Н.М. Эмануэль, Д.Г. Кнорре - Курс химической кинетики (1134457), страница 70
Текст из файла (страница 70)
Система кинетических уравнений (Ч1.18) может быть приведена к одному кинетическому уравнению, если можно считать квазистационарной концентрацию промежуточной формы катализатора Е'. В' этом случае ка [За! [Е) = ка [За) [Е'1 и, с учетом (Ч1,19). [Е'1 еа 1 + са [5а)/(еа [5»)) ' Поскольку процесс в квазистационарном приближении представлен одним маршрутом, то скорость накопления Ра может быть (Ч).! Я) (Ч).26! 326 На этом примере видны некоторые важнейшие черты, свойственные большому числу ферментов.
Во-первых, катализатор имеек как бы два центра — связываюи(ий (контактный) и собственно каталитический. Один из них, представленный в рассмотренном случае протонированиой гуаиидиновой группой и тремя гидрофоб- ными радикалами, обеспечивает образование комплекса фермент— субстрат (связывание субстрата ферментом), в результате чего расщепляемая связь направляется на каталитический центр. Собственно каталитический центр представлен в рассмотренном случае ионом цинка и оксигруппой тирозина.
Во-вторых, на этом примере видны структурные основы высокой специфичности ферментов, в частности стереоспецифичиости. Так, если бы С-концевая аминокислота была О-изомером, то в рассматриваемом случае в сторону каталитического центра оказался бы направленным атом Н, а не группа — ИН вЂ СΠ†, и каталитический процесс не смог бы произойти. Из изложенного ясно также, почему фермент катализирует разрыв пептидной связи именно С-концевой аминокислоты и имеет преимущественное сродство к остаткам ароматических аминокислот.
Действительно, именно взаимодействие заряда концевой карбоксильиой группы и наличие гидрофобного ароматического остатка обеспечивает взаимодействие субстрата с контактным центром фермента, которое обеспечивает нужную ориентацию гидролизуемой связи относительно каталитического центра. аа )5а) ео '+Ьа!5а!)А!5!) ' или, с учетом (Ч1.20), в виде (Ч!.21) ЬаЬФо [5»1 ([5а! — !5 )о+ 15»)о) Ф ([5а)о — [5а)а)+((аа+ Ь ) !5а) ' Если Уг, [Ва] а ка [541, т. е.
или промежуточная форма катализатора Е' много более реакционноспособна, чем исходная, или концентрация второго субстрата намного превышает концентрацию первого, (Ч1.2!) преобразуется к виду о са [5а) ео т. е. первая стадия становится лимитирующей. Например, кинетическое уравнение реакции окисления Чаа ионами Ге", катализиру* емой ионами Сп", в результате последовательности стадий Чае+ Со»» — Ча»+ Саа Со» -[- Реа+ -а. Реа++ Сиа» имеет вид о с [Ча+! [Соа+), поскольку взаимодействие ионов Ч"' с ионами Спа' является лимитирующей стадией всего процесса. Если катализатор образует комплекс с субстратом (в общем случае с несколькими субстратами), простейшая схема каталитического процесса может быть записана в виде (Ч,ЗО) Е+5 .. Е5 (до е а) (Ч1.22) Е5-»Е+Р (Аа) Этот тип катализа наиболее характерен для катализа ионами металлов и их комплексамн, а такмае для ряда реакций, катализируемых ферментами.
Кинетика реакции, протекающей по схеме (Ч!.22) и включающей стадию образования комплекса катализатор — субстрат, описывается двумя кинетическими уравнениями: о~аз~ =А, [Е) [5) — Ф а !Е5! — Ла [Е5), (Ч).23) о(о1= еа [Е5! (Ч! .24) и двумя уравнениями материального баланса; [Е) [- [Е5! = еа 15!+ [Е5) + !Р) = 15!а. (Ч[.25) (Ч(.261 Обычно процесс рассматривается в квазиравновесном или квази- стационарном приближении. В квазиравновесиом приближении предполагается, что равновесие образование — диссоциация комплекса катализатор †субстр обозначена как скорость процесса в пелом и первое уравнение системы (Ч1.18) можно записать в виде о = «х [Е5! = =1+К1/а' (чедт! з р 2 1 3 д( 2 1 Рес.
88. Заеоскчость скоростк разложения гпдрояерекксп тетралпна, каталкзкрояаккого стеаратом кобальта (1.Ю ' М), от концеетрапяц субстрата(подаеяым И.Г!.Сккбпды) или, при э=г е„ =«х [Е51= «хее «,-]-«, 1 ' «1 5 (ч! до) к, — = — + — „—, илп о и о т' тПХХ П1аХ о — к хпхх М не нарушается образованием продукта реакции. Это эквивалентно допущению, что константа скорости диссоциации комплекса много больше константы скорости его превращения в продукт: /т г~ь йх. Пусть К, = й 1//тх — константа диссоциации комплекса.
