Артюхов В.Г., Ковалева Т.А., Шмелев В.П. Биофизика

Подождите немного. Документ загружается.

где Е - фермент, S -

субстрат,

[ES ] - фермент-субстратный комп-

лекс,

Р - продукт реакции.

Циклические

реакции с участием более

двух

реагентов часто

встречаются в процессах обмена, причем иногда они приводят к со-

хранению вещества. Вычисления показали, что in

vitro

для фермен-

тов,

участвующих

в процессах окисления, число молекул субстра-

та, измененных одной молекулой фермента в I мин, достигает 1(г -

1(г. Кинетика метаболических циклов во многих отношениях подо-

бна кинетике последовательных реакций. Кинетические уравнения

для более крупных циклов (цикл трикарбоновых кислот, цикл ор-

нитина)

оказываются черезвычайно сложными и превращаются в

нелинейные

уравнения.

Цикл

трикарбоновых кислот состоит из серии последовательных

реакций,

катализируемых десятью различными ферментами, в хо-

де которых остаток уксусной кислоты в форме ацетил-КоА окисля-

ется до СОг и Н2О. До тех пор, пока система находится в равнове-

сии,

реакции в одну сторону

идут

быстрее, чем в

другую,

т.е. цикл

вращается по "часовой стрелке" или наоборот. Скорость обращения

цикла

зависит от относительных концентраций исходных веществ и

продуктов реакции,

участвующих

в промежуточных процессах

цикла.

В циклических реакциях влияние определяющих промежуточ-

ных стадий меньше, так как все вещества в системе взаимосвязаны,

даже

если некоторые ступени необратимы. Поэтому необратимая

реакция

не может так же влиять на суммарную скорость, как опре-

деляющая реакция в линейной цепи.

Скорость циклической реакции определяется степенью отклоне-

ния

величины отношений концентраций Si /Pi от величины отно-

шений,

соответствующих равновесию. Цикл трикарбоновых кис-

лот - важнейшй метаболический процесс, занимающий централь-

ное

положение в общей системе обмена веществ и энергии в орга-

низме.

Если в реакциях гликолиза, окисления жирных кислот и

окислительного дезаминирования освобождается около 1/3 заклю-

ченной

в них энергии, то в

ходе

цикла трикарбоновых кислот про-

исходит полное освобождение всей остальной энергии.

При

достаточно большом числе оборотов действие циклов близко

действию ферментов (по эффективности). По

существу,

элемен-

тарный каталитический акт заключается в циклическом повторе-

нии

заполнения активного центра фермента молекулой субстрата и

освобождение его после окончания реакции.

Циклы

вращаются в одном направлении за счет необратимых

101

стадий. Скорость вращения циклов зависит от относительной кон-

центрации веществ, составляющх отдельные стадии цикла. Кроме

того, промежуточные вещества, входящие в цикл,

могут

не только

образовываться в нем, но и поступать извне. Благодаря этому орга-

низм

может тонко регулировать концентрации реагирующих ве-

ществ в цикле, скорость вращения цикла и интенсивность произво-

димых циклом превращений.

Важным частным

случаем

циклических реакций является нали-

чие в них аутокаталитических стадий, когда продукт реакции уско-

ряет одну из реакций цикла.

В биохимических процессах обмена веществ циклы не замкнуты

не изолированы. С другими реакциями циклы связывают не толь-

ко

вещества, проходящие через цикл и претерпевающие в нем необ-

ратимые химические превращения, но и промежуточные соедине-

ния,

которые образуются в

других

нециклических реакциях. Так,

фумаровая кислота в цикле Кребса может образовываться не только

из

янтарной кислоты, но и из аспарагиновой аминокислоты,

посту-

пающей в цикл. Благодаря этой взаимосвязи организм может тонка

регулировать скорости вращения циклов и интенсивность биохими-

ческих превращений.

Поэтому в целом процессы обмена веществ протекают в одном

направлении и, несмотря на наличие циклов, имеют необратимый

характер. Термодинамически это выражается в преобладающем

значении затрат свободной энергии и подчинении обмена веществ

термодинамике необратимых процессов. Преобладающее протека-

ние

реакций цикла в одном направлении

согласуется

со стационар-

ным

характером циклов, и при стационарном состоянии скорость

реакций в одном направлении

всегда

больше скорости в противопо-

ложную сторону на определенную постоянную величину.

