Панченков Г.М., Лебедев В.П. Химическая кинетика и катализ

Подождите немного. Документ загружается.

Зона проводимости

£_

Валентная

зона

Рис.

121. Схема электронных уровней полупроводника {а):

PF — уровень

Ферми;

СС — середина запретной

зоны;

А — акцепторный уровень; D — донор-

ный

уровень; и —ширина запретной

зоны;

8. и. Ди, и_и

— энергетические расстояния

между зонами я уровнями

доля различных форм хемосорбции молекул т|

, ц+, ц~ как

функция

пара-

метра

а(6).

на

рис. 120, при переходе свободного электрона из зоны проводи-

мости или при переходе электрона из валентной зоны на локаль-

ный

уровень адсорбированного атома. В первом

случае

в образо-

вании

связи

участвует

«свободная» валентность поверхности, по

втором — в решетке образуется электронная

«дырка».

Энергети-

чески первый путь, по-видимому, предпочтительней, и поэтому на-

личие электронов в зоне проводимости должно благоприятно ска-

зываться на упрочнении

«слабой»

гомеополярной связи при ад-

сорбции.

Поскольку электрон снова может с локального уровня

перейти или в зону проводимости или в валентную зону, оба типа

связи

могут

переходить

друг

друга.

Первая

прочная связь называется

п-связью,

или

акцепторной

связью,

так как в ней

участвует

свободный электрон, захваченный

адсорбированной частицей; вторая прочная связь называется

р-связью,

или

донорной

связью,

так как в ней

участвует

захваты-

вающая адсорбированной частицей дырка. По своей природе ак-

цепторная

связь, как и донорная, может быть чисто ионной, чисто

гомеополярной или, в общем случае, связью смешанного типа.

Это зависит от природы адсорбата и адсорбента.

3. Образование ионной связи из

«слабой»

гомеополярной, если

электрон,

которым она была обусловлена, перейдет в решетку.

Тогда положительно заряженный адсорбированный ион

будет

удерживаться избыточным отрицательным зарядом решетки. С по-

зиций

реакционной способности адсорбированных частиц важно,

что «прочная» гомеополярная и ионная связи представляют собой

состояния

с насыщенной валентностью, а у

«слабой»

гомеополяр-

ной

связи свободная валентность адсорбированного атома оста-

ется ненасыщенной.

Возникновение

хемосорбированной связи за счет свободного

электрона

на поверхности приводит к

тому,

что адсорбирующая

валентно-насыщенная

частица превращается в ион-радикал, а ад-

498

сорбирующийся радикал — в валентно-насыщенную частицу и при

этом заряженную. Свободная валентность, блуждающая по кри-

сталлу,

может вызвать разрыв валентной связи внутри адсорби-

рующейся молекулы по механизму, аналогичному механизму

взаимодействия радикала с молекулой.

Адсорбция молекулы на полупроводнике приводит к появлению

локальных акцепторных или донориых уровней в запрещенной

зоне

кристалла. Удаление электрона с акцепторного уровня или

дырки с донорного уровня означает переход хемосорбированной

частицы из состояния «прочной» связи в состояние

«слабой»

свя-

зи.

При наличии электронного равновесия на поверхности опреде-

ленные доли хсмосорбированиых частиц

будут

находиться на по-

верхности в состоянии

«слабой»,

«прочной» акцепторной и «проч-

ной» донорной связи. Обозначим соответственно через Л^, AL, N+

число частиц на поверхности, находящихся в каждом из этих со-

стояний.

Согласно статистике Ферми,

будем

иметь

(00,

N+

(91)

где е_,

е,+

— расстояния от уровня Ферми FF до зоны проводимости или до

валентной

зоны соответственно. Остальные обозначения приведены на

рис.

121, а.

Введем обозначения

(92)

— общее число хемосорбированных частиц),

тогда

очевидно,

что

% + л_ +

т]

(93)

После преобразования

(90)

(91)

получим

(94)

ехр

4,=

Аи

1гГ

. 8+ —

^kf—

kT )

£+

—

«pi-isr-

(95)

(96)

Зависимость

х\§,

т]_,

TJ+

ОТ е+ показана на рис.

121,6.

Из рисунка

видно,

что при перемещении уровня Ферми снизу вверх, т. е. по

499

Рис.

122.

Схема

электронного

механизма

взаимодействия

молекул

со

свободной

валентностью

поверхности:

— молекула с

простой

связью; б

•

молекула с двойной связью,

мере удаления его от валентной зоны и приближения к зоне про-

водимости, величина т)_ монотонно возрастает, г\+ монотонно убы-

вает (увеличивается число частиц, связанных с поверхностью ак-

цепторной связью, и уменьшается число частиц, связанных донор-

ной

связью). Что касается величины tio, характеризующей относи-

тельное содержание

«слабой»

формы хемосорбции, то при моно-

тонном перемещении уровня Ферми она проходит через максимум.

Если уровень Ферми FF расположен достаточно высоко над

уровнем СС, так что е+ — u+^kT, то ri_ ^> rj+; т. е. практически

все хемосорбированные частицы выполняют роль акцепторов. Если

же уровень Ферми расположен достаточно низко над уровнем СС,

так что е- — и- ^> kT, то i}

TJ_,

т. е. фактически все хемосорб-

ционные

частицы являются донорами. Таким образом, относитель-

ное содержание на поверхности различных форм хемосорбции, а

тем самым и реакционная способность хемосорбционных частиц,

однозначно определяется-положением уровня Ферми.

