В.В. Еремин, И.А. Успенская, С.И. Каргов, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин. Основы физической химии (1134485), страница 56
Текст из файла (страница 56)
Чем больше значение h0, тем сильнее протонирован субстрат. В разбавленном водном растворе все коэффициенты активностии активность воды равны 1, поэтому кислотность совпадает с концентрацией ионов гидроксония: h0 = [H3O+].Логарифм кислотности, взятый с обратным знаком, называют функцией кислотности Гаммета:H0 = –lg h0.Эту величину используют для характеристики кислотности среды вконцентрированных водных растворах, где активности значительно отличаются от концентраций. В разбавленных водных растворах функциякислотности совпадает с водородным показателем: H0 = pH.1Константа Kb соответствует равновесию S + H3O+ R SH+ + H2O.(23.7)Г л а в а 5. Химическая кинетика330Текущая концентрация субстрата связана с его начальной концентрацией уравнением материального баланса: [S]0 = [S] + [SH+].
Учитывая этосоотношение, а также уравнения (23.3) и (23.5), выражаем скорость каталитической реакции через начальную концентрацию субстрата:r = k[S] 0 ,(23.8)где эффективная константа скорости k зависит от кислотности среды h0:k=(23.9)k 2 K b h0.1 + K b h0Измеряя константу скорости в растворах с разной кислотностью,можно определить значения k2 и Kb.Общий кислотный или основной катализ осуществляется кислотами(HA) или основаниями (B) Бренстеда:S + HASH + Bk1+k2-SH + Ak -1k1-+S + BHk -1P + HA - общий кислотный катализ ,k2P+B- общий основной катализ .В этом случае каталитический эффект зависит от природы кислотыили основания, служащих катализаторами. Эта зависимость определяется, главным образом, силой кислоты или основания.
Для реакций общего кислотного или основного катализа с одним и тем же субстратомизвестны корреляционные соотношения Бренстеда между константамискорости каталитических реакций и константами кислотности (Ka) илиосновности (Kb) катализатора:k HA = const ⋅ K aα ,(23.10)k B = const ⋅ K bβ ,где α и β – эмпирические параметры, не превышающие 1 и постоянныедля данной реакции.При кинетическом анализе общего кислотного катализа наряду скаталитическим действием кислоты HA необходимо учитывать влияниеионов H3O+ и самой воды, поэтому кинетические уравнения имеют вид:(23.11.а)()r = k HA [HA] + k H O + [H 3 O + ] + k H 2 O [H 2 O] ⋅ [S] .3При постоянных pH и концентрации катализатора это уравнениеописывает реакцию первого порядка. Аналогичное уравнение для общего основного катализа выглядит следующим образом:(23.11.б)()r = k B [B] + k OH − [OH − ] + k H 2 O [H 2 O] ⋅ [SH] .Г л а в а 5.
Химическая кинетика331Из соотношений (23.6) и (23.9) для специфического кислотного катализа следует, что константа скорости зависит от коэффициентов активности, которые, в свою очередь, определяются ионной силой раствора. Поэтому изменение ионной силы раствора может повлиять наскорость каталитической реакции. Это влияние называют первичнымсолевым эффектом1.
Зависимость скорости реакции от ионной силыможно анализировать в рамках теории Дебая–Хюккеля (см. § 11).Из соотношений (23.11) для общего кислотно-основного катализавидно, что скорость реакции зависит от концентрации кислоты или основания. Добавление к раствору одноименных ионов A– или BH+ приведет к смещению кислотно-основного равновесия и увеличению этихконцентраций, поскольку⎛ [H + ] γ H + γ A − ⎞[HA] = [A − ] ⋅ ⎜⎟,γ HA ⎠⎝ Ka(23.12)что повлияет на константу скорости.
Это явление называют вторичнымсолевым эффектом.Ферментативный катализКатализаторы биологических процессов, протекающих в живых организмах, представляют собой белковые молекулы, которые называютферментами, или энзимами.Простейшая схема ферментативного катализа включает обратимоеобразование промежуточного комплекса фермента (E) с реагирующимвеществом (субстратом, S) и превращение этого комплекса в продуктреакции (P):E+Sk1k -1ESk2E+PПрименение квазиравновесного приближения к этой схеме (при условии k2 << k–1) с учетом уравнения материального баланса [E] == [E]0 – [ES] (индекс «0» обозначает начальную концентрацию) позволяет выразить скорость образования продукта через начальную концентрацию фермента и текущую концентрацию субстрата:r=d [P] k 2 [E] 0 [S]=,dtK S + [S]где KS = k–1 / k1 = [E]⋅[S] / [ES] – субстратная константа.1Первичный солевой эффект характерен не только для каталитических реакций, но и для любых реакций с участием ионов в растворе.(23.13.а)Г л а в а 5.