Существуют

такие химические процессы, в которых роль ката-

лизатора выполняют конечные продукты реакции. Это аутокатали-

тические процессы. Примером такой реакции является превраще-

ние

пепсиногена в пепсин. Катализируется эта реакция вновь обра-

зующимися молекулами пепсина. Конечный продукт - пепсин, яв-

ляясь катализатором, ускоряет биохимический процесс. Для

ауто-

каталитических реакций характерен инкубационный период, затем

скорость реакции стремительно нарастает. Аутокаталитические ре-

акции

в организме протекают не непрерывно, а периодически. Так,

при

поступлении пищи в пищеварительный тракт возникает по-

требность

перехода

проферментов в ферменты и наблюдаются реак-

ции

их превращения: пепсиногена в пепсин, трипсиногена в трип-

102

син.

Превращение трипсиногена начинает другой, менее эффектив-

ный

фермент-энтерокиназа, которая выделяется при раздражении

стенок

желудка частицами пищи.

Скорость аутокаталитической реакции зависит от концентраций

как

исходных, так и конечных веществ:

А -^*В; d[B]/dt-ki [A][B].

(3.15)

Процесс

идет при переменной возрастающей концентрации ката-

лизатора. С увеличением концентрации образующегося продукта

(В) скорость реакции растет.

Аутокаталитические реакции характеризуются тем, что началь-

ная

скорость увеличения количества вещества В формально равна

нулю и поэтому реакция имеет лаг-фазу - период накопления ката-

лизатора (рис. 3.5).

v A

Рис. 3.5.

Зависимость

скорости

ауто-

каталитической

реакции

от

времени

Чем длиннее и сложнее цепь аутокаталитических реакций, тем

больше величина лаг-периода, причем за индукционным периодом

следует

логарифмическая фаза, которая показывает, что концент-

рация

вещества В увеличивается экспоненциально. Аутокаталити-

ческие реакции

могут

быть отдельными звеньями биохимических

циклов,

когда продукт реакции является активатором одной из

предыдущих стадий цикла. Например, вещество X ускоряет реак-

цию

превращения В -» С

«--»А«--»В*--*С«-

-»D*--»E«-

-»E

При

этом вращение цикла

будет

постепенно ускоряться, и режим

работы цикла

будет

отклоняться от стационарного состояния, мак-

юз

симальная

скорость реакции As -• А-* В

будет

осуществлена при ми-

нимальной

концентрации вещества В.

Параллельными называют совместно протекающие реакции, ес-

ли,

по крайней мере, одно исходное вещество этих реакций являет-

ся

общим:

Если

параллельные процессы необратимы, то они характеризу-

ются одинаковым порядком. Параллельное осуществление реакцй в

нескольких направлениях возможно лишь в том случае, если для

каждого из этих направлений изменение свободной энергии

будет

иметь отрицательное значение.

В процессах метаболизма параллельные реакции

служат

путями

разветвления процессов обмена веществ и поэтому возникает сетка

реакций.

Представим, что реакции превращения вещества А в ве-

щества В и С первого порядка, a ki и К2 - соответственно константы

скоростей. Расходование вещества А подчиняется уравнению

(3.16):

-d[A]/dt-(ki+k

) [A];

(3.16)

d[B]/dt-ki [A]; d[C]/dt-k

[A].

(3.17)

Следовательно, концентрации веществ, образующихся по каждо-

му направлению, относятся как константы скоростей этих реакций:

[B]/[C]-ki/k

(3.18)

Если

одна из параллельных реакций подчиняется нулевому по-

рядку, то преобладает реакция первого порядка. В этом

случае

можно выделить главную реакцию, протекающую с наибольшей

скоростью и все остальные одновременно протекающие реакции,

которые называют побочными. Примером параллельных реакций

может быть превращение церамида, промежуточного продукта био-

синтеза сфинголипидов:

-церамид

цереброзиды сфингомиэлины N-ацетилгалактозоамин.

Таким

образом, параллельные реакции образуют разветвленные

цепи

биохимических превращений в организме и создают возмож-

ность сопряжения различных метаболических путей обмена ве-

ществ.

