Кинетика и термодинамика ферментативных реакций - OXFORDST.RU

Кинетика и термодинамика ферментативных реакций

Кинетика и термодинамика ферментативных реакций

к практическим занятиям

Специальность 020208.65 — Биохимия

Составитель: н.М.Титова

Кинетика и термодинамика ферментативных реакций: Сборник задач к практическим занятиям /[Текст] / сост. Н.М. Титова. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. – 64 с.

Сборник задач по курсу «Кинетика и термодинамика ферментативных реакций» составлен в соответствии с программой курса и является учебно-методическим руководством по решению задач по кинетическим свойствам ферментов.

В учебном пособии представлены четко структурированные задачи по основному разделу курса «Кинетика ферментативных реакций» разной степени сложности. Предназначено для студентов биологических и медико-биологических специальностей университетов.

ВвЕдение

В ферментативной кинетике концепция стационарности применима к концентрациям связанных с ферментом интермедиатов. Когда фермент смешивается с избытком субстрата наблюдается начальный период, известный как предстационарное состояние, в течение которого концентрации этих интермедиатов достигают стационарного уровня. По достижении интермедиатами стационарных концентраций скорость реакции относительно медленно изменяется со временем и именно в данный период традиционно измеряют скорости энзиматических реакций.

Стационарное состояние является аппроксимацией, поскольку субстрат постепенно превращается в ходе эксперимента. Но, принимая во внимание, что измерения осуществляются за короткий промежуток времени, когда концентрация субстрата изменяется незначительно, стационарное состояние является хорошей аппроксимацией. Хотя изучение предстационарной кинетики позволяет анализировать механизмы ферментативного катализа, стационарная кинетика более важна для измерения каталитической активности фермента при стационарных состояниях в клетке.

Раздел 1. Уравнение Михаэлиса-Ментен

Впервые А. Браун (Brown A.J.) и затем В.Анри (Henri V.) в начале ХХ века высказали предположение о том, что в основе ферментативной реакции лежит обратимое взаимодействис субстрата с ферментом с образованием комплекса, который далее распадается с образованием продуктов реакции и регенерацией исходного фермента. Эта гипотеза была далее развита в работах Михаэлиса (L. Michaelis) и Ментен (M.L. Menten) (1913 г.) и позднее – Бригсом (G.E. Briggs) и Холденом (J.B.S. Haldane) (1925 г.).

Кинетическую схему простейшей односторонней ферментативной реакции превращения одного субстрата в продукт можно представить следующим образом:

(1.1)

Ферментативная реакция протекает в два этапа. На первом этапе фермент и субстрат образуют фермент-субстратный комплекс ES. Этот этап является быстрым и обратимым, он не сопровождается какими-либо химическими изменениями субстрата. Константы скорости реакции образования фермент-субстратного комплекса и обратного его распада равны соответственно k+1 и k-1. В образовании фермент-субстратного комплекса (ФСК, комплекс Михаэлиса) принимают участие нековалентные взаимодействия.

Каталитический процесс осуществляется на втором этапе реакции с константой первого порядка k+2 (kcat, число оборотов фермента). Комплекс Михаэлиса распадается с образованием конечного продукта реакции Р и регенерацией исходного фермента. Распад фермент-субстратного комплекса может происходить по-разному: в данной кинетической схеме он распадается в одну стадию, но в других случаях этих стадий может быть несколько.

Исходя из уравнения (1), можно расписать уравнения для скоростей отдельных стадий реакции.

Скорость образования фермент-субстратного комплекса:

.

Скорость обратной реакции (диссоциации комплекса на исходные вещества):

.

Скорость распада комплекса ES с образованием продуктов реакции и регенерацией фермента:

.

Стационарное течение процесса возможно тогда, когда концентрация субстрата существенно превосходит концентрацию фермента ([S]>> [E]). В этом случае распад комплекса ES по реакциям (+2) и (-1) уравновешивается его образованием по реакции (+1). Поэтому для условия стационарности можно записать:

.

Обозначив общую концентрацию фермента через [E], при условии, что [E] = [E] + [ES], преобразуем предыдущее уравнение

.

Откуда концентрация фермент-субстратного комплекса будет равна

.

,

.

Скорость ферментативной реакции, измеряемая согласно схеме (1) по образованию продукта реакции Р из комплекса ES, может быть выражена следующим образом

.

