšujú sily elektrostatického odpudzovania.

Základnou charakteristikou atómu je poplatok jeho jadier, ktorý sa rovná počtu protónov a zhoduje sa s atómovým číslom prvku v periodickej tabuľke chemických prvkov. Súbor (typ) atómov s rovnakým jadrovým nábojom sa nazýva chemický prvok. Prvky s číslami od 1 do 92 sa nachádzajú v prírode.

Izotopy- sú to atómy toho istého chemického prvku obsahujúce rovnaký počet protónov a rôzny počet neutrónov v jadre.

kde hmotnostné číslo (A) je hmotnosť jadra, z je náboj jadra.

Každý chemický prvok je zmesou izotopov. Názov izotopov sa spravidla zhoduje s názvom chemického prvku. Pre izotopy vodíka však boli zavedené špeciálne názvy. Chemický prvok vodík je reprezentovaný tromi izotopmi:

Číslo p Číslo n

Protium N 10

Deutérium D11

Trícium T12

Izotopy chemického prvku môžu byť stabilné aj rádioaktívne. Rádioaktívne izotopy obsahujú jadrá, ktoré sa spontánne rozpadajú a uvoľňujú častice a energiu. Stabilita jadra je určená pomerom neutrónov a protónov.

Keď sa rádionuklidy dostanú do tela, narušia najdôležitejšie biochemické procesy, znížia imunitu a odsúdia telo na choroby. Organizmus sa pred účinkami žiarenia chráni selektívnym pohlcovaním prvkov z prostredia. Stabilné izotopy majú prednosť pred rádioaktívnymi izotopmi. Inými slovami, stabilné izotopy blokujú akumuláciu rádioaktívnych izotopov v živých organizmoch (tabuľka 8).

Kniha S. Shannona „Výživa v atómovom veku“ poskytuje nasledujúce údaje. Ak sa blokujúca dávka ~100 mg stabilného izotopu jódu podá najneskôr 2 hodiny po vstupe I-131 do tela, príjem rádiojódu v štítnej žľaze sa zníži o 90 %.

Rádioizotopy sa používajú v medicíne

na diagnostiku určitých chorôb,

· na liečbu všetkých foriem rakoviny,

· na patofyziologické štúdie.

Tabuľka 8 - Blokovací účinok stabilných izotopov