Ферментативный катализ

Ферментативными реакциями называются такие химические процессы в биологических системах, скорость которых регулируется веществами биологического происхождения. Это белковые молекулы, называемые ферментами или энзимами.

Ферментативный катализ играет огромную роль в жизнедеятельности организма. Широкое применение получили ферментные препараты при нарушениях функции желудочно-кишечного тракта, связанных с недостаточной выработкой пищеварительных ферментов (пепсин, панкреатин). При ожогах, гнойных ранах, гнойно-воспалительных заболеваниях легких, когда необходимо разрушить накопившиеся в большом количестве белковые образования, применяются протолитические ферменты, приводящие к быстрому гидролизу белков и способствующие рассасыванию гнойных скоплений. Для лечения инфекционных заболеваний используются препараты лизоцина, которые разрушают оболочку некоторых болезнетворных бактерий. Очень важные ферменты, которые рассасывают тромбы (сгустки крови внутри кровеносных сосудов) – плазмин, трипсин, химотрипсин, на их основе с разными добавками созданы различные лекарственные препараты – стрептокиназа, стрептаза, и т.п., широко применяемые в медицине.

Выделения ферментов в особый класс катализаторов обусловлен особыми свойствами этих веществ:

1) высокая специфичность;

2) эффективность действия;

3) биологические катализаторы образуются и разрушаются в процессе жизнедеятельности организма.

По своей каталитической активности биологические катализаторы в тысячи раз превышают неорганические. Специфичность действия связана с особенностями структуры фермента и субстрата. Одни части каталитической системы выполняют функции, главным образом связанные с пространственной организацией системы, другие в этой организационной системе осуществляют собственно катализ. Т.е., как и при неферментативном катализе, в каталитической реакции участвует не вся белковая молекула в целом, а лишь определенные ее участки – активные центры фермента.

Простейшая схема ферментативного катализа включает обратимое образование промежуточного комплекса фермента (Е) с реагирующим веществом (субстратом S) и разрушение этого комплекса с образованием продуктов реакции (Р):

.

При условии, что k₃>>k₁ , с учетом уравнения материального баланса [E]=[E₀]-[ES] (индекс «0» означает начальную концентрацию) получаем уравнение Михаэлиса-Ментен. В уравнении скорость образования продукта выражена через начальную концентрацию фермента и текущую концентрацию субстрата:

,

где w_max=k₂[E₀] – максимальная скорость реакции;

- это константа Михаэлиса.

Анализ уравнения Михаэлиса-Ментен

Константа Михаэлиса равна концентрации субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной скорости. Она характеризует специфичность фермента по отношению к субстрату (чем меньше, тем специфичнее). Типичные значения K_M от 10^-6 до 10^-1 моль/л.

Константу скорости k₃ иногда называют числом оборотов фермента.

Число оборотов фермента - число молекул субстрата, которые превращаются на активном центре фермента в единицу времени (обычно от 10 до 10⁸ мин^-1).

Уравнение Михаэлса можно записать в линейных координатах:

.

Для определения параметров уравнения K_M и w_max проводят серию измерений начальной скорости реакции от начальной концентрации субстрата и представляют экспериментальные данные в координатах 1/w₀ – 1/[S₀].

Течение химических реакций может быть заторможено присутствием некоторых веществ. Ингибиторы ферментативного катализа, способны образовывать комплексы с ферментом или фермент-субстратным комплексом.

Приложение 3: Тренировочный тест

1. Какое уравнение позволяет математически точно описать влияние температуры на скорость химической реакции?

а) Аррениуса;

б) Гиббса;

в) Вант-Гоффа;

г) Ньютона.

2. Какие реакции называют сложными?

а) реакции, которые сложно понять;

б) реакции, протекающие в несколько стадий;

в) реакции, протекающие в одну стадию;

г) реакции, которые идут с малой скоростью.