104

$ 2. Влияние температуры на скорость биохимической реакции.

Энергия активации реакции

Голландский ученый Я.Вант-Гофф на основании многочислен-

ных наблюдений установил, что при повышении температуры на

10 °С скорость гомогенной химической реакции увеличивается в 2-

4 раза. Это обобщение известно как правило Вант-Гоффа. Для ха-

рактеристики зависимости скорости химической реакции от темпе-

ратуры

был введен коэффициент Вант-Гоффа. Qio - отношение

константы скорости реакции при

температуре

Т+10 к константе

скорости при

температуре

Т.

Qio-кт+ш/кт

(3.19)

Зависимость скорости реакции от температуры можно объяснить

увеличением кинетической энергии молекул, способствующее хи-

мическому взаимодействию при соударениях. Коэффициент Q10

определяют из уравнения Вант-Гоффа.

dlnk/dt-AH/RT ,

(3.20)

где к -

ki/k-i

- константа равновесия реакции; ki и k-i - константы

скоростей прямой и обратной реакций; ДН - изменение энтальпии

реакции;

R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная

температура. Правило Вант-Гоффа носит весьма приближенный

характер и

служит

лишь для ориентировочной оценки влияния тем-

пературы на скорость реакции. Значение Qio

варьирует

от 1,5 до

3,0 и часто

выходит

за указанные пределы, причем для данной ре-

акции

Qio не остается одним и тем же в различных интервалах тем-

ператур.

Более

детальную

информацию о зависимости скорости реакции

от температуры,

учитывающую

размеры и формы молекул,

дает

уравнение

С.Аррениуса:

k-PZe-

EaKT/RT

(3.21)

Величина Еакт, входящая в уравнение, называется энергией ак-

тивации реакции; Z - число столкновений молекул; Р - стерический

фактор;

к - константа скорости реакции. Уравнение показывает,

что константа скорости реакции определяется

двумя

постоянными

для данной реакции величинами - числом столкновений молекул и

энергией активации реакции Еакт. Энергию активации реакции

можно рассматривать как избыток энергии по сравнению со средней

энергией молекул при данной температуре, которым должны обла-

дать

молекулы для вступления в химическую реакцию. Кривая, оп-

ределяющая распределение молекул по энергии в системе, описы-

вается функцией Максвелла.

105

В системе при температуре 273 К определенное количество моле-

кул обладает энергией Еа (рис. 3.6). При повышении температуры

реакции кривая сдвигается вправо, и число молекул, обладающих

уровнем Еа, значительно повышается. Скорость реакции увеличи-

вается, так как возрастает число молекул, обладающих достаточной

энергией для обобществления электронов. Таким образом, констан-

та скорости реакции зависит от числа молекул, обладающих доста-

точной энергией активации, важнейшим кинетическим парамет-

ром, определяющим ход реакции.

Рис.

3.6. Распределение моле-

кул по энергиям: Tl - при темпе-

ратуре

273К; Т2 - при температуре

310К. По оси абсцисс - кинетиче-

ская

энергия молекул Ек; по оси

ординат - количество молекул, об-

ладающих данной энергией (п)

Б. Ек

Энергия активации - это энергетический барьер, который пре-

одолевают молекулы для осуществления реакции. В уравнении Ар-

рениуса множитель е"

определяет долю молекул,-имеющих

энергию выше Еакт и эффективно

участвующих

в реакции.

Чем выще энергия активации реакции, тем мендленнее она про-

текает при заданной температуре. Катализаторы уменьшают

энер-

гию активации реакции. Закону Аррениуса подчиняются такие

процессы, как изменение биоэлектрических потенциалов, проница-

емость, скорость деления клеток, интенсивность люминесценции

бактерий, ферментативные реакции. Вычислив коэффициент Вант-

Гоффа, можно определить и энергию активации той или иной реак-

ции

по следующей формуле:

Еакт - 0,46

TiT2lgQl0,

(3.22)

где Ti,T2 - абсолютные температуры, при которых вычисляли ко-

эффициент

Вант-Гоффа.

Для химических реакций Еакт = десятки ккал/моль; для фер-

ментативных реакций Еакт = 4-12 ккал/моль. Однако такой способ

определения

аК

реакции

дает

не совсем четкую информацию, так

как

коэффицинет Вант-Гоффа носит приблизительный характер.