Примесь донорных молекул, сорбирующихся на поверхности

катализатора,

будет

ускорять акцепторные реакции и замедлять

донорныс; примесь акцепторных молекул

будет

замедлять акцеп-

торные реакции и ускорять донорные. Этим можно объяснить яв-

ление газового промотирования, когда промотор

входит

в состав

реагирующей смеси.

Как

сказано выше, при химическом взаимодействии молекулы

с насыщенными связями с поверхностью первым актом должен

явиться разрыв одной из связей адсорбирующейся частицы. Этот

разрыв осуществляется при встрече молекулы со свободной ва-

лентностью (свободным электроном или электронной дыркой) по-

верхности. Дальнейший характер образования адсорбционного

соединения существенно зависит от того, содержит молекула оди-

нарные или кратные связи. На рис. 122, а показана схема адсорб-

ции

молекулы, в которой два атома (или радикала) А и В соеди-

нены

простой связью. Разрыв этой связи приводит к образованию

поверхностного соединения с «прочной» (на

схеме

«атом

Л — по-

верхность»)

«слабой»

(«атом В — поверхность») гомеополярпы-

ми

связями. В

результате

обратимых процессов электронного об-

500

1-мена

с поверхностью атомы (или радикалы) А и В определенное

. время пребывают в каждом из

трех

типов состояния адсорбцион-

ной

связи. Соответственно изменяется их реакционная способность.

При

адсорбции молекулы с кратной связью типа А=В происходит

(рис.

122,5)

разрыв одной из связей и образование радикального

поверхностного соединения типа «поверхность

—А—В»,

в котором

связь с поверхностью первоначально является «прочной» гомео-

полярной

связью.

19. Электронный механизм гетерогенных реакций

на

полупроводниках

Электронные представления

могут

быть использованы не только

для объяснения процессов адсорбции, но и в простейших случаях

для объяснения гетерогенных каталитических реакций.

Рассмотрим реакцию обмена типа

АВ + CD =F^ AC + BD

причем молекулы АВ и CD — насыщенные.

Адсорбция

образованием

Переход

„р

слабо

„прочно'адсорбирован- нои'ебявид

ных

частиц „слабую

Поверхностная

реакция между

„

слабо * ебшнными

чпе/ттами

десорбцией

новых

тлену

Рис.

123. Два

типа

поверхностных

реакций:

а — полное образование продуктов на по-

верхности; 0—частичное образование про-

дукгои на поверхности я частичное при

взанмодейепши находящихся р глювоЛ фа-

зе молекул с адсорбированными радика-

лами.

501

Можно

представить два пути гетерогенного протекания этой

реакции.

Во-первых, обе молекулы

могут

диссоциировать

на

по-

верхности (рис. 123, а)

дать четыре адсорбированных радикала,

мигрирующих

состоянии

«слабой»

связи по поверхности. Встре-

чаясь,

они образуют продукты реакции, которые

десорбируются.

Во-вторых, адсорбироваться может только одна молекула

(рис.

123,6),

вторая взаимодействует

адсорбированными час-

тицами

из

газовой фазы, образуя одну

из

молекул продукта

оставляя

на

поверхности радикальный остаток, связанный

ней

«слабой»

гомеополярной связью.

Как

видно из обеих схем, по крайней мере

начальной стадии

решающим для протекания реакции является наличие свободной

валентности на поверхности. С этой точки зрения чем больше бу-

дет свободных валентностей, тем интенсивней должен идти ката-

литический процесс.

отдельных случаях это подтверждается

•кспериментально.

Так,

исследуя каталитическое дегидрирование изопропанола на

оксиде цинка

образованием ацетона.

С. Я-

Пшежецкий

И.

А. Мясников нашли непосредственную зависимость

между

вы-

ходом продукта

электропроводностью оксида цинка при различ-

ных температурах. При проведении процесса

атмосфере чистого

азота (рис. 124)

выход

ацетона

электропроводность симбатно

изменяются

изменением температуры, начиная резко возрастать

после 600 °С. Добавление всего лишь 0,4 % кислорода

смеси

отчетливо снижает

электропроводность,

эффективность ката-

лиза. Оксид цинка является типичным электронным проводником;

свободные валентности

нем представлены электронами

зоне

проводимости. Образующиеся при диссоциации

на

поверхности

кислородные атомы адсорбируются, захватывая электроны из зоны

проводимости, как это выше было разобрано для взаимодействия

кислорода

никелевой пленкой (см.

17 этой главы).

Для дегидрирования изопропанола Ф. Ф. Волькенштейн пред-

ложил механизм, схематически изображенный ниже:

ЙзС-С-СНа

И"

:4-с

'S////A2.V/

//,

••*-

'•'///A'VS/SA

НзС-С-СНз

HsC-'

Первой

стадией является взаимодействие молекулы изопропи-

лового спирта со свободной валентностью поверхности

образо-

вание адсорбированного радикала

(СНзЬСНО

атома водорода,

который

уже

во

второй стадии рекомбннирует

водородом вто-

ричного атома

углерода

образованием молекулы водорода.

603

600 6kO

t,C

Рис.

124. Проводимость ZnO

(/,

2) и

каталитическая актив-

ность

(выход ацетона

3, 4) в

зависимости

от

температуры

при

дегидрировании изопропа-

нола

при проведении процесса

атмосфере азота (1, 3)

и в

смеси

±0,4%

(2,

(по

данным

С. Я

Пшсжецкого

И.

