Лекции / 7. кінетика і термодинаміка процесів Документ Microsoft Office Word (2)

. Поняття ферментного каталізу. Уплив температури на швидкість біохімічних реакцій

• живому організмі відбувається величезна кількість оборотних ланцюгових реакцій: гідроліз, розщеплення хімічних зв’язків, утворення нових речовин, ізомеризація, перенесення електронів та протонів тощо. Великих швидкостей біохімічних реакцій неможливо досягти простим збільшенням температури чи тиску. Пришвидшення хімічних перетво-рень у клітині виникає внаслідок функціонування природних каталіза-торів – ферментів, які працюють під дією фізіологічних температур, іонних сил та кислотності.

Деякі особливості характеризують функціонування білків-ферментів. Перша надзвичайно важлива особливість роботи фермен-

тів – це ефективність їхньої каталітичної дії. Каталізовані ферментами реакції перебігають зі швидкостями в 10⁸…10¹⁵ раз більшими, ніж від-повідні некаталізовані реакції. Друга особливість ферментів визначаєть-ся їхньою високою специфічністю дії на один тип субстратів.

За термодинамічним підходом основна функція ферментів зво-диться до зниження енергетичних бар’єрів хімічних реакцій, які досить великі внаслідок неферментативних перетворень. Наприклад, неферме-

нтативне розщеплення перекису водню відбувається з великою енергією активації, Е_а = 75 кДж/моль. За участю ферменту каталази енергетичний бар’єр знижується до 8 кДж/моль, унаслідок чого швидкість цієї реакції збільшується в 3^.10¹¹ разів.

Комп’ютерне моделювання динаміки структури алкогольдегідроге-нази показало [92], що перехід цього ферменту з відкритої конформації

• закриту супроводжується обертанням доменів навколо гнучкого «шар-ніра» на 30°. Якщо б домени мали абсолютно жорстку структуру, то для їх обертання і зближення необхідно було б переборювати великий енер-гетичний бар’єр – близько 4200 кДж/моль. За фізіологічних температур

111

теплової енергії атомів недостатньо для здолання такого бар’єра. Але повільне обертання доменів супроводжується швидкими флуктуаціями атомної структури, внаслідок чого енергетичний профіль обертання стає більш пологим і теплової енергії вистачає для створення великомасштаб-ного зміщення доменів.

Таким чином, невеликі високочастотні (пікосекундні) флуктуації білкової структури відіграють важливу роль у великомасштабних по-вільних (понад 10^–9 с) зміщеннях доменів. Динаміка білкової структури має вирішальне значення у ферментному каталізі.

Кінетика ферментативних реакцій вивчає механізми та закономір-ності перебігу хімічних реакцій в часі залежно від концентрації реагую-чих речовин та умов їх здійснення (температури, тиску, кислотності то-що). Кількісною характеристикою, за якою описуються кінетичні процеси, є швидкість реакції .

Нехай перебігає проста хімічна реакція А + В → Р. Тоді швидкістю

реакції  є зміна в часі концентрації продуктів реакції [Р]:

Кінетичне рівняння для цієї реакції має вигляд:

• 

4. P

dt

.





k



A

2. 

,

де k – константа швидкості реакції.

Швидкість хімічної реакції, яка спостерігається на початку реакції, коли не відбулося суттєвих змін концентрації реагуючих речовин, нази-вається початковою швидкістю хімічної реакції _0. У загальному випад-ку швидкість реакції залежить від концентрації реагуючих речовин:

• = k^.[X]^m,

де m – порядок реакції. Залежно від значення m реакції можуть бути: нульового порядку, m = 0 (швидкість не залежить від концентрації реа-гуючих речовин:  = k = const); першого порядку, m = 1:  = k[X]; друго-го порядку, m = 2 і т. д.

Концентрація [А] зменшується за законом

112



•  d A dt



k



A

.

Реакції третього і вищих порядків відбуваються рідко.

Константа k є однією з важливих кінетичних характеристик. Вона відображає частоту активних зіткнень молекул реагуючих речовин. Ро-змірність k для реакції першого порядку – с^–1, для реакції другого по-рядку – моль^–1.с^–1.

Швидкість хімічних реакцій значно залежить від температури і в за-гальному вигляді можна подати так:  = k(T)^.C^m, де k(Т) – константа швидкості реакції, яка залежить від температури; С – концентрація; m – порядок реакції.

Ареніус запропонував емпіричну залежність швидкості реакції від температури:

		E
k  Ae		a
		RT	,

де Е_а – енергія активації (енергетичний бар’єр, який переборюють моле-кули для перебігу реакції); А – передекспоненційний множник.

Передекспоненційний

множник

Е

δ

А – це частота зіткнень реагуючих мо-

лекул. Тоді експоненційний множник

Х*

Еλ

(множник Больцмана) визначає частку

ефективних зіткнень, які призводять

до хімічної реакції (рис. 3.5).

Теорія

абсолютних швидкостей

r

реакцій, на відміну від теорії зіткнень,

А+В

Х*

P+Q

розглядає

хімічну реакцію

як

склад-

Рис. 3.5. Енергетична крива хімічної

ний багатоступеневий процес взаємо-

реакції: Е – енергетичний рівень;

дії ядер та їхніх електронних оболо-

Еа – енергія активації; r – координата

нок, а не просто зіткнень

двох

реакції; X* – активований комплекс

«кульок» [94]. За теорією абсолютних швидкостей реакцій перехід реа-гуючих молекул у продукти реакції здійснюється через проміжний стан

113

зі збільшеною енергією, який називають активованим комплексом. Утворення такого комплексу лімітує швидкість проходження будь-якої хімічної реакції.

За теорією перехідного стану швидкість реакції визначається швид-кістю проходження через вершину потенціального бар’єра (рівняння Ейрінга):

						
K					X *			.
	p						
				A		B

Теплова енергія kT реагуючих молекул за температури T = 300 К становить 2,5 кДж/моль, тим часом як енергія активації Е_а для багатьох хімічних реакцій – понад 100 кДж/моль.

За теорією Крамерса, яка ґрунтується на моделі руху через бар’єр під дією випадкової сили, стала швидкості реакції буде такою:

 A 			E
			a
k T ,   	e			,
			kT


де  – в’язкість мікросередовища.

Теоретична і математична біофізика розглядає теоретичні основи біофізики, зокрема, питання кінетики і термодинаміки, здійснює математичне моделюванн біологічних процесів, структури та властивостей окремих макромолекул і субклітинних утворень (макромолекулярних комплексів);

Квантова біофізика