Файл: Берлянд часть 1.doc

Ферментативный катализ

Катализатором называется вещество, которое ускоряет реакцию, но само в ходе реакции не расходуется. Хотя механизмы каталитических реакций могут сильно различаться, но общим является то, что в присутствии катализатора понижается энергия активации, т. е. в присутствии катализатора процесс идет по другому пути, отличающемуся от пути реакции в отсутствие катализатора.

Реакции, катализируемые ферментами, обычно характеризуются очень сильным ускорением (10⁴ – 10⁵ раз) и высокой специфичностью. Под специфичностью здесь понимают способность ферментов ускорять реакцию только между определенными веществами, называемыми субстратами.

Ферменты бывают двух типов: простые – это белковые молекулы, содержащие один /трипсин/ или несколько /уреаза-4/ активных центров; и сложные, состоящие из белка и небелкового компонента (витамины, атомы металлов, нуклеотиды и др.). Активные центры имеют жесткую структуру, на их поверхности и происходит превращение субстратов.

Ферментативный процесс можно представить следующим образом:

где E, S – фермент и субстрат;

P – продукт реакции;

ES – фермент-субстратный комплекс.

Скорость ферментативного процесса можно рассчитать по уравнению Михаэлиса-Ментен:

где С(S) – концентрация субстрата;

– максимальная скорость реакции, т. е. скорость, когда весь фермент находится в составе фермент-субстратного комплекса.

Из уравнения Михаэлиса-Ментен можно сделать следующие заключения:

а) при большой концентрации субстрата скорость реакции будет практически равна максимальной скорости, т. е. ;

б) при малой концентрации субстрата скорость реакции будет прямо пропорциональна его концентрации, т. е.:

Уравнение Михаэлиса-Ментен довольно точно описывает только начальный период ферментативного процесса, так как в нем не учитывается влияние и взаимодействие с ферментом продуктов реакции.

Эталоны решения задач

1. В сосуде смешали газ А количеством вещества 4,5 моль и газ В количеством вещества 3 моль. Газы А и В реагируют в соответствии с уравнением А  В  С. Через некоторое время в системе образовался газ С количеством вещества 2 моль. Какие количества непрореагировавших газов А и В остались в системе?

Решение.

Из уравнения реакции следует, что:

n(A)  n(B)  n(C)  2 моль,

где n ‑ изменение количества вещества в ходе реакции.

Следовательно, в сосуде осталось:

n₂(A)  n₁(А)  n(A); n₂(A)  (4,5  2) моль  2,5 моль;

n₂(B)  n₁(B)  n(B); n₂(B)  (3  2) моль  1 моль.

2. Реакция протекает по уравнению: 2A  B ⇄ C и имеет второй порядок по веществу А и первый по веществу B. В начальный момент времени скорость реакции равна 15 моль/лс. Рассчитать константу скорости и скорость прямой реакции в тот момент, когда прореагирует 50% вещества B, если начальные концентрации равны: С(A)  10 моль/л; С(B)  5 моль/л. Как изменится скорость химической реакции?

Решение.

Согласно закону действующих масс:

;

С(B), вступившего в реакцию, равна:

С(B)  0,5·5  2,5 моль/л.

Соответственно С(A), вступившего в реакцию, равна:

2 Моль/л a  1 моль/л b

С(A)  2,5 моль/л B

С(A) и С(B) после протекания реакции:

С(A)  10  5  5 моль/л,

С(B) = 5  2,5 = 2,5 моль/л.

Скорость прямой реакции будет равна:

Скорость химической реакции изменится:

т. е. уменьшится в 8 раз.

3. Реакция между веществами А и В выражается уравнением: А  2В  С и имеет первый порядок по веществу А и второй по веществу B. Начальные концентрации веществ равны: С(А)  2 моль/л; С(В)  4 моль/л; константа скорости равна 1,0. Найти начальную скорость реакции и скорость по истечении некоторого времени, когда концентрация вещества А уменьшится на 0,3 моль/л.

Решение.

Согласно закону действующих масс:

Если концентрация вещества А уменьшится на 0,3 моль/л, то концентрация вещества В уменьшится на 0,32  0,6 моль/л. После протекания реакции концентрации равны:

4. Скорости прямой и обратной газофазных реакций, протекающих в замкнутом сосуде, выражаются уравнениями:

Рассчитать, как изменятся скорости прямой и обратной реакций при увеличении давления в системе в 3 раза, если исходные концентрации веществ равны: С₀(A)  1 моль/л; С₀(B)  3 моль/л; С₀(C)  2 моль/л.

Решение.

Согласно закону действующих масс, скорости прямой и обратной реакций при начальных условиях равны:

Увеличение давления в 3 раза для газообразных систем приводит к уменьшению объема газовой смеси в 3 раза, во столько же раз увеличатся концентрации всех трех газов, и скорости обеих реакций станут соответственно равны:

Отношения скоростей реакций составляют:

Таким образом, скорость прямой реакции увеличится в 27 раз, обратной  в 9.

5. Реакция при температуре 50⁰С протекает за 2 мин 15 с. За какое время закончится эта реакция при температуре 70⁰С, если в данном температурном интервале температурный коэффициент скорости  равен 3?

Решение.

При увеличении температуры от 50 до 70⁰С скорость реакции в соответствии с правилом Вант-Гоффа возрастает:

где  70⁰С,  50⁰С, a и скорости реакции при данных температурах.

Получаем:

т.е. скорость реакции увеличивается в 9 раз.

В соответствии с определением, время реакции обратно пропорционально скорости протекания реакции, следовательно:

где и  время реакции при температурах и .

Отсюда получаем:

Учитывая, что  135 с (2 мин 15 с), определяем время реакции при температуре :

6. Во сколько раз увеличится скорость химической реакции при повышении температуры от   10⁰C до   80⁰С, если температурный коэффициент скорости  равен 2?

Решение.

Из правила Вант-Гоффа:

Скорость реакции увеличится в 128 раз.

7. При изучении кинетики выведения лекарственного препарата из организма больного было установлено, что за 3 часа в организме пациента осталось 50% от исходного количества лекарственного средства. Определить период полувыведения и константу скорости реакции выведения препарата из организма человека, если известно, что это реакция первого порядка.