А. Мясннкова).

Оставшийся адсорбиро-

ванным

радикал

(СН

)

2СО, десорбируясь,

образует

молекулу

аце-

тона.

Таким

образом, любые

причины

(адсорбция

кис-

лорода, изменение температуры), изменяющие концентрацию элек-

тронов

зоне проводимости полупроводникового катализатора,

не

только должны изменять электропроводность кристалла,

но сим-

батно

ней

изменять каталитическую активность,

что

подтверж-

дается опытными данными.

20.

Место электронных представлений

теории

гетерогенного катализа

Общим итогом применения электронных представлений

гетеро-

генном

катализе является вывод,

что

каталитическая активность

прямо

связана

числом свободных валентностей

на

поверхности

катализатора. Однако

следует

помнить,

что все

теоретические

представления катализа

на

полупроводниках

основном касаются

идеального кристаллического состояния

использованием зонной

теории

твердого

тела,

которая построена

одноэлектронном

при-

ближении.

Поэтому производить количественную обработку

ре-

зультатов, полученных

на

реальных катализаторах,

помощью

рассмотренных выводов

формул невозможно.

Тем не

менее

при-

менение

рассмотренного

подхода

позволяет сделать интересные

качественные обобщения.

Реальный

образец отличается

от

идеального наличием

сверх-

равновесного количества дефектов, примесей, создающих

запре-

щенной

зоне локальные электронные уровни, макроискажений

ре-

шетки

виде разрывов

трещин, приводящих

блочной струк-

туре

реального

твердого

тела.

общем

случае

все эти

факторы

ведут

появлению значительно большего числа свободных

ва-

лентностей

на

поверхности катализатора

по

сравнению

таковыми

идеальном кристалле. Таким образом, активность реального

ка-

тализатора должна быть выше идеального.

Более того, если

идеальном кристалле каждая данная

сво-

бодная валентность может непрерывно

блуждать

по

кристаллу»

603

переходя от одного участка поверхности к

другому,

уходя

с по-

верхности в

глубь

решетки и обратно, в реальном кристалле на

поверхности неизбежно

будут

существовать ловушки, в которых

свободная валентность локализуется и значительно большее вре-

мя

существует

в фиксированном состоянии. Такими ловушками

могут

быть любые поверхностные нарушения решетки и в первую

очередь атомы катализатора, в той или иной степени утратившие

свои связи с решеткой. Следовательно, в реальном кристалле не

только значительная доля свободных валентностей локализована,

но

и распределение свободных валентностей

между

поверхностью

объемом по сравнению с распределением в идеальном

случае

сдвинуты «в

пользу»

поверхности.

Основная

идея большинства теорий активных центров сводится

тому,

что активный центр,

будь

то

«пик»

Тейлора,

«мультиплет»

Баландина

или

«ансамбль»

Кобозева, является образованием, в

той или иной мере разорвавшим свои связи с кристаллом. Это

подтверждается и с позиций электронных представлений.

Не

следует

думать,

что электронные теории в гетерогенном ка-

тализе призваны заменить уже существующие теоретические кон-

цепции.

Рассматривая каталитический акт в новом аспекте, эти

теории

дают

новое истолкование уже сложившимся и апробиро-

ванным

понятиям, открывают путь к более глубокому познанию

установленных фактов, например, особому по сравнению с нор-

мальной решеткой состоянию активного центра, составу центра,

избирательности и специфичности действия катализатора и т. п.

ГЛАВА

КИНЕТИКА

ФЕРМЕНТАТИВНОГО

КАТАЛИЗА

Ферменты

Ферменты,

или

энзимы

— это белки, играющие роль катализато-

ров в живых системах. Молекулярная масса этих белковых моле-

кул составляет Ш

~- 10

Первоначальная

структура

ферментов состоит из аминокислот-

ных остатков, соединенных линейными ковалентными (пептидны-

ми) связями. Макромолекула белка состоит из закономерно рас-

положенных аминокислотных остатков, т. е. построена по опреде-

ленному коду. Подавляющее большинство известных белков мо-

жет быть построено всего только из 20 аминокислот.

Свойства каждого белка зависят от характерной для него по-

следовательности аминокислотных остатков. Ферментные белки

могут

быть получены в кристаллических состояниях.

Известно

около 200 кристаллических ферментов. Всякие воз-

действия, нарушающие упорядоченную

структуру

белка, такие,

604

как

повышение температуры, действие некоторых растворителей,

приводят к его денатурации. Денатурированные белки не способ-

. ны кристаллизоваться и теряют свойства катализаторов.

Ферменты относятся к глобулярным белкам, поэтому кроме

первичной,

вторичной и третичной

структур

имеют так называе-

мую четвертичную

структуру.

Глобула

строится таким образом,

что некоторые полипетидные цепи или части этих цепей скручи-

ваются в спираль, а затем такие сложные структуры, содержащие

скрученные цепи, определенным образом укладываются в про-

странстве.

Характер спирализации цепи называют

вторичной

структурой.

Третичная

структура

характеризует пространственную укладку

частично или полностью скрученной полипептидной цепи. Образо-

вание спиралей, если не учитывать действия боковых цепей, мож-

но

объяснить наличием межвитковых водородных связей, соеди-

няющих группы

—NH—

и —СО— удаленных аминокислотных

остатков. Образование таких связей сопровождается выигрышем

энергии

5,8 кДж на моль связей. Характер объединения струк-

турно независимых единиц в одну

глобулу

называется

четвертич-

ной

структурой

белка.