Химическая кинетика332При увеличении концентрации субстрата скорость реакции стремится к предельному значению: rmax = k2⋅[E]0. Скорость реакции связанас максимальной скоростью соотношением:r=(23.13.б)(23.14)(23.15)rmax [S].K S + [S]Обычно в эксперименте измеряют зависимость начальной скоростиферментативной реакции от начальной концентрации субстрата:r0 = f([S]0). Проведение таких измерений для ряда начальных концентраций позволяет определить параметры уравнения (23.13.б) – KS и rmax.Чаще всего для анализа кинетических схем ферментативного катализа используют метод стационарных концентраций (k2 >> k1).
Применение этого метода к простейшей схеме катализа дает уравнение Михаэлиса–Ментен:r [S]d [P]r== max,dtK M + [S]где rmax = k2⋅[E]0 – максимальная скорость реакции (при бесконечно больk + k −1шой концентрации субстрата), K M = 2– константа Михаэлиса.k1Эта константа равна концентрации субстрата, при которой скоростьреакции равна половине максимальной скорости. Константа Михаэлисахарактеризует специфичность фермента по отношению к субстрату(чем меньше константа, тем больше специфичность). Типичные значения KM – от 10–6 до 10–2 моль⋅л–1 (табл.
23.1). Константу скорости k2, которая характеризует активность фермента, иногда называют числомоборотов фермента. Она равна числу молекул субстрата, которые превращаются на активном центре фермента в единицу времени, и можетизменяться в пределах от 0.5 до 106 с–1 (табл. 23.2).Таблица 23.1ФерментХимотрипсинЛизоцимβ-ГалактозидазаКарбоангидразаПенициллиназаПируваткарбоксилазаАргинин-тРНК-синтетазаКонстанты Михаэлиса некоторых ферментовСубстратКонстанта МихаэлисаKM, мкмоль⋅л–1Ацетил-L-триптофанамидГекса-N-ацетилглюкозаминЛактозаСО2БензилпенициллинПируватHCO3–АТФАргининтРНКАТФ5 00064 0008 000504001 0006030.4300Г л а в а 5.
Химическая кинетикаЧисло оборотов некоторых ферментов333Таблица 23.2Число оборотов k2, с–1ФерментКарбоангидраза3-КетостероидизомеразаАцетилхолинэстеразаβ-АмилазаПенициллиназаЛактатдегидрогеназаХимотрипсинДНК полимераза IТриптофансинтетазаЛизоцим600 000280 00025 00018 0002 0001 0001001520,5Уравнение (23.14) можно записать в других координатах, болееудобных для обработки экспериментальных данных:K111=+ M ⋅r rmax rmax [S](23.16.а)(координаты Лайнуивера–Берка) илиr = rmax − K M ⋅r.[S](координаты Иди–Хофсти, см.
пример 23-2).Для определения параметров KM и rmax по уравнениям (23.16.а) и(23.16.б) проводят серию измерений начальной скорости реакции от начальной концентрации субстрата и представляют экспериментальныеданные в координатах 1/r0 – 1/[S]0 или r0 – r0/[S]0.Иногда течение ферментативной реакции осложняется присутствием ингибиторов – веществ, способных образовывать комплексы с ферментом или фермент-субстратным комплексом. Различают конкурентное, неконкурентное и смешанное ингибирование.При конкурентном механизме ингибитор (I) конкурирует с субстратом за активные участки фермента (рис. 23.2). Как только ингибиторзанимает активный центр фермента, субстрат уже не может связаться споследним.
Простейшая кинетическая схема данного процесса имеетвид:E+SE+Ik1k -1EI ,ESk2E+P,KI = [E][I] / ([EI]) .(23.16.б)334Рис. 23.2Г л а в а 5. Химическая кинетикаСхемы конкурентного и неконкурентного ингибированияПрименение квазистационарного приближения к комплексу ES иквазиравновесного приближения к комплексу EI с учетом уравненийматериального баланса [E] + [ES] + [EI] = [E]0 и [I] ≈ [I]0 дает для скорости реакции уравнение типа (23.14):r=(23.17.а)rmax [S],K M + [S]effгде эффективная константа Михаэлиса связана с исходной концентрацией ингибитора:(23.17.б)K M eff =⎛ [I] 0 ⎞k 2 + k −1 ⎛ [I] 0 ⎞⋅ ⎜1 +⎟ = K M ⋅ ⎜1 +⎟.k1KI ⎠KI ⎠⎝⎝Величину KI = [E]⋅[I] / [EI], которая представляет собой константудиссоциации комплекса фермента с ингибитором, называют константой ингибирования.
Таким образом, при конкурентном ингибированииувеличивается константа Михаэлиса, а максимальная скорость ферментативной реакции остается неизменной. Это объясняется тем, что привысоких концентрациях субстрата он вытесняет ингибитор из активныхцентров фермента.Г л а в а 5. Химическая кинетика335При неконкурентном механизме ингибитор обратимо связывает какфермент, так и промежуточный комплекс фермента с субстратом. Простейшая кинетическая схема данного процесса имеет вид:k1E+SE+IESk -1EI ,E+P,KI = [E][I] / ([EI]) ,ESI ,ES + Ik2(23.18)KI = [ES][I] / ([ESI]) .где предполагается, что константы диссоциации комплексов EI и ESIодинаковы: [E]⋅[I] / [EI] = [ES]⋅[I] / [ESI] = KI.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
