Причини прискорення реакцій ферментами Ферментативний каталіз обумовлений принаймні

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

Причини прискорення реакцій ферментами Ферментативний каталіз обумовлений принаймні трьома основними причинами: 1 - тим, що сорбція субстрату на ферменті протікає так, щоб полегшити наступну хімічну реакцію; 2 - поліфункціональним характером хімічних взаємодій між ферментом і сорбованим субстратом; 3 - ефектами мікросередовища, характеристики якого (діелектрична проникність, полярність і ін. ) в області активного центру можуть суттєво відрізнятися відповідних показників водного розчину.

Теорія перехідного стану

Використання енергії зв'язування ферменту із субстратом у каталізі Теоретична модель Взаємодія двох молекул, кожна з яких має 2 реагуючих центра. У першому- сорбційні взаємодії (R або, відповідно, Е), які йдуть досить швидко (з малою вільною енергією активації). У другому відбуваються хімічні перетворення з відносно високою вільною енергією активації (X і Y). Швидкість гомогенокаталітичної реакції визначається із закону діючих мас: v. II = k. II [EX][RY] (3. 4) де k 1 и k. II - константи швидкості другого порядку, а k I внутр і k -1 - константи швидкості першого порядку 3. 3 де KM - константа Міхаеліса,

1. При [RY] << Km процес (3. 1) підкоряється закону другого порядку з ефективною константою швидкості k I = k I внутр/KM. Тоді відношення швидкостей реакцій, що протікають по ферментативному (3. 1) і, відповідно, гомогено-каталітичному (3. 2) шляхам, рівно 2. При більш високій концентрації субстрату, а саме при [RY]>>Km, фермент «насичений» субстратом і, отже, швидкість процесу (3. 1) кінетично контролюється хімічним перетворенням фермент-субстратного комплексу: v I = k I внутр [EX] (3. 6) як це випливає з (3. 3), тобто це реакція першого (або в загальному випадку псевдопершого) порядку. У цьому випадку відношення швидкостей реакцій (3. 1) і (3. 2) залежить від концентрації субстрату RY: (3. 5) (3. 7)

Бімолекулярна взаємодія ферменту з субстратом [RY]<< Ks Діаграма зміни стандартної вільної енергії реакцій (3. 1) - перший шлях і (3. 2)- другий шлях 3. 8 ΔGS + ΔG≠I внутр = ΔG≠II + ΔGS≠внутр (3. 9) Різниця вільних енергій активації реакційного шляху: ΔG≠II - ΔG≠I = - ΔGS≠внутр (3. 10) Сумарна вільна енергія активації ферментативної реакції складається із двох величин: ΔG≠I = ΔGS + ΔG≠I внутр (3. 11)

Теорія перехідного стану 3. 12 де k – стала Больцмана; Т - абсолютна температура, h – стала Планка. 3. 13 3. 14

Теорія перехідного стану Швидкість реакції пропорційна концентрації перехідного стану, тобто v. I=(k. T/ h)[EX*YR]≠ v. II =(k. T/ h)[EX YR]≠ (3. 15) Між основним і перехідним станами існує термодинамічна рівновага, і концентрації перехідних станів розраховуються з різниці енергій цих станів: [EX*YR]≠ = exp(-ΔG≠I / RT) [RY] [EX YR]≠ = exp(-ΔG≠II / RT) [RY] [EX] (3. 16) де R- універсальна постійна. Підстановка (3. 16) в (3. 15) дає рівняння для швидкостей реакцій: v. I = (k. T/ h) exp(-ΔG≠I / RT) [RY] [EX] v. II =(k. T/ h) exp(-ΔG≠II / RT) [RY] [EX] (3. 17) На підставі цих рівнянь із урахуванням рівняння (3. 10) відношення швидкостей ферментативної й гомогенно-каталітичної реакцій для низьких концентрацій субстрату (3. 5) можна записати в іншому вигляді: (v I / v II) [RY]<< Ks ~ exp(-ΔG≠S внутр / RT) (3. 18) Із цього рівняння видно, що додаткова взаємодія між групою Е ферменту й групою R субстрату, що супроводжує хімічну реакцію між Х і Y, може, якщо вона термодинамічно вигідна, привести до прискорення реакції. Дійсно, при ΔG≠S внутр < 0 маємо V I / V I I >1. Механізм прискорення полягає в тому, що утворення зв'язку Е*R стабілізує перехідний стан -X. . . Y- хімічної реакції.

NB! Утворення проміжного фермент-субстратного (комплексу Міхаеліса) саме по собі зовсім не виявляє впливу на прискорення ферментативної реакції (у кінетичному режимі другого порядку, тобто при [RY]<< KS). Концентрація стабілізованого перехідного стану [EX*YR]≠, яка визначає швидкість ферментативного процесу (рівн. 3. 15), не залежить від шляху його утворення ( через комплекс Міхаэліса або через нестабілізований перехідний стан) і визначається тільки різницею стандартних вільних енергій вихідного й активованого станів (3. 16). Проте, фермент-субстратні комплекси реально існують у ферментативних реакціях. Це пов'язане з кінетичними особливостями процесу утворення зв'язку E*R. У більшості ферментативних процесів цей зв'язок виникає за рахунок взаємодій невалентного типу (гідрофобних, іон-дипольних взаємодій, водневих зв'язків). Відомо, що швидкості таких процесів близькі до швидкостей дифузії й, отже, мають надзвичайно великі значення. Тому утворення фермент-субстратного комплексу XE*RY завжди превалює над «двоточковою» взаємодією вихідних часток, у результаті якої стабілізований перехідний стан [EX*YR] міг б виникнути в одному акті (в одну стадію). Отже, для ефективності каталізу існування фермент-субстратного комплексу важливо лише в тому розумінні, що природа зв'язку між ферментом і субстратом аналогічна додатковому зв'язку E*R у перехідному стані реакції.

«Внутрішньомолекулярне» (псевдомономолекулярне) перетворення ферментсубстратного комплексу [RY]>>KS v I = k I внутр [EX] (3. 6) v. I =(k. T/ h) exp(-ΔG≠I внутр / RT) [EX] (3. 19) Врахувавши ΔGS + ΔG≠I внутр = ΔG≠II + ΔGS≠внутр (3. 9), (3. 20) термодинамічна ефективність ферментативного каталізу визначається різницею вільних енергій міжмолекулярного ( при утворенні комплексу Міхаеліса) і внутрішньомолекулярного ( у перехідному стані реакції) утворення зв'язку Е*R.

У кількісному відношенні кінетична роль комплексоутворення Е*R у прискоренні ферментативної реакції буде іншою, чим в кінетичному режимі другого порядку (3. 5). Однак і тут рушійної силою каталізу залишається вільна енергія взаємодії E*R саме в перехідному стані реакції (а не в проміжному комплексі). Чим більш термодинамічно вигідною буде внутрішньомолекулярна взаємодія Е*R в активованому стані (чим більш негативні значення прийме величина ΔG≠Sвнутр), тим більше сприятливим повинне бути відношення VI/VII для ферментативної реакції (3. 20). Це пов'язане з тим (мал. 3. 1), що бар'єр вільної енергії активації ферментативної реакції (ΔG≠I внутр) у цьому випадку зменшується (у порівнянні з ΔG≠II) і, отже, швидкість процесу (3. 19) зростає.

Скачать презентацию Причини прискорення реакцій ферментами Ферментативний каталіз обумовлений принаймні

lecture_4_perehid_stan.pptx

Количество слайдов: 10