Каталитическое действие ферментов связано с наличием в бел-

ковых макромолекулах некоторых участков, играющих роль ак-

тивных центров. Для того чтобы центр имел высокую каталитиче-

скую активность, он должен быть определенным образом располо-

жен в макромолекуле.

В состав активного центра ферментов

входят

кислотные или

основные

группы, находящиеся в необходимом для данного типа

реакции

состоянии ионизации. В состав каталитических центров

большинства изученных ферментов в различном сочетании

входят

имидазол гистиднна, флавины, тиоловая группа цистеина, карб-

оксильные группы аспарагиновой и глутаминовой кислот, спирто-

вая

группа серина, пиродоксалевая группа и некоторые другие.

Кислотно-основные

группы

входят

в состав молекул

всех

бел-

ков,

однако не все белки являются катализаторами. Это объясня-

ется тем, что только при вполне определенном расположении этих

групп

друг

относительно

друга,

т. е. только при строго определен-

ной

вторичной, третичной, а иногда и четвертичной

структуре

белка, эти кислотно-основные группы становятся активными ка-

талитическими центрами. Поэтому функциональные группы, вхо-

дящие в состав ферментов, проявляют свойства, не характерные

для них в низкомолекулярных соединениях.

Ферменты высокоспецифичны по отношению к субстратам.

Между реагирующими молекулами или их превращающимися

группами и активными центрами ферментов должно быть струк-

турное соответствие. Этим объясняется не только высокая специ-

фичность,

но и стереоспецифичность ферментов. Субстрат компле-

ментарно присоединяется к ферменту. Стереоспецифичность ярко

проявляется в способности некоторых ферментов превращать либо

только

£.-форму, либо

только

D-форму

субстрата.

806

На

участке фермента, в котором находится активный центр,

всегда имеется строго определенная последовательность аминокис-

лотных остатков. Например, глицеральдегидфосфатдегидрогеназы,

выделенные из дрожжей и из мышц кролика, имеют в целом раз-

ный

аминокислотный состав, но последовательность аминокислот

области активного центра на протяжении 18 остатков у них

одинакова. Это явление характерно для высокоспецифичных

ферментов.

У менее специфичных ферментов в последователь-

ности

аминокислот активного центра наблюдаются небольшие

вариации.

Активность фермента определяется не только химическим

строением активного центра, но и конформацией фермента.

Инак-

тивация

фермента может происходить или в

результате

изменения

химического состава активного центра, или вследствие изменения

конформации.

Последнее в ряде случаев приводит к

тому,

что

активный

центр становится недоступным. Возможности небольших

изменений

конформации в области активного центра позволяют

наилучшим способом объединить молекулы субстрата с активным

центром при образовании активного промежуточного продукта.

Лучшему

взаимодействию субстрата с ферментом способствует

также и то, что в макромолекуле фермента имеются области, на

которых происходит адсорбция молекулы субстрата на необходи-

мых расстояниях от активного каталитического центра, что спо-

собствует

протеканию химического процесса. Адсорбционные цент-

ры обеспечивают доступ к каталитическому центру только вполне

определенным молекулам. Это обстоятельство приводит к

тому,

что многие ферменты, в отличие от известных гомогенных и гете-

рогенных катализаторов, проявляют абсолютную субстратную спе-

цифичность,

т. е. каждый фермент способен осуществлять обра-

тимое или необратимое превращение только одного субстрата или

одной

пары (для бимолекулярных процессов) субстратов в соот-

ветствующие продукты, проявляя инертность к гомологам суб-

стратов. Есть ферменты, называемые малоспецнфичными, которые

ускоряют несколько разных типов реакций, но и они часто оказы-

ваются абсолютно специфичными по отношению к одной опреде-

ленной

реакции.

Структурные данные, указывающие способ пространственной

укладки полипептидной цепи, т. е. раскрывающие третичную струк-

туру

белковых

глобул,

подтверждают наличие адсорбционных

центров,

построенных в виде

«щели»

и расположенных недалеко

от каталитических центров. Так, активный центр карбоангидразы

представляет собой некоторую

«щель»,

на дне которой и распола-

гается каталитический участок. Эти

«щели»

имеют вполне опре-

деленные геометрические размеры и такое распределение поляр-

ных и неполярных групп, которое позволяет пропускать к ката-

литическим центрам и придавать необходимую ориентацию

молекулам со строго определенным строением и химическими

свойствами. Этим самым обусловливается специфичный отбор суб-

стратов.

506

Из-за

возможности небольших изменений конформации макро-

f молекул ферментов адсорбционный центр в виде

«щели»

глобуле

является в некоторой мере подвижной структурой. На рис. 125

приведена грубая схема строения

глобул

фермента, на которой

показаны

каталитические и адсорбционные центры.

Как

уже сказано, высокая специфичность ферментов проявля-

ется не только по отношению к химическому составу реагентов,

но

и к их пространственному строению. Например, если молекула

продукта реакции содержит асимметрический атом, а молекула

исходного субстрата симметрична, значит фермент осуществляет

асимметрический синтез одного изомера. Если же исходное веще-

ство представляет собой рацемическую смесь, фермент ускоряет

превращение только одного изомера. Если в качестве исходных

веществ

берут

цис- и гране-изомеры, высокоспецифичный фермент

изменяет скорость реакции только одного стереоизомера.

