 |
Задачи и упражнения для самостоятельного решения
|
|
|
|
1. Для обратимой реакции первого порядка
А В
константа равновесия K = 10, а k 1 = 0,2 с–1. вычислите время, при котором концентрации веществ А и В станут равными, если начальная концентрация вещества В равна 0.
(Ответ: 3,6 с)
2. Превращение роданида аммония NH4SCN в тиомочевину (NH2)2CS – обратимая реакция первого порядка. Рассчитайте константы скорости прямой и обратной реакций, используя следующие экспериментальные данные:
| t, мин | ∞ | |||||
| Доля NH4SCN, % | 2,0 | 6,9 | 10,4 | 12,3 | 13,6 | 23,2 |
(Ответ: k 1=3,09·10–3 мин–1, k– 1=1,02·10–2 мин–1)
3. В параллельных реакциях первого порядка
выход вещества В равен 53%, а время превращения А на 1/7 равно 40 с. Найдите k 1 и k 2.
(Ответ: k 1=5,4·10–3 с–1, k 2=4,8·10–3 с–1)
Ферментативный катализ
Практически все биохимические реакции как у простейших одноклеточных, так и у высших – животных и растений, носят каталитический характер. В качестве катализаторов этих биохимический реакций выступают вещества белковой природы, вырабатываемые клетками живых организмов, – ферменты (от лат. fermentum – закваска). Регуляция обмена веществ на клеточном уровне осуществляется путем регуляции скорости синтеза, концентрации и каталитической активности ферментов, выполняемой при участии генов.
Следует отметить две характерные особенности ферментов в сравнении с обычными катализаторами:
· они проявляют каталитическую активность в нормальных условиях температур, давлений и кислотности среды;
· обладают высокой специфичностью, избирательно ускоряя только вполне определенные биохимические реакции.
Ферменты часто называют биологическими катализаторами. Высокая организованность процессов ферментативного катализа определяется особенностью взаимодействия в живом организме, связанной с особым сочетанием молекулярного строения ферментов и субстрата – реагирующей молекулы.
|
|
|
Молекула фермента имеет полярные группы COOH, NH2, NH, OH, SH, а также гидрофобные группы. Первичная структура фермента обусловливается порядком чередования различных аминокислотных остатков. В результате теплового хаотического движения макромолекула фермента изгибается и свертывается в рыхлые клубки. Между отдельными участками полипептидной цепи возникает межмолекулярное взаимодействие, приводящее к образованию водородных связей. Возникает вторичная рыхлая структура фермента. Для каждого фермента вторичная структура индивидуальна. В активный каталитический центр фермента входят группы, которые ориентируют молекулы субстрата в определенном положении. Механизм ферментативного катализа состоит во взаимодействии активных центров фермента с субстратом с образованием фермент-субстратного комплекса, который претерпевает затем несколько превращений, в результате которых появляются продукты реакции. Простейшая схема ферментативного катализа описывается реакцией:
,
где ki – константы скоростей реакций.
Начальная скорость в этой простейшей кинетической схеме ферментативной реакции зависит от концентраций фермента и субстрата в соответствии с уравнением Михаэлиса – Ментен:
 ,
| (289) |
где 
– начальная скорость ферментативной реакции, рассчитываемая по скорости образования продукта Р, моль/(л∙мин)); [E]0 и [S]0 – исходные концентрации фермента и субстрата, моль/л; k 2 – константа скорости реакции образования продуктов при диссоциации фермент-субстратного комплекса, мин–1; K М– константа Михаэлиса, моль/л; 
– максимальная скорость реакции (при бесконечно большой концентрации субстрата).
Константа Михаэлиса равна концентрации субстрата, при которой начальная скорость реакции равна половине максимальной скорости:
|
|
|
| (290) |
Константы скорости реакции и константа Михаэлиса зависят от природы веществ, участвующих в ферментативной реакции, и от температуры.
Константа Михаэлиса характеризует специфичность фермента по отношению к субстрату (чем меньше, тем фермент специфичнее). Типичные значения K М – от 10–6 до 10–1 моль/л.
Уравнение (289) можно линеаризировать и записать в других координатах, удобных для обработки экспериментальных данных:
 .
| (291) |
Примеры решения задач
1. Гидролиз N -глутарил- L -фенилаланин- п -нитроанилида (GPNA), далее – S, в присутствии фермента α-химотрипсина (ХТ) приводит к образованию двух продуктов: п -нитроанилина и N -глутарил- L -фенилаланина. Используя зависимость начальной скорости реакции от концентрации субстрата
 , М
| 2,5 | 5,0 | 10,0 | 15,0 |
 , моль/(л∙с)
| 3,7 | 6,3 | 9,8 | 11,8 |
определите K М, 
и k 2, если начальная концентрация фермента равна 4·10–6 моль/л.
Решение:
Для нахождения K М, и k 2, необходимо использовать линеаризованную форму уравнения Михаэлиса – Ментен (уравнение (289)):
.
Для построения графической зависимости (рис. 60) обратной величины начальной скорости реакции от начальной концентрации субстрата необходимо рассчитать 
и 
. Полученные данные вносим в таблицу:
 , М
| 0,4 | 0,2 | 0,1 | 0,067 |
 , моль/(л∙с)
| 0,27 | 0,16 | 0,10 | 0,085 |
Рис. 60. Зависимость обратной величины начальной скорости реакции от начальной концентрации субстрата
По графику определяем значение коэффициента b, как ординату точки, лежащей на прямой, у которой абсцисса равна 0 (х = 0):
;
Определяем константу Михаэлиса:
Используя соотношение , находим:
|
|
|