Тогда [Ц [31/[ЕЯ = К, н, с учетом (Ч1.25), ее '+К11'[Е5! ' Как правило, при катализе ионами металлов и ферментами концентрация катализатора мала по сравнению с концентрацией субстратов и концентрация свободного (не связанного в комплекс) субстрата [5! практически не отличается от полной концентрации субстрата з. Тогда В соответствии с этим уравнением скорость реакции возрастает с ростом концентрации субстрата по гиперболическому закону, стремясь к предельному значению (Ч!.28) Формально такое же выражение получается и в квазистационарном приближении.
В этом случае (Ч).23) приводится к виду «1 [5) ]Е] — «1 [Е5! — «х [85) =-О, (УЕ29) откуда, с учетом (Ч!.25), «, [5! ее «1 [5! + (« ..1+ «х) ' Единственным отличием (Н1.30) от (Ч].27) является замена константы диссоциации комплекса катализатор — субстрат К, на более сложную константу к -1+ а м= (Ч!.81) которая впервые была введена для реакций, катализиртгемых ферментами, и носит название константы Михаэлиеа.
Используя (Ч1.28) и (Ч1.31), можно привести (Н].30) к виду аж ах ! -]-К,'з ' Это уравнение известно как уравнение М ихаэлиса и широко используется прежде всего в кинетических-исследованиях реакций, катализируемых ферментами. Однако оно в равной мере применимо для любого случая катализа, происходящего по механизму образования комплекса катализатор †субстр. В качестве пркчера па рпс 88 приведена зависит!ость скорости разложенпя 'гидроперекпси тетралина до кетонэ (тетралона) н воды, ьатализпрованного стеаратом кобальта: оон о л + но 2 Видно, что скорость возрастает не пропорционально концентрация субстрата, а стремится к предельному значению.
0 005 О! 015 1.М О 2 4 б 8 (пдх) !01, а-1 Ркс. 89. Зааяскмость скорости каталята пеского разложения гидроперекпсп тегралина от кокцектрацкя субстрата а коордакатах о, о/а (по дакпьш рес. 88) Из зависимости 0 от 5 с помощью (Ч!.32) нетрудно определить величины Км и 0,„, а если известна молярная концентрация катализатора, то и константу скорости й,. Для этого обычно представляют данные в виде зависимости, линейной по искомым параметрам! На рис. 89 в координатах о, 0/э приведены данные рпс.
88. Они удовлетворительно укладываются на прямую линию, причем отрезок, отсекаемый на оси ординат,дает о „„=4,4 1О 'М с ', а тангенс угла наклона с учетом различий в масштабах дает Км —— = 0,043 М. Из величины о,„делением на концентрацию катализатора находят йз = 0,44 с '. В тех же координатах на рис. 90 приведены аналогичные данные для реакции окисления циклогексана трет-бутилгидроперекисью, катализируемой комплексом ванадия (Ч) с ацетилацетоном и прн- 829 водящей к образованию эпокснда циклогексена: оо сн Н„С вЂ” С С вЂ” СНх О О с(сн 1 Ф о=ч "о' ' + но ] l '.
о о l нс — с с — сн сн ,сн, НЗС вЂ” С С вЂ” СН3 Ф О О с(сн„), о=ч'""о" /'., ОН О О / Ф НвС вЂ” С С вЂ” СН„ 'СН 330 В этой реакции образование координационной связи гидроперекиси с взнадием поляризует связь Π— О гидроперекиси и облегчает гетеролитическое расщепление этой связи слабым нуклеофнлом цикчогексеном (лимитирующая стадия реакции). Далее следуют быстрые стадии передачи протона от протоннрованной молекулы эпоксида алкоголят-иону, оставшемуся в составе комплекса, и замена в координационной сфере образовавшегося птрегп-бутилового спирта на новую молекулу гидроперекиси.
Экспериментальные данные хорошо укладываются на прямую линию (рис. 90), из параметров которой нетрудно найти о,х = =- 2,8 ° ]О ' М с ! и Км = 0,085 М. В качестве примера реакции, катализируемой ферментами, на рпс. 9! приведена в координатах о, ий зависимость начальной скорости гидролиза аденозинтрнфосз,о фата до аденозиндифосфата и ортофосфата, каталиэируемого ферментом миозином. В этом случае, как сле- 2,0 дуст из приведенной зависимости, и „„=2,3 10 ' М с ', а Кот =-0,0[43М.
Вещества, способные к образова- 1,0 нию комплекса с катализатором, но не способные к каталнтическому превращению, могут препятствовать образованию комплекса катализатор— субстрат и тем самым будут тормо(о'3) 10", с 3 вить каталитическую реакцию. Это явление особенно широко изучено в Рис. 00. Завнснмость скорости рсаьцнн окисления цннлогенсе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