Специфичность

ферментов можно подразделить на следующие:

1) абсолютную специфичность, например, уреаза, ускоряющая ги-

дролиз мочевины, не оказывает никакого действия на ее произ-

водные; 2) абсолютную групповую специфичность, когда фермент

катализирует превращение определенных категорий соединений,

например,

алкогольдегидрогеназа катализирует окисление в при-

сутствии специфического субстрата (см. ниже) этилового спирта

альдегид, но она способствует, хотя и в меньшей степени, и

окислению

неразветвленных спиртов нормального строения; 3) от-

носительную групповую специфичность, которой обладает трипсин,

способный

гидролизовать пептидную связь и действовать как экс-

траза при условии, что карбонильная группа пептидной или

эфир-

ной

связи принадлежит лизину или аргинину — аминокислоте, бо-

ковая

цепь которой имеет положительный заряд; 4) стереохимиче*

скую специфичность (ферменты способны отличать свой

субстрат

от его оптического изомера, например, окендаза L-аминокислот не

действует

на D-аминокислоты). Стереоспецифичность указывает;

что во взаимодействии субстрата с ферментом должно участвовать

по

крайней мере три из четырех заместителей у оптически актив-

ного атома

углерода.

Экспериментальные данные показывают, что кислотно-основ-

ные

группы фермента должны находиться в определенном состоя-

нии

ионизации. Поэтому актив-

ность ферментов сильно зави-

сит от рН среды, в которой

протекает биохимическая реак-

ция.

Для каждого фермента

существует

такая область зна-

чений

рН, в которой актив-

ность фермента наибольшая.

Рис.

125. Схема адсорбции субстра-

та в

глобулах

фермента.

Каталитические

Рис.

126. Типичные кривые зависимости активно-

сти фермента от рН среды. (Падение активности

при

крайних значениях рН, обозначенное пунк-

тирной

линией, обусловлено денатурацией белка.)

Качественно такую зависимость можно

объяснить изменением конформации мак-

ромолекулы в

результате

перераспреде-

ления

зарядов, а также изменением сте-

пени

диссоциации кислотных групп. При

предельных значениях рН часто происходит денатурация фермен-

та. Типичные кривые зависимости активности фермента от рН

среды показаны на рис. 126. В большинстве случаев максимум рН

лежит вблизи нейтральной зоны (рН = 7 ±2).

Кроме

высокой специфичности, что является главной особен-

ностью ферментов, они характеризуются высокой активностью.

Некоторые ферменты по активности во много раз превосходят ак-

тивность известных гомогенных и гетерогенных катализаторов.

Например,

уреаза ускоряет реакцию гидролиза мочевины

:с=о

+ н

СО

+ 2NH,

ДЯ = — 58 кДж/моль

раз больше, чем обычные катализаторы. Сопоставление ско-

ростей реакций при одинаковых концентрациях субстрата в при-

сутствии фермента и небелкового катализатора позволяет устано-

вить, какой из примененных катализаторов является более

эффек-

тивным в данных условиях, но без детального анализа нельзя ска-

зать, чем обусловлено это преимущество. Для решения этого

вопроса необходимы данные, позволяющие установить те элемен-

тарные процессы, из которых складывается весь процесс в целом.

Несмотря

на большое разнообразие типов химических превра-

щений,

совершающихся в присутствии ферментов, скорости фер-

ментативных реакций варьируют не в очень широких пределах.

Ферменты снижают энергию активации химической реакции. На-

пример,

в гомогенной среде в отсутствие катализаторов разложе-

ние

пероксида водорода идет с энергией активации 75,6 кДж/моль,

присутствии

энергия активации снижается до 54,6, фермент

каталаза снижает энергию активации до 16,8 кДж/моль. Это со-

поставление не является строгим, так как механизм реакции в

этих

трех

случаях разный, т. е., вообще говоря, рассматривается

не

одна и та же реакция.

В ферменте имеется один или более участков, в которых про-

исходит катализ за счет тесного контакта фермента с субстратом.

Молекулярная масса субстрата обычно много меньше, чем у фер-

мента. Активный центр состоит из немногочисленных реактивных

групп — боковые цепи некоторых аминокислот, амидные группы,

остовы полипептидной цепи. В состав активных центров некоторых

ферментов

входят

простатические

группы

— прочно связанные С

Е белком группы неаминокислотной природы, принимающие непо-

средственное участие в акте каталитического превращения. Такие

| группы в ряде случаев не

могут

быть отделены от белка диализом.

f;• В состав белков — переносчиков кислорода (цитохрома С, MHO-

S' глобина и гемоглобина), а также ферментов, катализирующих

различные реакции окисления, и для ферментов, катализирующих

" разложение иероксидов, в качестве простетической группы

входит

гемжелезопорфириновый комплекс:

сн

сн=сн

сн

СН

-СО

Для осуществления некоторых ферментативных реакций, кроме

фермента и субстрата, необходимо присутствие еще одного веще-

ства, которое в

ходе

ферментативных реакций испытывает цикли-

ческие превращения. Такие вещества получили название

кофер-

ментов.

Так как они не играют роль катализаторов, а выступают

качестве субстрата, их в последнее время рекомендуют назы-

вать

специализированными

субстратами.