Для определения энергии активации реакции графическим спо-

106

собом

из

уравнения Аррениуса величину

(PZ)

представляют

как

предэкспоненциальный

множитель

(А), его

логарифмируют:

lnk-lnA-Eax-r/RT (3.23)

экспериментальные данные представляют графически (рис.3.7)

координатах

(Ink,

1/T).

1.4

1.0

0.6

0.2

|Q(A

с)

о = -

Е/19.15

3.3

3.5 3.7

Рис.

3.7.

Расчет

энергии

активации с помощью ин-

тегральной формы уравне-

ния Аррениуса

По

формуле (3.24) производят расчет энергии активации:

tga-- Еакт/R. (3.24)

Из

экспериментальных данных

могут

быть рассчитаны

не

только

значение

энергии активации,

но и

величина предэкспоненциально-

го множителя

А,

частота соударения молекул

Z и

стерический

фак-

тор

Р.

Для биохимических реакций часто получают более сложную

за-

висимость

(In

k, 1/T), и в

этом случае

на

диаграмме Аррениуса

на-

блюдаются изломы (рис.3.8).

Это

прежде всего обусловлено

тем,

что

биологической системе протекает

не

одноактный процесс,

многостадийная последовательная реакция. Наличие изломов

на

диаграмме Аррениуса показывет смену лимитирующих стадий

ре-

акции.

Усложнение диаграммы Аррениуса может быть связано также

1пК

Рис.

3.8.

Расчет

энергии

активации с помощью ин-

тегральной формы уравне-

ния Аррениуса для

биохи-

мических

реакций

107

1/Т

изменением

фазового состояния биологической системы, например

с "плавлением" мембранных ферментов. Энергия активации слож-

ных биологических процессов может быть определена из отдельных

участков диаграммы Аррениуса и характеризует отдельные стадии

реакции.

Диаграмма Аррениуса для ферментативной реакции мо-

жет иметь точку перегиба, и это объясняется следующими причина-

ми:

1) изменение фазового состояния растворителя (НгО) при изме-

нении

температуры;

2) в реакционной смеси протекают две параллельные реакции с

различными температурными коэффициентами, катализируемыми

различными активными центрами фермента;

3) фермент, катализирующий реакцию, присутствует в

двух

формах, имеющих разные активности;

4) изменение температуры влияет на сродство субстрата к фер-

менту.

Ферментативная реакция в простейшем

случае

состоит, как ми-

нимум, из

трех

стадий. Влияние температуры в целом является ре-

зультатом влияния на каждую из этих стадий. Это означает, что

имеется, по крайней мере, три константы скорости реакции; для ди-

аграммы Аррениуса предпочтительно брать K

(константу скорости

распада фермент-субстратного комплекса), так как она является

лимитирующей стадией ферментативной реакции.

3. Влияние катализаторов на скорость реакции

Катализ

- изменение скорости химической реакции в присутст-

вии

веществ (катализаторов), которые,

будучи

введенными в реак-

ционную систему, взаимодействуют с участниками реакций, оста-

ваясь при этом в химически неизменном виде.

Каталитические реакции были исследованы еще в начале XIX в.

(1812-1825

гг.) К.Кирхгофом, Х.Деви и др. Катализатор в

ходе

ре-

акции

не расходуется и в суммарное уравнение реации не записы-

вается. Воздействие катализатора осуществляется путем промежу-

точного взаимодействия с реагирующими веществами так, что цикл

промежуточных реакций завершается регенерацией катализатора и

освобождением его в реакционной смеси в прежнем физическом со-

стоянии.

Явление катализа применяется в технике и широко рас-

пространено в природе.

Круг веществ, выполняющих роль катализаторов, весьма разно-

образен. Катализаторы

могут

изменять скорость лишь термодина-

мически

возможных реакций, когда AG < 0. Если промежуточное

108

взаимодействие с катализатором способствует ускорению химиче-

ского превращения, то говорят о положительном катализе. На

практике

встречаются и случаи отрицательного катализа, когда в

присутствии катализатора скорость реакции уменьшается. Вещест-

ва, вызывающие такие процессы, называют ингибиторами.

