Катализ
Роль катализатора — снизить свободную энергию активации , т.е. увеличить константу скорости реакции.
Гетерогенный катализ.
Катализатор образует отдельную фазу, и реакция протекает на поверхности раздела фаз. Процесс начинается с адсорбции реагентов на поверхности катализатора (твердого), ускоряющего реакцию газе или в жидкости. Адсорбция сопровождается изменением электронной структуры реагентов и понижением свободной энергии активации. После прохождения реакции продукты десорбируются с поверхности.
Гомогенный катализ.
Катализатор и реагенты находятся в одной фазе, например, в растворе. Катализатор образует промежуточное соединение с реагентами, далее распадающееся на катализатор продукты реакции.
Ферменты работают либо в растворах, или в надмолекулярных структурах. Сорбция реагентов и реакция протекают на некоторой поверхности большой молекулы белка. В этом смысле ферментативный катализ сходен с гетерогенным. Однако белок-фермент и малые молекулы субстратов находятся в одной фазе в растворе, поэтому ферментативный катализ в растворе — гомогенный катализ.
Фермент преобразует молекулу субстрата в молекулу продукта. Механизмы работы можно изучать:
а) исследуя молекулярную структуру фермента и ФСК
б) исследуя кинетику ферментативных реакций.
4.3. Кинетика простых ферментативных реакций
Превращение субстрата S в продукт P в одностадийном процессе:
;
— свободный фермент,
-
ФСК.
Для простоты
пренебрегают
обратной
реакцией. Далее S,
P,
—будут концентрациями субстрата,
продукта и фермент-субстратного
комплекса без скобок [ ].
Кинетические уравнения имеют вид:
Общая концентрация фермента постоянна:
Из (19) и (20), исключая , получим:
Система при S>>E
находится в стационарном состоянии,
где
и. Тогда из (21) получим
а из (19):
.
v
—скорость реакции. Разделим на
числитель и знаменатель:
Уравнение (24) называется уравнением Михаэлиса-Ментен с константой Михаэлиса:
(24а)
Зависимость v(S) подобна изотерме Ленгмюра:
Рис.7. Кривая Михаэлиса-Ментен.
т.е.
При
,
,
т.е. константа
Михаэлиса — это концентрация субстрата,
при которой скорость реакции равна
.
Преобразовав (26), получим:
Строя график 1/v
от 1/S,
находим
по точке пересечения прямой с осью
ординат и
— по наклону прямой.
Рис.8. Сравнение модели Михаэлиса-Ментен и положительной кооперации.
Различные модификаторы (ингибиторы или активаторы) изменяют скорости реакции. Например, при ингибировании — это может происходить посредством неконкурентного ингибирования, (неактивный комплекс образуется при взаимодействии ФСК с ингибитором), или посредством конкурентного ингибирования (тут фермент наряду с ФСК образует еще и неактивный комплекс с ингибитором).
Конкурентный тип ингибирования
,
- неактивный
комплекс, I
- ингибитор
т.е. фермент дает и по одной цепи, и по другой
; 
.
В случае конкурентного ингибирования растет.
Рис.9. Зависимость 1/V от 1/[S] при конкурентном,
неконкурентном ингибировании и без ингибитора вовсе.
2. Неконкурентный тип ингибирования:
; 
,
не меняется, т.к. такой ингибитор не мешает образованию ФСК (Рис.8.).
Ингибирование по типу отрицательной обратной связи схематически выглядит следующим образом:
При исследовании
ферментативных реакций был установлен
"компенсационный
эффект". Изменения
энтальпии ∆H
в процессах, протекающих в водных
растворах, часто пропорциональны
изменениям энтропии ∆S.
То же относится и к активационным
параметрам:
пропорционально
.
Ламри предположил, что этот эффект
определяется свойствами
:
изменение конформации белка, сопровождаемое
вытеснением
из активной полости глобулы, вызывает
перестройку окружающей водной структуры.
Активационные параметры ( , ) сильно зависят от pH и ионного состава среды. При этом уравнение Аррениуса может не выполняться, т.к. глобула испытывает структурные перестройки, зависящие от T. И объяснение "компенсационного эффекта" может быть иным.
Зависимость ферментативной активности от pH определяется полиэлектролитной природой фермента.