ходе

реакции специа-

лизированный

субстрат

превращается в новый продукт. В резуль-

тате

суммарного метаболического пол

ферментного процесса

необратимого расходования специализированного субстрата не

происходит, он регенерируется за счет

других

ферментативных

реакций,

в которых продукт его превращения используется в каче-

стве реагента. Это можно представить следующей схемой (пока-

заны

только исходные и конечные продукты):

Е,

или

чи >

где Е — фермент; S —

субстрат;

субстрат.

С'+Р,

или

СР,

продукт реакции; С —специализированный

Эта схема показывает, что функция специализированного суб-

страта С заключается в переносе реакционноспособного промежу-

точного продукта от одного ферментативного процесса к

другому.

В каталитических свойствах ферментов определенную роль иг-

рают ионы металлов. Они

могут

быть; 1) ингибиторами (напри-

мер,

ионы Ag+, Hg+,

);

2) активаторами, не участвующими

непосредственно в акте катализа, но способствующими сорбции

субстрата или взаимодействию субстрата с активным центром,

или

образованию четвертичной структуры фермента (четыре иона

цинка

стабилизируют

структуру

алкогольдегидрогеназы, состоя-

щей

из четырех субединиц); 3) активаторами, входящими в состав

активных центров ферментов или в простетические группы и по-

этому непосредственно участвующими в каталитических реакциях

(например,

в состав активного центра карбоксипептидазы А вхо-

дит

лейцинаминопептидазы —

Мп

или

аскорбатокси-

дазы —

Си

гидрогеназ —

Вся система реактивных групп фермента имеет строго опреде-

ленную конформацию. Небольшие изменения конформации актив-

ного центра объясняют возможность регулирования активности

фермента. Субстрат может вызвать конформационные изменения,

которые активируют фермент.

Опыт показывает, что механизм ферментативного катализа

сводится к процессам нуклеофильного и электрофильного или об-

щего кислотно-основного катализа. Трансферазы, гидролазы, нзо-

меразы, лиазы и большая часть оксиредуктаз оказались кислотно-

основными

катализаторами.

Реакции,

катализируемые ферментами, можно разделить на

два класса: реакции, сводящиеся к переносу электронов; реакции,

сопровождающиеся переносом и электронов, и протонов. Фермент

обычно содержит кислотный и основной остатки. Высокая

эффек-

тивность действия фермента часто объясняется одновременным

действием этих групп. Например, можно предположить, что при

ферментативном гидролизе эфиров происходит одновременно нук-

леофильная

атака на карбонильный атом

углерода

основной груп-

пой

и передача протона к активному атому кислорода от кислот-

ной

группы. Такой «пуш-пульный» механизм является очень эф-

фективным.

В гл. XIII, § 5 показано, что в реакции мутаротации глюкозы

катализаторами являются фенол (а), пиридин (б) и 2-гидрокси-

пиридин

(в):

ОН

2-Оксипиридин более слабая кислота, чем фенол, и более сла-

бое основание, чем пиридин. Однако 2-гидроксипиридин более

активный

катализатор, чем фенол и пиридин, так как

действует

по

«пуш-пульному»

механизму.

Тесный

контакт активного центра фермента с субстратом при-

водит к образованию промежуточного соединеия, которое претер-

«10

зевает дальнейшие изменения с образованием конечного продукта

механизму внутримолекулярной реакции. В стерически выгод-

ных условиях внутримолекулярные реакции протекают быстрее,

чем соответствующие межмолекулярные превращения. Это может

быть еще одной причиной высокой скорости ферментативных ре-

акций.

Обычно продукт ферментативной реакции имеет иную струк-

туру

и меньшее сродство к активному центру, чем

субстрат,

по-

этому фермент легко освобождается от конечных продуктов реак-

ции.

Однако в некоторых случаях продукты реакции

ведут

себя

как

конкурентные ингибиторы (см. гл. XV, § 3).

2. Кинетика ферментативных реакций

Реакции

одним

субстратом

Скорость ферментативных реакций обычно прямо пропорциональ-

на

концентрации фермента в первой степени. Характерно, что при

заданной

концентрации введенного фермента скорость реакции

вначале линейно изменяется с концентрацией субстрата, а затем

становится независимой от концентрации субстрата. Зависимость

скорости реакции от концентрации субстрата показана на

рис.

127, а.

Наблюдающуюся зависимость можно объяснить, если предпо-

ложить, что процесс протекает в две стадии:

Е+

Е + Р

где ES--комплекс; Р — конечный продукт.

(а)

(б)

Рис.

127. Кривая зависимости скорости ферментативной реакции от концентра-

ции

субстрата

(а), соответствующая уравнению (Ь), н графические методы опре-

деления

оР

и А« (6, в, г).

611

Пользуясь принципом стационарности, можно записать

*i [EJ [S] - fe

[ES] - ft

[ES] = 0

(I)

Общая начальная концентрация фермента

[Е]

равна концентра-

ции свободного фермента

[Е]

плюс концентрация комплекса

[ES],T.

е.

l] tES] (2)

Подставляя значение [Е], найденное из выражения (2), в вы-

ражение (1) и решая полученное уравнение относительно [ESj,

получим

[ES]

= ft,

[Е]

l$]/(k

+ k

+ ft, [S]) (3)

Скорость образования конечного продукта Р согласно принятой

схеме

(4)

(5)

Подставляя в (4) выражение (3), находим

ft,[S]

+[S]

Это уравнение было получено другими способами в 1903 г. Анри

в 1913 г. Михаэлисом и Ментен. Константу

~(k2

£з)/&1

на-

зывают

константой

Михаэлиса.

