Лекция 10 Кинетика ферментативных реакций План

10.1. Катализ и катализаторы.

10.2. Кинетика ферментативных реакций.

10.1. Катализ и катализаторы.

Катализ — это явление изменения скорости реакции под влиянием веществ, называемых катализаторами.

Катализаторы — это вещества, изменяющие скорость химической реакции, но не изменяющиеся в ходе процесса, ни качественно, ни количественно. Они не входят в состав продуктов реакции. Небольшие количества катализаторов способны существенно изменить скорость взаимодействия большого количества реагирующих веществ.

Катализаторы бывают: (а) гомогенные и (б) гетерогенные. Гомогенные катализаторы находятся в одной фазе с реагирующими веществами,

Пример гомогенного катализа:

H₂SO₄

CH₃COOH + C₂H₅OHCH₃COOC₂H₅ + H₂O

Гетерогенные катализаторы находятся в разных фазах с реагирующими веществами. Пример гетерогенного катализа:

Pt

N₂ + 3 H₂2NH₃

С точки зрения теории активного комплекса механизм действия катализаторов в том, что они изменяют высоту энергетического барьера химической реакции, так как изменяют маршрут протекания реакции.

Без катализатора реакция протекает как: А + ВА...В → АВ

В присутствии катализатора как: А + В + КА...К...В → АВ + К.В соответствии с этим, катализаторы делятся на (а) положительные; (б) отрицательные.

Положительные катализаторы увеличивают скорость реакции, так как понижают высоту энергетического барьера реакции, что приводит к возрастанию доли активных молекул в реакционной смеси при данной температуре (рис. 28).

Рисунок 28. — Положительный катализатор снижает энергетический барьер реакции

Отрицательные катализаторы уменьшают скорость химических реакций, так как увеличивают высоту энергетического барьера реакции, что приводит к понижению доли активных молекул в реакционной смеси при данной температуре (рис.29).

Рисунок 29. — Отрицательный катализатор повышает энергетический барьер реакции

Таблица 7 — Влияние катализаторов на энергетический барьер некоторых реакций

Реакция	Еак, кДж/моль		Катализа-тор
	без катали-затора	с катализа- тором
С2Н4 +H2 → С2Н6	180	40	Pt
		8	Cu на угле
2 H2O2→2 H2O +O2	750	55	I2
		20	каталаза

Частным случаем катализа является автокатализ. В автокаталитических реакциях катализатором служит один из продуктов реакции. Примером автокаталитической реакции является реакция окисления щавелевой кислоты раствором калий перманганата:

2 KMnO₄ + 5 H₂C₂O₄ + 3 H₂SO₄ → 2 MnSO₄ + 10 CO₂ + K₂SO₄ + 8 H₂O.

Катализатором процесса является катион Mn²⁺.

10.2. Кинетика ферментативных реакций.

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:

= k₂ [ES],

где k₂ – константа скорости, называемая числом оборотов или молекулярной активностью фермента.

молекулярная активность фермента (k₂) равна числу молекул субстрата, претерпевающих превращения под воздействием одной молекулы фермента за 1 минуту при 25⁰С. Данная константа принимает значения в диапазоне: 1·10⁴ < k₂ < 6·10⁶ мин‾¹.

Для уреазы, ускоряющей гидролиз мочевины, k₂ = 1,85∙10⁶ мин‾¹; для аденозинтрифосфатазы, ускоряющей гидролиз АТФ, k₂ = 6,24∙10⁶ мин‾¹; для каталазы, ускоряющей разложение Н₂О₂, k₂ = 5∙10⁶ 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 ([ES]). Выразив [ES] через другие величины, легко определяемые экспериментальным путем, получаем кинетическое уравнение ферментативных реакций, называемое уравнением Михаэлиса-Ментен (1913):

^,

где произведение k₂[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.