Г. Кристиан - Аналитическая химия, том 2 (1108738), страница 49
Текст из файла (страница 49)
В этот момент времени соотношение [АДА]с равно -'. Путем подстановки этого в уравнение (22.3) с целью выражения Т „на- '2 ходим, что для реакций первого порядка: 0,693 Ту = (22.4) После того, как реакция пройдет наполовину, половина оставшихся реагентов будет взаимодействовать в течение такого же промежутка времени Т,, и т.
д. Но, '2 так как эта зависимость подчиняется экспоненциальному закону, теоретически для полного завершения реакции требуется бесконечно много времени. С практической же точки зрения реакцию можно считать завершенной (99,9%) после 10 периодов полупревращения. Важно отметить, что период полупревращения, Данное выражение скорости реакции называется кинетическим законом.
Знак минус, помещенный в начале уравнения, означает уменьшение количества вещества А со временем. Величину Й называют константой скорости, которая для данной реакции является величиной постоянной, зависящей от температуры и измеряемой в обратных единицах времени, с '. Порядок реакции определяют как сумму показателей степеней, в которые возведены концентрации в выражении для скорости. Таким образом, скорость реакции первого порядка зависит только от концентрации вещества А. Уравнение (22.2) называют дифференциальной формой кинетического закона для реакций первого порядка. Интегральная форма уравнения имеет вид: ГЛАВА 22.
КИНЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА 266 а значит, и общее время протекания реакции, в реакциях первого порядка не зависят от концентрации. Одним из характерных примеров реакций первого порядка является радиоактивный распад. Реакции второго порядка Рассмотрим следующую реакцию: (22.5) А + В -+ Р Скорость данной реакции равна скорости расходования как вещества А, так и ве- щества В. Если экспериментально найдено, что (22.6) [А) о — [А) [А)о[А) (22.7) Если же, [А]о и [В)о различны (22.8) В случае, когда концентрация одного из реагентов, например В, намного превосходит концентрацию остальных веществ, но при этом его концентрация в ходе реакции меняется несущественно, уравнение (22.6) сводится к уравнению для реакции первого порядка; — — = /с'[А) ИА й (22.9) где /с' = А[В), при этом интегральная форма принимает вид: 2,303 [А]о [В)о [А) (22.10) то, рассматриваемая реакция имеет первый порядок по отношению к [А) и к [В) и второй порядок в целом (сумма показателей степеней при концентрациях равна двум).
Константа скорости реакции в данном случае имеет размерность обратных единиц времени и концентрации, например, с ГМ '. Интегральная форма уравнения (22.6) зависит от того, равны ли начальные концентрации А и В ([А)о и [В)о). Если они равны, уравнение имеет вид: 22.2. ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ 267 Поскольку [В]„постоянна, уравнение (22.10) идентично уравнению (22.3). Такие реакции называют реакциями псевдопервого порядка. Период полупревращения для реакции второго порядка, в которой [А]с = [В] равен 1 /с[А]~ (22. 11) Таким образом, в отличие от реакций первого порядка период полупревращения реакций второго порядка зависит от начальной концентрации. Далеко не всегда реакция между веществами А и В имеет второй порядок.
Куда более распространенными являются реакции с дробными порядками. Например, реакция вида 2А -ь В -+ Р может иметь как третий (скорость пропорциональна [А]2[В]), так и второй (скорость пропорциональна [А][В]) или же более сложный (даже дробный) порядок. Время протекания реакции Время полного протекания реакции будет зависеть от константы скорости А и, в случае реакций второго порядка, от начальных концентраций. Реакции первого порядка протекают практически мгновенно при значениях А > 10 с ' (99,9% превращения менее чем за 1 с).
Если же lс < 1О-з с-', время, соответствующее 99,9% превращения, превосходит 100 мин. Хотя предсказание времени реакций второго порядка является более сложной задачей, их зачастую можно считать мгновенными при значениях /с больше 10з — 1 04 с 'М '. Если же А < 1О-' с-'М-', то для завершения такой реакции потребуется несколько часов. Ферментативный катализ 22.2. Ферментативная кинетика Для описания скорости ферментативных реакций можно использовать простую модель. Так, типичную ферментативно-каталитическую реакцию можно пред- ставить следующим образом: Ферментами называют особые природные белки, которые с высокой эффективностью ускоряют специфичные реакции.
Относительная молекулярная масса ферментов обычно составляет от 10000 до 20000. Эти природные катализаторы неразрывно связаны с биохимическими реакциями организма и процессами жизнедеятельности. Определение некоторых ферментов в организме человека играет важную роль в диагностике заболеваний. Но помимо зтого ферменты оказались чрезвычайно полезными для определения субстратов — веществ, реакции с участием которых ускоряются данными ферментами. ГЛАВА 22. КИНЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА 258 (22.12) где Š— фермент, Я вЂ” субстрат, ЕЯ вЂ” активированный комплекс, образование которого приводит к снижению энергетического барьера реакции, Р— продукт (продукты) и /с — константы скорости для каждой стадии. Фермент образует комплекс с субстратом, который затем распадается с образованием продукта реакции (рис. 22.1).