Из

выражения (5) видно, что если [S] < k

, то

т. е.

будет

наблюдаться первый порядок реакции по

субстрату.

Если

[S] > k

, то

w = «з [Ejo (7)

Порядок

реакции по

субстрату

в этом

случае

нулевой, а скорость

реакции

соответствует предельной (см. рис. 127,а).

Скорости

различных ферментативных реакций удобно сравни-

вать при насыщении субстратом, т. е. при таких концентрациях

субстрата, когда скорость реакции перестает зависеть от концен-

трации последнего.

Величина k$ в выражении (7) имеет размерность t~

. Эту ве-

личину часто называют числом оборотов, так как она показывает

число молекул субстрата, превращаемых в продукт одним актив-

ным

центром фермента в единицу времени. Однако примени-

мость уравнения (5) для описания кинетики ферментативной ре-

акции

вовсе не означает, что справедлива рассмотренная схема.

Легко можно показать, что и более сложные схемы протекания

ферментативных реакций приводят к уравнению (5). В этих слу-

чаях константа k

не имеет того смысла, который ей придает реак-

ция

(б). В эту константу может входить ряд констант скоростей

реакции

более сложных схем, и

тогда

константа &

не сможет слу-

жить мерой числа оборотов.

612

уравнению (5), как

будет

показано ниже, можно прийти Й

случае

реакций, которые протекают через два промежуточных

комплекса

по

схеме

E + S ч=* ES ^=fc ES' —• Е+Р

а также

(при

некоторых упрощениях)

и в

случае

реакций,

в ко-

торых

участвуют

два

субстрата.

Выражение

(5) для

начальной скорости

когда

[S] = [S]

можно переписать

виде

Если

то

(ft

/[SlobFT

(8)

»о-*>[ЕЬ/2

(В)

т.

е.

константа Михаэлиса

численно равна

той

концентрации

субстрата,

при

которой начальная скорость реакции равна поло-

вине

предельной скорости,

так как

согласно

(7)

величина

[Е]

соответствует предельной скорости.

Значения

предельной скорости реакции, равной Аз[Е]

находят обычно одним

нз

трех

способов, основанных

на

преобра-

зовании

выражения

(8) к

виду линейного уравнения. Обозначим

для

удобства

величину £

[Е]

через ш„ред. Тогда

из

уравнения

(8)

получим

1 k

~Що

Отсюда видно, что в координатах \/w

—

1/[S]

получитс-я

прямая

(см. рис. 127). Отрезок, отсекаемый этой прямой на оси

ординат,

будет

равен

1/ш

ре

а тангенс

угла

наклона прямой ра-

вен

ftm/йУпред-

Таким образом легко и достаточно точно определяют

две важные константы, характеризующие кинетику ферментатив-

ной

реакции, Шпред и k

- Как видпо из рис.

127,6,

константу km

можно определить и по отрицательному отрезку, отсекаемому на

оси

абсцисс, так как при 1/ш

= О, l/w =

npea

[S]o

Кроме

того, выражение (8) можно переписать в виде

откуда

В координатах w

— Wo/[S]

получится прямая, с помощью ко-

торой легко определить

пу

пР

ед

и k

(рис. 127,в).

Умножая (10) на [S]

, получим

1S1

°- *- • ' г.»

Отсюда видно, что зависимость [S]

/a>o от [S]

является ли-

нейной

(рис. 127, г).

Зная

предельную скорость, по уравнению (9) можно рассчи-

тать значение А

—константы скорости

распада

комилекса

ES, a

80$

513

зная

km, рассчитать по выражению (3) стационарную концентра-

цию комплекса [ES]. Труднее найти константы k\ и k%. Для их

определения необходимо экспериментально изучить кинетику про-

цесса в широком интервале концентраций.

Применение метода стационарных концентраций для реакции,

протекающей по

схеме

E+S

*==*

ES 4=t ES' ^ Е + Р

приводит к уравнению

где

| эфф

+ [S]

)

(13)

'эфф

[Е]

Уравнение (13) формально аналогично уравнению (5), но

смысл констант, входящих в него, иной. Поэтому, пользуясь урав-

нением (5), нельзя сказать, как же в действительности протекает

процесс — образуется конечный продукт из первого возникшего

промежуточного соединения или реакция протекает с образова-

нием ряда промежуточных продуктов. Примером реакции, проте-

кающей через два промежуточных комплекса, является реакция,

катализируемая пероксидазой. Бурый фермент сначала приобре-

тает

зеленую окраску (образуется ES), а затем становится крас-

ным (образуется ES').

Реакции

двумя

субстратами

Многие ферментативные реакции протекают с участием

двух

суб-

стратов. В простейшем

случае

катализатор, образуя с

субстра-

том Si промежуточный комплекс, активирует только

субстрат

E + S,

Продукт же реакции возникает в

результате

взаимодействия ком-

плекса со вторым субстратом

ES,

+ S; —*-*• Е + Р

Для этой кинетической схемы характерно, что процесс распада

комплекса является бимолекулярным. Применяя условия стацио-

нарности, для стационарной начальной концентрации получим вы-

ражение, отличающееся от ранее найденного (3) тем, что в него

входит

начальная концентрация

субстрата

[S]o и вместо кон-

станты k

— величина Д'зЕЗзЬ т. е.