Различают гомогенный и гетерогенный катализ. Если катализа-

тор и реагирующее вещество образуют одну однородную систему,

такой катализ называют гомогенным. При гетерогенном катализе

катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах.

Следует

выделить также и микрогетерогенный катализ, при кото-

ром катализатор находится в высококоллоидном или высокомоле-

кулярном состоянии. Примером гомогенного катализа может быть

подавляющая часть биохимических процессов, осуществляемых с

помощью ферментов. При гетерогенном катализе катализатором

является твердое тело, а реагирующие вещества находятся в жид-

кой

или газовой

средах.

Примером может служить окисление амми-

ака

в присутствии металлической платины или разложение раство-

ренной

перекиси водорода под влиянием не растворимой в воде дву-

окиси

марганца.

Большая

скорость реакции в присутствии катализатора может

быть обусловлена двумя причинами: 1) катализатор направляет ре-

акцию

по пути с более низкой энергией активации; 2) катализатор

осуществляет реакцию по цепному механизму, при этом ускорение

достигается благодаря образованию богатых энергией частиц в про-

цессе самой реакции. Например, каталитическое действие воды на

окисление

окиси

углерода

связано с развитием цепных реакций с

участием гидроксилов и атомов водорода. Действие ингибиторов

может быть связано с прекращением цепной реакции вследствие об-

рыва цепей при взаимодействии отрицательного катализатора с ак-

тивными

частицами.

Таким

образом, при каталитическом ускорении реакции катали-

затор образует в

результате

промежуточного химического взаимо-

действия с реагирующими веществами активированный комплекс,

непрочное соединение, которое превращается в конечный продукт.

Причем

данная реакция характеризуется меньшей энергией акти-

вации,

чем в

случае

протекания той же реакции в отсутствие ката-

лизатора.

Пусть, например, для гомогенной реакции веществ С и Д энергия

активации

равнаЕ'акт:

С+Д-СД

<£'«,*,„).

Катализатор К вступает во взаимодействие с одним из реагентов:

109

+ К •* СК (2?'

'акт

<Е

акт

) •

промежуточный активный комплекс

реагирует

со вторым

реагентом:

+ D - СД + К(£'"<шп <Е'акт).

Данная

схема

крайне упрощена, но она показывает, что при уча-

стии катализатора реакция осуществляется через ряд промежуточ-

ных стадий, что способствует уменьшению активационного

барьера.

При

гетерогенном катализе реакционный процесс еще более ус-

ложняется. Для

твердых

катализаторов образование промежуточ-

ных соединений обусловлено прежде всего поверхностью катализа-

тора,

структурой

его кристаллической решетки, степенью пористо-

сти.

Основное требование, предъявляемое к катализаторам, - высокая

каталитическая активность в расчете на единицу массы (1 мг для

белков) или на единицу поверхности. Для кислотно-основных ката-

литических реакций типичными катализаторами при гомогенном

катализе являются кислоты и основания, при гетерогенном катали-

зе -

твердые

тела,

обладающие кислотными свойствами (синтетиче-

ские

и природные алюмосиликаты). Для окислительно-восстанови-

тельных каталитических реакций наиболее часто применяют в ка-

честве

катализаторов переходные металлы (Pt, Ni, Fe, Co) или их

соединения.

Катализаторы играют

ведущую

роль в живой природе. Вся слож-

ная

система управления биологическими системами основана на ка-

тализаторах. Сложные комплексы биохимических превращений,

обусловливающие брожение, дыхание, синтез различных соедине-

ний,

осуществляются с помощью ферментов - катализаторов белко-

вой

природы.

Ферменты были выделены впервые из живой клетки в 1879 г.

Бухнером. Эти исследования имели большое значение, так как бы-

ло показано, что работающие в живом организме катализаторы мо-

гут функционировать совершенно независимо от любого

другого

клеточного процесса, в связи с чем изолированные ферменты на-

шли

широкое применение. В чистом виде ферменты были выделены

лаборатории Самнера (1926 г.). Число известных ферментов в на-

стоящее время превысило

2000.

Исходя из количества генетической информации, заложенной

даже

в таких простых организмах, как Е. coli, можно предполагать,

что идентифицированы далеко не все ферменты. Каталитическое

по