Подставляя в это выражение найденное значение [ES], получаем

Данное уравнение отражает зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента и субстрата. Константа Км носит название константы Михаэлиса и имеет размерность концентрации субстрата. Уравнение (2) свидетельствует, что зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата при [E]=const является гиперболической функцией (рис. 1.1).

Рис.1.1. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата

Кривая представляет собой равнобочную гиперболу. При достаточно малых концентрациях субстрата, когда [S] > Км, можно принять, что Км + [S] ≈ [S], и тогда

а реакция имеет нулевой порядок по отношению к субстрату. Следовательно, при достижении определенной концентрации субстрата скорость ферментативной реакции достигает максимального значения Vmax и при дальнейшем увеличении концентрации субстрата не изменяется.

Смысл такого рода зависимости очевиден: скорость ферментативной реакции определяется в целом концентрацией фермент-субстратного комплекса и при малых концентрациях субстрата концентрация комплекса Михаэлиса пропорциональна [S], тогда как при избытке субстрата фактически весь фермент находится в форме ES. Дальнейшее повышение концентрации субстрата не приводит к увеличению [ES].

С учетом приведенного выше выражения, окончательное уравнение зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации фермента и субстрата приобретает вид

. (1.3)

Уравнение (3) является фундаментальным уравнением ферментативной кинетики и обычно называется уравнением Михаэлиса-Ментен.

Скорость реакции приближается к максимальной достаточно медленно, и даже при [S]= 10Км, величина скорости достигает только 0,91 Vmax. В связи с этим значение максимальной скорости очень часто трудно измеримо и его приходится рассчитывать из скоростей, наблюдаемых при концентрациях субстрата ниже насыщающих.

Учебное пособие: Кинетика и термодинамика ферментативных реакций

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ В.Г. БЕЛИНСКОГО

на заседании Ученого совета естественно-географического факультета

протокол заседания совета факультета

№ ___от «___» _________2007 г.

факультета _____________Н.А. Кагина

Проректор по учебной работе

«___» _________2007 г.

ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Кинетика и термодинамика ферментативных реакций

1. Квалификационные требования

Квалификация выпускника – биохимик.

Нормативный срок освоения основной образовательной программы подготовки биохимика по специальности 020208 Биохимия при очной форме обучения 5 лет.

Квалификационная характеристика выпускника

Специалист-биохимик осуществляет деятельность по изучению строения и свойств химических соединений, входящих в состав живых организмов, метаболизма и его регуляции. Разрабатывает нормативные документы в своей области деятельности, организует и выполняет экспедиционные работы и лабораторные исследования; анализирует получаемую полевую и лабораторную информацию, обобщает и систематизирует результаты выполненных работ, используя современную вычислительную технику; составляет научно-технические отчеты и другую установленную документацию; следит за соблюдением установленных требований, действующих норм, правил и стандартов в области своей деятельности. Проводит экспериментальные исследования в своей области, формулирует их задачу, участвует в разработке и осуществлении новых методических подходов, обсуждении, оценке и публикации результатов, проводит патентную работу, участвует в работе семинаров и конференций, составлении патентных заявок.

В производственных и медицинских организациях проводит биохимическую аналитическую работу, участвует в диагностике и экспертизе, сертификации продуктов производства.

Исходя из своих квалификационных возможностей, специалист-биохимик подготовлен к самостоятельной работе на должностях биохимика, врача-лаборанта, биолога, лаборанта-исследователя, инженера-исследователя, научного сотрудника в научно-исследовательских и научно-производственных учреждениях, и других должностях, в соответствии с требованиями Квалификационного справочника должностей руководителей, специалистов и других служащих, утвержденных постановлением Минтруда РФ от 21.08.98 № 37.

Специалист-биохимик подготовлен к педагогической деятельности на должности преподавателя в средней школе и учреждениях профессионального образования при условии освоения дополнительной образовательной программы психолого-педагогического профиля.

Область профессиональной деятельности.

Исследование строения и физико-химических свойств химических соединений, входящих в состав живых организмов, метаболизма и молекулярных механизмов его регуляции.

Объекты профессиональной деятельности.

Вирусы и микроорганизмы, клеточные органеллы и одиночные клетки, многоклеточные организмы (растения и животные).

Виды профессиональной деятельности.

· Проведение научных исследований в области биохимии и молекулярной биологии: сбор и подготовка научных материалов, квалифицированная постановка экспериментов, обработка результатов клинических анализов и экспериментальных исследований.