[ES[]3

M^UEb

(Н)

Начальная скорость реакции

будет

равна

Обычно изучают зависимость начальных скоростей от исход-

ных концентраций каждого из компонентов при постоянной кон-

центрации

другого

участника реакции. Если постоянной поддер-

живается концентрация [Бг] = с

, то уравнение (15) легко преоб-

разуется к виду

эфф[

1]о

. эфф

где

да.

. эфф

(16)

(IT)

(18)

Константа

As,—субстратная

константа.

Задавая несколько значений концентраций с

, легко найти гра-

фическим методом, рассмотренным ранее, эффективные значения

константы Михаэлиса и величину ш

эфф

Подставляя значение константы Аз согласно (17) в выраже-

ние

(18), получим

'т. эфф

*s,+

эфф

(19)

Графическим путем, строя прямую k'

^ = f (c

), согласно

уравнению (18) по отрезку, отсекаемому на оси ординат, находят

значение ks

а по тангенсу

угла

наклона прямой —k

зная кото-

рую можно найти Дг

—&s,Ai>

Таким образом, кинетический ана-

лиз

двухсубстратных

реакций оказывается более полным, чем од-

носубстратных, где определение k

и k\ методом стационарного

приближения невозможно.

Если постоянная концентрация первого компонента [Si]

—с

то уравнение начальной скорости реакции имеет вид

где

'"эфф

l^lo^l

(21)

"т, эфф

\ 2

1//*з

(22)

В этом случае, определив k"

m эфф

для разных концентраций С\,

можно найти все константы, характеризующие

двухсубстратную

реакцию, протекающую по приведенной выше схеме.

Если £з[5

]

"^ *2»

- концентрация комплекса близка к

равновесной, то, пренебрегая малой величиной в знаменателе вы-

ражения (15), получим

[Si

(28)

614

516

Реакция

этом

случае

имеет первый порядок

по

субстрату

переменный порядок

по

субстрату

Si.

Фермент может образовывать комплексы

обоими субстра-

тами. Наиболее интересным является случай, когда фермент

об-

разует

комплексы

ESi, ES

комплекс ESiS

котором

проис-

ходит

каталитическое превращение субстратов

образованием

конечных продуктов. Применение метода стационарных концен-

траций

этом

случае

приводит

очень громоздкому уравнению,

мало удобному

для

выявления общих закономерностей. Более

про-

стые выражения получаются, когда скорости распада промежуточ-

ных соединений настолько малы,

что

концентрации промежуточ-

ных соединений оказываются близкими

равновесным, получа-

ющимся

отсутствие реакции распада промежуточных соединений.

В этом

случае

при

условии,

что [Е}

< [Si]

и [Е]

]o,

уравнения материальных балансов запишутся следующим

об-

разом:

[S.J

[S,]

;

[S,] « [S

[Е]

[ES,]

[ES

]

[ES,S

]

(24)

(26)

(W)

(27)

(28)

Константы равновесия нижеследующих реакций имеют

вид

+ S,

ES,;

IES,]

[E1[S

]

IES

]

[ES.Sj]

Множители

oci и a

отражают изменение сродства

отмеченному

индексом

субстрату

под

влиянием присоединения

другого

суб-

страта

ферменту

Е.

Из

четырех напиеанных констант равновесия независимы толь-

ко

три, так как

легко показать,

что

/CsiKsiSj

—tfsjKsiSi-

Прини-

мая

для

простоты,

что a

= cei

"*=

ос,

из

выражения

(28) и (27)

находим

IBS,].

[ES

]

ISab

Из

выражений

(25) и (29)

получаем

[EJ

(29)

(30)

(31)

Подставляя

выражение

(24)

выражения

(29), (30), (31) и

решая полученное уравнение относительно [ES]S

], находим

•

;E]oIS,1,[S,lo

FES

l]o[

]

010

При

сделанном выше предположении,

что

устанавливается

рав-

новесие

между

исходными веществами

комплексами, концентра-

ции

которых близки

равновесным, получающимся

отсутствие

реакции распада промежуточных соединений, скорость реакции

лимитируется необратимой стадией распада комплекса ESiS

образованием конечных продуктов,

т. е.

где k—константа скорости распада комплекса ESiS

Подставляя

в (33)

выражение

(32), а

также учитывая,

что

= K

<xK

= K

SiSJ

получим

Разделив чиелитель

знаменатель уравнения

(34) на

[S2]o. находим

где

К.

»фф

(86)

(88)

(37)

Как

видно

из

выражений

(36) и (87),

ьу

фф

-»фф зависят

от концентрации второго субстрата. Если принять,

что (S

] = c

(где

—

постоянная величина),

то

выражение

(35)

становится

аналогичным выражению

(5):

если [Sa]

foiSj»

то

ш»фф

ft'[E]

=«

«*=а>пред, km,

фф

«»

Si,

если [S2j<KsiS

то

фф

[Е1]

[5^]

/JCsiSj

И k

фф «s /Csr

Следовательно, подбирая соответствующие постоянные концен-

трации [S

]o, можно ранее описанными методами найти

ft',

ASI»

а при

постоянных концентрациях [Si]

переменных

($в]о можно определить

/Csis

/Cs

т. е.

найти

все

константы,

входящие

уравнение

(34).

Если присоединение одного субстрата

катализатору

не

влия-

ет

на

сродство

другому,

т. е.

если

Kst^Ks^,

уравнение

(34)

может быть записано

виде

[S,

+ [

s, +

]

случае

превращения

двух

молекул одного субстрата

(38)

К<

уравнение (34)

переходит

уравнение

Ш>0 (39)

617