Скорость реакции Я прямо пропорциональна концентрации комплекса, а следовательно — концентрации субстрата и фермента. (22,13) Если допустить, что константы /г, и А намного больше )г, то скорость реакции будет определяться скоростью распада активнрованного комплекса. Зависимость скорости ферментативно-каталитической реакции от концентрации субстрата приведена на рис. 22.2. Фермент характеризуют каталитическим числом (или числом каталитических циклов, или кругооборотным числом* ), т.
е. количеством молекул субстрата, с которыми он может вступать в реакцию с образованием комплекса в единицу времени с последующим превращением (конвертацией) до продуктов реакции. До тех пор, пока концентрация субстрата достаточно мала по сравнению с концентрацией фермента и не превышает каталитическое число фермента, скорость реакции прямо пропорциональна концентрации субстрата и имеет первый порядок по субстрату [см. уравнение (22.13)1.
Если при этом концентрация фермента остается постоянной, то результирующая реакция имеет первый порядок, а ее скорость прямо пропорциональна концентрации субстрата, т. е. А[Е) = сопи[ в уравнении (22. 13). Эта закономерность служит основой для определения содержания субстратов". Однако в случае, Субстрат Продукты реакции Рис. 22.1 Механизм ферментативной активности.
[1Э. Се)а, Национальный институт генома человека (ьчи а,пЬВп',шЗнйоч). Приводится с официального разрешения) Фермент Ферментно-субстратный комплекс Кругооборотиое число, дословимй перевод с английского, в последнее время все чаще используется среди биохимиков. — Прим. перев. Концентрацию субсгратов не нужно определять по скорости реакции. Лучше подождать полного заверше- ния реакции, когда субстрат будет полностью конвертирован до продутпов реакции, и воспользоваться данными о концентрации продукта реакции до и после реакции. Более детальное описание каждой из этих методик приведено ниже в разделе, посвященном определению ферментов и их субстратов. 22.2.
ФЕРМВНТАТИВНо1Й КАТАЛИЗ 259 Рис. 22.2 Зависимость скорости фермеитативио-каталитической реакции от концентрации субстрата. При высоких концентрациях, когда фермент становится насыщенным по отношению к субстрату, скорость реакции достигает своего максимального значения и далее не изменяется ввиду постоянства [ЕВ) — см, уравнение (22.13) й о ст .О о тэ Концентрация субстрата когда количество субстрата превосходит каталитическое число присутствующего фермента, последний приходит в состояние насыщения по отношению к присоединяемым молекулам и скорость реакции достигает своего максимального значения.
С этого момента скорость реакции перестает зависеть от концентрации субстрата, таким образом порядок реакции становится псевдоиулевым при постоянной концентрации фермента (см. рис. 22.2). В этом случае [ЕБ1 в уравнения (22.13) становиться величиной постоянной и )т = сопзк Когда фермент насыщен по отношению к субстрату, реакция имеет первый порядок по отношению к ферменту, т.
е. А[Я] = сопзг в уравнении (22.13). Поскольку зависимость между его концентрацией и скоростью реакции будет линейной, зто является основой для определения концентрации фермента. Но так как субстрат расходуется в процессе реакции, то для того чтобы реакция имела нулевой порядок по отношению к нему в течение всего времени реакции (т. е. в случае, когда фермент остается насыщенным), субстрат должен присутствовать в заведомо высокой концентрации. С течением времени при высоких концентрациях фермента последний станет доступен для связывания с находящимся в недостаточном количестве субстратом, и график зависимости примет вид, изображенный рис. 22.2.
Свойства Ферментов Скорость ферментативных реакций зависит от множества факторов, включая температуру, рН, ионную силу и т. д. С увеличением температуры скорость реакции сначала будет возрастать. Но по достижении определенной температуры активность фермента снизится, поскольку, будучи белковой молекулой, он подвергнется денатурации (свертыванию), которая заключается в разрушении третичной структуры фермента по мере разрыва водородных связей.
(Аналогичным образом денатурирует белок яйца при его приготовлении.) Важную роль в каталитическом механизме фермента играет его стерическая природа. Большинство ферментов животного происхождения подвергаются денатурации при температурах выше 40 'С. Как и в случае других каталитических реакций, изменения температуры в условиях анализа на 1 — 2 'С могут привести к ускорению скорости реакции на 10 — 20%. Поэтому при измерениях параметров ферментативных реакций важно контролировать температуру. 260 ГЛАВА 22. КИНЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА Ферменты следует хранить при температурах не превышающих 5 'С, поскольку они подвержены постепенной денатурации со временем даже при относительно низких температурах. Некоторые ферменты теряют активность при замораживании.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