· Научно-производственная и организационная деятельность;

· Педагогическая деятельность (при условии освоения соответствующей образовательно-профессиональной программы педагогического профиля) преподавание в средней и высшей школе, осуществление просветительской деятельности.

· Иные виды деятельности, позволяющие использовать базовую биологическую подготовку и подготовку по специальности 020208 – Биохимия.

2. Требования ГОС по дисциплине

Законы классической термодинамики в биохимии; теория энергетического сопряжения, богатые энергии соединения; термодинамическое равновесие; методы расчета термодинамических характеристик биохимических реакций; теоретические основы кинетики ферментативных реакций и методы расчета.

3 . Цели и задачи дисциплины

Кинетика и термодинамика ферментативных реакций является основой для большинства расчетов, использующихся на биотехнологических, в частности, энзимологических производствах.

Дипломированный специалист-биохимик должен иметь представление о математическом аппарате ферментативной кинетики и владеть методом расчетов основных констант ферментативных реакций, уметь определять тип ингибирования по экспериментальным данным и определять эффективность ингибирования.

Читайте также  Копилка педагогических ситуаций

Цель курса «Кинетика и термодинамика ферментативных реакций» — показать применение основных физико-химических законов к ферментативным реакциям, ознакомить со способами расчетов, часто встречающихся на практике – в научной и производственной деятельности.

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом Высшего профессионального образования для студентов, обучающихся по специальности 020208 – «Биохимия».

4. Место дисциплины в профессиональной подготовке студентов

Курс «кинетики и термодинамики ферментативных реакций» является заключительным курсом в цикле спецдисциплин федерального компонента, посвященных изучению ферментов. Он имеет основополагающее значение, поскольку главным объектом его изучения являются ферменты – катализаторы всего живого, без которых немыслимыми являются все биохимические процессы.

Распределение времени, отведенного на изучение дисциплины по учебному плану

Форма итогового контроля

Тематические планы для очной формы обучения

Содержание дисциплины

Введение в кинетику и термодинамику ферментативных реакций. Ранние исследования. История вопроса. Законы классической термодинамики в биохимии; теория энергетического сопряжения, богатые энергии соединения.

2. Кинетика и термодинамика ферментативных реакций

Термодинамическое равновесие; методы расчета термодинамических характеристик биохимических реакций; теоретические основы кинетики ферментативных реакций и методы расчета. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Вывод, анализ. Принцип стационарности. Методы определения кинетических параметров. Кинетика двухстадийных ферментативных реакций. Графическое представление ферментативных реакций. Термодинамические методы выведения уравнений стационарной скорости. Метод Кинга-Альтмана. рН-зависимости ферментативных реакций. Температурные эффекты ферментативных реакций. Равновесные концентрации реагентов.

3. Кинетика и термодинамика ингибиторов и активаторов

Классификация ингибиторов. Кинетика и термодинамика ингибиторов. Способы определения типов ингибирование по экспериментальным данным. Равновесные концентрации реагентов. Применение ингибиторов.

4. Механизмы ферментативного катализа

Классификация механизмов и схематическое представление. Уравнения скорости. Изотропный обмен. Индуцированный перенос.

5. Контроль ферментативной активности

Необходимость контроля метаболических процессов. Уравнение Хилла. Уравнение Эдера. Уравнение Полинга. Симметричная модель Моно, Уаймена и Шанже. Кинетические модели кооперативности. Последовательная модель Кошланда.

Список основной литературы

1. Березин И.В., Мартинек К. Основы физической химии ферментативного катализа. — М.: Высшая школа, 1977. — С. 216-225.

2. Ленинджер А. Основы биохимии. — М.: Мир, 1985. — 260 с.

3. Курганов Б.И. Аллостерические ферменты. — М.: Наука, 1978. — С. 11-41.

4. Варфоломеев Р.Д., Зайцев С.В. Кинетические методы в биохимических исследованиях. — М.: МГУ, 1982. — 344 с.

5. Введение в мембранологию: Учеб. пос. / Под ред. А.А. Болдырева. — М.: МГУ, 1990. — 208 с.

6. Современные проблемы биокинетики / Под ред. С.Д. Варфоломеева. — М., 1987.

7. Березин И.В., Клесов А.А. Практический курс химической и ферментативной кинетики. — М., 1980.

8. Березин И.В., Варфоломеев С.Д. Биокинетика. — М., 1979.

9. Полторак С.М., Чухрай Е.С. Физико-химические основы ферментативного катализа. — М., 1971.

