химический каталог




ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ КИНЕТИКА

Автор Химическая энциклопедия г.р. Н.С.Зефиров

ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ КИНЕТИКА, изучает закономерности протекания во времени ферментативных реакций, а также их механизм; раздел кинетики химической.

Каталитич. цикл конверсии вещества S (субстрата) в продукт P под действием фермента E протекает с образованием промежуточные соединение Xi:


где ki - константы скорости отдельных элементарных стадий, KS - константа равновесия образования фермент-субстратного комплекса X1 (ES, комплекс Михаэлиса).

При данной температуре скорость реакции зависит от концентраций фермента, субстрата и состава среды. Различают стационарную, предстационарную и релаксационную кинетику ферментативных реакций.

Стационарная кинетика. В стационарном состоянии по промежуточным соединение (dXi/dt = 0, i = 1, ..., n) и при избытке субстрата , где [S]0 и [E]0 - начальные концентрации соответственно субстрата и фермента, кинетика процесса характеризуется постоянным, неизменным во времени уровнем концентраций промежуточные соединение, а выражение для скорости процесса v0, называют начальной стационарной скоростью, имеет вид (уравение Михаэлиса- Ментен):

(1)

где значения kкат и Км - функции констант скорости элементарных стадий и заданы уравенениями:


Величину kкат называют эффективной каталитических константой скорости процесса, параметр Км - константой Михаэлиса. Значение kкат определяется величинами ki наиболее медленных стадий каталитических реакций и иногда называют числом оборотов фермента (ферментной системы); kкат характеризует число каталитических циклов, совершаемых ферментной системой в единицу времени. Наиб. распространены ферменты, имеющие значение kкат. для специфический субстратов в диапазоне 102-103 с-1. Типичные значения константы Михаэлиса лежат в интервале 10-3- 10-4 M.

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

(2)

Она позволяет определить графически значения Км и vмакс (рис. 1).


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

Величина Км численно равна концентрации субстрата, при которой скорость реакции равна , поэтому Км часто служит мерой сродства субстрата и фермента, однако это справедливо лишь, если

Величины Км и vm изменяются в зависимости от значений рН. Это связано со способностью участвующих в катализе групп молекулы фермента изменять свое состояние ионизации и, тем самым, свою каталитических 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 (например, ESH) из трех возможных (ES, ESH и ESH2) способна превращаться в продукт реакции, то зависимость скорости от рН описывается формулой:


где f = 1 + [H+]/Kа + Kb /[H+] и f " = 1 + [H+]/К"а + K"b/[H+] -так называемой рН-функции Михаэлиса, а Ка, Кb и К"a, K"b- константы ионизации групп а и b соответственно свободный фермента и фермент-субстратного комплекса. В координатах lg kкат - 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 рКа групп, участвующих в катализе.


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

Скорость ферментативной реакции не всегда подчиняется уравению (1). Один из часто встречающихся случаев - участие в реакции аллостерич. ферментов (см. Регуляторы ферментов), для которых 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 растворов 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. уравений, описывающая кинетику процессов, линейна. Решение данного типа системы линейных дифференц. уравений дается суммой экспоненциальных членов. Так, для кинетическая схемы, представленной выше, кинетика накопления продукта имеет вид:


где Ai-, b, аn - функции элементарных констант скорости; -корни соответствующего характеристич. уравения.

Величина, обратная , называют характеристич. временем процесса:


Для реакции, протекающей с участием n промежуточные соединение, можно получить n характеристич. времен.

Исследование кинетики ферментативной реакции в предстационарном режиме позволяет получить представление о детальном механизме каталитических цикла и определить константы скорости элементарных стадий процесса.

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

Релаксационная кинетика. При быстром возмущающем воздействии на систему (изменение температуры, давления, электрич. поля) время, которое необходимо системе для достижения нового равновесия или стационарного состояния, зависит от скорости процессов, определяющих каталитических ферментативный цикл.

Система уравений, описывающая кинетику процесса, линейна, если смещение от положения равновесия невелико. Решение системы приводит к зависимостям концентраций компонентов различные стадий процесса в виде суммы экспоненциальных членов, показатели экспонент которых имеют характер времен релаксаций. Результатом исследования является спектр времен релаксации, соответствующий числу промежуточные соединение, 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 различные 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 реакций наиб, применение нашел метод температурного скачка.

Макрокинетика ферментативных процессов. Развитие методов получения гетерогенных катализаторов путем иммобилизации ферментов на различные носителях (см. Иммобилизованные ферменты)обусловило необходимость анализа кинетики процессов с учетом массопереноса субстрата. Теоретически и экспериментально исследованы закономерности кинетики реакций 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, каталитических эффективность системы уменьшается. Фактор эффективности равен отношению плотности потока продукта в условиях протекания ферментативной реакции с диффузионно пониженной концентрацией субстрата к потоку, который 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 ld - толщина диффузионного слоя, D - коэффициент диффузии субстрата.

Для систем с внутридиффузионным торможением в реакциях первого порядка


где Фт - безразмерный модуль (модуль Тиле).

При анализе кинетическая закономерностей в ферментативных реакторах широкое теоретич. и эксперим. развитие получили "идеальные" модели реакторов, проточный безградиентный реактор (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. Реакции в полиферментных системах с кинетическая точки зрения можно рассматривать как последоват. процессы, специфический особенностью которых является катализ ферментами каждой из стадий:


где vi, Ki - соответственно макс, скорость процесса и константа Михаэлиса i-й стадии реакции соответственно.

Важная особенность процесса - возможность образования устойчивого стационарного состояния. Условием-его возникновения может служить неравенство vi > v0, где v0 - 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. реакции с участием белковых переносчиков электронов. Переносчики образуют специфический структуры, комплексы с детерминированной последовательностью переноса электрона. Кинетич. описание такого рода систем рассматривает в качестве независимой переменной состояния цепей с различные 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 ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ КИНЕТИКА р. к. для оптимизации биотехнол. процессов.

Литература: 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. Том 5 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
портландцемент купить
благодарственные письма в оказании похорон
удаление вмятин на холодильнике на дому
alba кровать

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(25.09.2017)