Глава 4 кинетика биохимических процессов

Организм представляет собой открытую систему, которая постоянно обменивается с окружающей средой веществом и энергией. Вещества, поступающие в организм, вступают в сложную сеть химических превраще­ний. Скорость химических превращений в клетках и тканях организма играет основную роль в регулирова­нии жизненного процесса. В связи с этим важное зна­чение приобретает изучение закономерностей протека­ния в организме химических реакций. Кинетика изучает закономерности протекания во времени химических процессов. В отличие от биохимии, описывающей конкретные химические реакции в организме, кинетика изучает механизмы химических превращений в зависимости от различных факторов (температуры, концентрации реа­гирующих веществ, давления, рН, наличия катализато­ров и пр.).

ТИПЫ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ. СКОРОСТЬ РЕАКЦИИ

Каждая химическая реакция складывается из огромного количества элементарных актов, представленных превращением наименьших частиц вещества: молекул, атомов или ионов. В зависимости от количества частиц, участвующих в элементарном акте реакции, их делят на мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные реакции. Вероятность столкновения более чем трех частиц одновременно чрезвычайно мала, поэтому реакции с участием более трех частиц протекают в не­сколько моно-, би- или тримолекулярных стадий. В жи­вых организмах наиболее распространенными являются моно- и бимолекулярные реакции.

95

Важнейшей количественной характеристикой химической реакции является скорость. Под скоростью реакции понимают возрастание или убывание концентрации реа­гирующего вещества во времени. Если вещество А пре­вращается в вещество В:

А—> В,

то скорость реакции v — первая производная от концентрации любого из веществ по времени:

(1)

Скорость химической реакции зависит в основном от трех факторов: концентрации реагирующих веществ, температуры и наличия катализаторов. Согласно кинетической теории реакций, их скорость определяется ко­личеством столкновений молекул друг с другом в единицу времени. Количество столкновений молекул зависит от количества реагирующих молекул в единице объема, т. е. от концентрации реагирующих веществ (и, следовательно, от объема и давления в случае газов). Эта зависимость открыта Гульдбергом и Вааге в 1867 г. и носит название закона действующих масс.

Если скорость реакции зависит от концентрации од­ного вещества, то такая реакция называется реакцией первого порядка. В случае приведенной мономолекуляр­ной реакции А—>В по закону действующих масс

(2)

где к — коэффициент, называемый константой скорости

р еакции. Если A = 1, то

т. е. константа скорости — это скорость реакции при концентрациях реагирующих веществ, равных единице.

Так как концентрация А уменьшается со временем, то будет уменьшаться и скорость реакции. Интегрируя уравнение (2) и производя преобразования, получим:

(3)

где А₀ — начальная концентрация вещества A; t — вре­мя от начала реакции; е — основание натуральных лога-

96

рифмов. Из уравнения (3) следует, что скорость изолированной реакции первого порядка уменьшается во вре­мени по экспоненциальному закону.

Если скорость реакции зависит от концентрации двух веществ, то это реакция второго порядка. Например, при реакции А+В—>С

( 4)

Порядок и молекулярность реакции не всегда совпадают. Так, бимолекулярная реакция может быть реакцией первого порядка, если одно из реагирующих веществ находится в избытке и его концентрация заметным образом не меняется. Например, гидролиз СН₃СООК может определяться только концентрацией СН₃СООК, если вода находится в избытке. Мономолекулярная реакция может быть реакцией нулевого порядка, когда скорость реакции не зависит от концентрации реа­гирующего вещества. Обычно так протекают реакции с участием ферментов в условиях избытка реагирующего вещества. В условиях нулевого порядка скорость посто­янна и определяется скоростью распада фермент-суб­стратного комплекса. В процессе реакции может насту­пить переход от реакции первого порядка к реакции ну­левого порядка. Если процесс протекает в клетке, куда реагирующие вещества поступают через клеточные обо­лочки, то в начальный момент, когда концентрация реа­гирующего вещества небольшая, реакция может проте­кать по типу реакций первого порядка, а при насыще­нии всех молекул фермента переходит на нулевой порядок.

ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ, АКТИВИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС, ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

К ак уже отмечалось, скорость химических реакций пропорциональна количеству столкновений частиц друг с другом в единицу времени. Раньше полагали, что каж­дое столкновение реагирующих частиц приводит к химическому взаимодействию. Тогда, если количество столк­новений частиц в единицу времени равно Z, а концент­рации реагирующих веществ равны единице, то

(5)

где k — константа скорости реакции.