10. Лапина Г.П. Элементы кинетики ферментативных реакций. -Тверь: ТвГУ, 1998. — 66 с.

Список дополнительной литературы

1. Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии / Пер. с англ.: В 2-х ч. — М., 1989.

2. Варфоломеев С.Д., Зайцев С.В. Кинетические методы в биохимических исследованиях. — М., 1982.

3. Введение в прикладную энзимологию / Под ред. И.В. Березина, К. Мартинека. — М., 1982.

4. Дженкс Б. Катализ в химии и энзимологии. — М., 1972.

5. Корниш-Боуден Э. Основы ферментативной кинетики. — М., 1982

Требования к уровню освоения программы

В результате изучения данной дисциплины студент должен:

знать математические модели ферментативных реакций.

уметь определять основные кинетические и термодинамические параметры по экспериментальным данным.

владеть приемами и навыками работы с ферментами.

Перечень вопросов к экзамену

1. Введение в кинетику ферментативных реакций.

2. Ранние исследования.

3. История вопроса.

4. Кинетика одностадийных ферментативных реакций.

5. Кинетика двухстадийных ферментативных реакций.

6. Регуляция ферментативных параметров.

7. Ингибирование (активация) ферментативных реакций.

8. Обратимые и необратимые ингибиторы.

9. Кинетические типы ингибирования (активации).

10. Методы анализа экспериментальных данных.

11. Определение кинетических параметров пероксидазы.

12. Ингибирование субстратом.

13. рН-зависимости ферментативных реакций.

14. Температурные эффекты ферментативных реакций.

15. Интегральная форма уравнения Михаэлиса-Ментен.

16. Термодинамика регуляции ферментативной активности.

17. Кинетико-термодинамические подходы к изучению кооперативного связывания.

18. Классификация механизмов ферментативных реакций.

19. Уравнение стационарной скорости.

20. Справедливость допущений принципа стационарности.

21. Выведение уравнения стационарной скорости.

22. Последовательная модель Кошланда.

Сведения о переутверждении программы на

очередной учебный год и регистрации изменений

от «____»____________20_ г.

Зав. кафедрой ______________

от «____»____________20_ г.

Зав. кафедрой ______________

от «____»____________20_ г.

Зав. кафедрой ______________

Учебная программа составлена на основании ГОС ВПО 2000 г. для специальности 020208–«Биохимия»

1. Соловьев В.Б., канд. биол. наук, доцент _________________________

Настоящая программа не может быть воспроизведена ни в какой форме без предварительного письменного разрешения кафедры-разработчика программы.

Программа одобрена на заседании кафедры биохимии

Протокол № от «___» _____________ 200 года

Зав. кафедрой биохимии

д.б.н., профессор Генгин М.Т. ___________________________________

Программа одобрена учебно-методическим советом Естественно-географического факультета

«_____» _____________ 2007 года

Председатель учебно-методического совета

к.т.н., доцент ___________________________ О.В. Зорькина

Программа одобрена учебно-методическим управлением университета

«_____» _____________ 2007 года

управления университета ___________________ Г.Н. Шалаева

Химическая энциклопедия
ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ КИНЕТИКА

ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ КИНЕТИКА

ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ КИНЕТИКА — изучает закономерности протекания во времени ферментативных р-ций, а также их механизм; раздел кинетики химической.

Каталитич. цикл конверсии в-ва S (субстрата) в продукт P под действием фермента E протекает с образованием промежут. соед. X i :

где ki — константы скорости отдельных элементарных стадий, S -> константа равновесия образования фермент-субстратного комплекса X 1 (ES, комплекс Михаэлиса).

При данной т-ре скорость р-ции зависит от концентраций фермента, субстрата и состава среды. Различают стационарную, предстационарную и релаксационную кинетику ферментативных р-ций.

Стационарная кинетика. В стационарном состоянии по промежуточным соед. (dX i /dt = 0, i = 1, . n) и при избытке субстрата , где [S] 0 и [E] 0 — начальные концентрации соотв. субстрата и фермента, кинетика процесса характеризуется постоянным, неизменным во времени уровнем концентраций промежут. соед., а выражение для скорости процесса v 0 , наз. начальной стационарной скоростью, имеет вид (ур-ние Михаэлиса- Ментен):

где значения k кат и К м -> ф-ции констант скорости элементарных стадий и заданы ур-нениями:

Величину k кат наз. эффективной каталитич. константой скорости процесса, параметр К м -> константой Михаэлиса. Значение k кат определяется величинами i наиб. медленных стадий каталитич. р-ций и иногда наз. числом оборотов фермента (ферментной системы); k кат характеризует число каталитич. циклов, совершаемых ферментной системой в единицу времени. Наиб. распространены ферменты, имеющие значение k кат . для специфич. субстратов в диапазоне 10 2 -10 3 с -1 . Типичные значения константы Михаэлиса лежат в интервале 10 -3 — 10 -4 M.