3. Схема, описывающая метаболизм лекарства в организме в фармакокинетике.

а) моча→желудок→кровь

б) кровь→желудок→моча

в) желудок→кровь→моча

г) желудок→ моча

4. Что такое субстрат?

а) это продукт реакции;

б) это вещество, образующееся в промежуточных стадиях;

в) это вещество, вступающее в реакцию;

г) это вещество, вступающее в реакцию только при наличии химической индукции.

5. Что такое параллельные реакции? Схема их записи.

а) это сложные реакции, в которых продукт первой стадии вступает в реакцию второй стадии и т.д. до образования конечного продукта. А→В→С

б) это сложные реакции, которые протекают в прямом и обратном направлении с соизмеримыми скоростями

в) это реакции, одна из которых вызывает протекание другой реакции, не осуществляемой в отсутствие первой

г) это сложные реакции, в которых одно и то же вещество участвует в нескольких одновременно протекающих реакциях .

Ответы 1а, 2б, 3в, 4в, 5г

Приложение 4: Ситуационные задачи

Задачи на правило Вант-Гоффа

Задача №1.

С помощью правила Вант-Гоффа вычислить при какой температуре реакция закончится через 15 минут, если при температуре 293 К реакция идёт в течение 2 часов. Температурный коэффициент Вант-Гоффа реакции равен 3. Константа скорости обратно пропорциональна времени.

Ответ: 312 К.

Задача №2.

Температурный коэффициент реакции равен 3,5. Константа скорости k_I при температуре Т_I=15°С равна 0,2 с^-1. Найти k_II при температуре T_II=40°С.

Ответ: 0,009 с^-1.

Задачи на уравнение Аррениуса

.

.

Задача №3.

Скорость бактериального гидролиза мышц рыб удваивается при переходе от Т₁= -1,1°С до Т₂= 2,2°С. Рассчитать энергию активации этой реакции.

Ответ: 130,6 кДж.

Задача №4.

Константа скорости гидролиза новокаина при Т=313 К равна 6,6∙10^-7 с^-1. Энергия активации этой реакции 55,2 кДж/моль. Сколько процентов новокаина разложится при Т=293 К за 10 дней?

Ответ: 12,5%.

Задача №5.

Срок годности лекарственного препарата при 40°С составляет 1 год. Определить срок годности при температуре 20°С, если предположить, что разложение является реакцией первого порядка, а температурный коэффициент Вант-Гоффа равен 2.

Ответ: 4 года.

Задача №6.

Для определения срока годности порошка папаверина гидрохлорида проведено исследование по методике «ускоренного старения» при температурах 50 и 80°С. Рассчитаны следующие константы: k₅₀=0,52∙10^-3сут^-1 k₈₀=1∙10^-3сут ^-1. Определите срок годности порошка при температуре 20°С.

Ответ: 342,8 суток.

Задачи для решения на занятии.

1) Константа скорости гидролиза новокаина при 313 К равна 0,66 мин^-1, энергия активации реакции равна 55,2 кДж/моль. Какая массовая доля (%) новокаина разложится за 10 дней хранения при 193К?

2) Появление изотопа йода имеет место при авариях на АЭС. Период его полураспада 8 суток. За какое время этот изотоп распадается на 99% ?

3) Во сколько раз увеличится скорость реакции взаимодействия водорода и кислорода 2H₂ + O₂ = 2H₂O, если концентрации исходных веществ увеличить в два раза?

4) Константа скорости химической реакции при 20⁰С равна 1 моль/(л∙сек). Вычислите константу скорости при 60⁰С, если температурный коэффициент реакции равен 3. По размерности Константы скорости определить порядок реакции.

5) Константа скорости распада радиоактивного вещества составляет 0, 00507 (день)⁻¹. Определите по размерности константы скорости, порядок химической реакции и, воспользовавшись соответствующим кинетическим уравнением, определите время (в днях), в течение которого вещество расходуется на 90%.

6) Во сколько раз увеличится скорость реакции при увеличении температуры на 25⁰С, если γ = 3?

7) Вычислите по правилу Вант-Гоффа, во сколько раз увеличится скорость химической реакции при увеличении температуры на 20⁰С, если γ = 2,8.

8) Константа скорости реакции при 300К равна 0,02, а при 350К равна 0,6. Определите энергию активации этой реакции?

9) Для реакции:

C₅H₅N + CH₃I → [C₅H₅NCH₃] I При 315К k = 0,035 (моль /л)⁻¹ мин⁻¹ При 323К k = 0,059 (моль /л)⁻¹ мин⁻¹ Вычислите энергию активации?

10) Константа скорости необратимой реакции 1-го порядка равна k = 2,06 ∙10⁻³ мин⁻¹. Определите, сколько % исходного вещества разложится за 25 минут?

11) Для реакции разложения N₂ O₅ при разных температурах получены следующие данные: T⁰C 45 65 k_I, с^-1 4, 98 ∙10^-4 4,87 ∙ 10^-3 Рассчитайте величину k_I при t = 50⁰С.

12) Константа скорости реакции

При t₁ = 9,4⁰с k₁ = 2,37;

При t₂ = 14,4⁰С k₂ = 3,204. Рассчитайте температурный коэффициент скорости реакции.

13) Для необратимой реакции 2-го порядка: CH₃COOC₂H₅ + CH₃COONa + C₂H₅OH K_II = 5,4 (моль/л)^-1 * мин^-1. Исходные концентрации эфира и щелочи одинаковы и равны 0,02 моль/л. Какова будет концентрация исходных веществ через 10 минут после начала опыта?

14) При хранении таблеток амидопирина было установлено, что при 80°С и 90°С константы скорости разложения соответственно равны 1,61∙10^-6с^-1, 4,2∙10^-6с^-1. Определите срок хранения таблеток (время разложения 10-ти % вещества) при 20°С.

15) Константа скорости химической реакции при 20⁰С равна 1 моль/л∙сек. Вычислите константу скорости при 60⁰С, если температурный коэффициент реакции равен 3. По размерности Константы скорости определить порядок реакции.

16) Для определения срока годности порошка папаверина гидрохлорида проведено исследование по методике «ускоренного старения» при температурах 50 и 80°С. Рассчитаны следующие константы: k_50°С=5,2∙10^-4 сут ^-1, k_80°С. =1,0∙10^-3 сут ^-1. Определите срок годности порошка при температуре 23°С.

17) Для реакции разложения N₂O₅ при разных температурах получены следующие данные:

T⁰C 45 65

k_I, с^-1 4, 98 ∙10^-4 4,87 ∙ 10^-3

Рассчитайте величину k_I при t = 50⁰С.

18) Константа скорости реакции при 300К равна 0,02, а при 350К равна 0,6. Определите энергию активации этой реакции?

19) Вычислите по правилу Вант-Гоффа, во сколько раз увеличится скорость химической реакции при увеличении температуры на 20⁰С, если γ = 2,8.

20) Для реакции:

C₅H₅N + CH₃I → [C₅H₅NCH₃] I

При 315К k = 0,035 (моль /л)⁻¹ мин⁻¹

При 323К k = 0,059 (моль /л)⁻¹ мин⁻¹

Вычислите энергию активации?

21) Константа скорости реакции

при t₁ = 9,4⁰С k₁ = 2,37;

при t₂ = 14,4⁰С k₂ = 3,204.

Рассчитайте температурный коэффициент скорости реакции.

1. При температуре 0°С гранула железа растворяется в соляной кислоте за 20 минут. Если температурный коэффициент γ = 2, то такой же кусочек железа растворится при t=20°С за 5 минут.

2. Уравнение Аррениуса может быть записано в виде к=к₀е^-(Ea/RT).

29