При больших концентрациях субстрата, когда т. е. скорость р-ции не зависит от концентрации субстрата и достигает постоянной величины, наз. макс. скоростью. Графически ур-ние Михаэлиса — Ментен представляет собой гиперболу. Его можно линеаризовать, используя метод двойных обратных величин (метод Лайнуи-вера — Берка), т. е. строя зависимость 1/vот 1/[S] 0 , или др. методы. Линейная форма ур-ния (1) имеет вид:

Она позволяет определить графически значения К м и v макс (рис. 1).

Рис. 1. График линейной трансформации ур-ния Михаэлиса — Ментен в двойных обратных величинах (по Лайнуиверу — Берку).

Величина К м > численно равна концентрации субстрата, при к-рой скорость р-ции равна , поэтому К м часто служит мерой сродства субстрата и фермента, однако это справедливо лишь, если

Величины К м > и m изменяются в зависимости от значений рН. Это связано со способностью участвующих в катализе групп молекулы фермента изменять свое состояние ионизации и, тем самым, свою каталитич. эффективность. В простейшем случае изменение рН приводит к протонированию или депротонированию, по крайней мере, двух ионизирующихся групп фермента, участвующих в катализе. Если при этом только одна форма фермент-субстратного комплекса (напр., ESH) из трех возможных (ES, ESH и ESH 2 ) способна превращаться в продукт р-ции, то зависимость скорости от рН описывается ф-лой:

где f = 1 + + ]/K а + K b /[H + ] и f ‘ = 1 + + ]/К’ а >+ K’ b />[H + ] -т. наз. рН-ф-ции Михаэлиса, а К а , К b и К’ a , K’ b -> константы ионизации групп аи bсоотв. своб. фермента и фермент-субстратного комплекса. В координатах lg кат — рН эта зависимость представлена на рис. 2, причем тангенсы углов наклона касательных к восходящей, независимой от рН, и нисходящей ветвям кривой должны быть равны соответственно +1, 0 и -1. Из такого графика можно определить значения рК а групп, участвующих в катализе.

Читайте также  Абу Райхан Беруни

Рис. 2. Зависимость каталитич. константы от рН в логарифмич. координатах.

Скорость ферментативной р-ции не всегда подчиняется ур-нию (1). Один из часто встречающихся случаев — участие в р-ции аллостерич. ферментов (см. Регуляторы ферментов), для к-рых зависимость степени насыщения фермента от [S] 0 имеет негиперболич. характер (рис. 3). Это явление обусловлено кооперативностью связывания субстрата, т. е. когда связывание субстрата на одном из участков макромолекулы фермента увеличивает (положит. кооперативность) или уменьшает (отрицат. кооперативность) сродство к субстрату др. участка.

Рис. З Зависимость степени насыщения фермента субстратом от концентрации субстрата при положительной (I) и отрицательной (II) кооперативности, а также в ее отсутствии (III).

Предстационарная кинетика. При быстром смешении р-ров фермента и субстрата в интервале времен 10 -6 -10 -1 с можно наблюдать переходные процессы, предшествующие образованию устойчивого стационарного состояния. В этом предстационарном режиме при использовании большого избытка субстрата система дифференц. ур-ний, описывающая кинетику процессов, линейна. Решение данного типа системы линейных дифференц. ур-ний дается суммой экспоненциальных членов. Так, для кинетич. схемы, представленной выше, кинетика накопления продукта имеет вид:

где A i ->, b, а n -> ф-ции элементарных констант скорости; -корни соответствующего характеристич. ур-ния.

Величина, обратная , наз. характеристич. временем процесса:

Для р-ции, протекающей с участием nпромежут. соед., можно получить nхарактеристич. времен.

Исследование кинетики ферментативной р-ции в предстационарном режиме позволяет получить представление о детальном механизме каталитич. цикла и определить константы скорости элементарных стадий процесса.

Экспериментально кинетику ферментативной р-ции в предстационарном режиме исследуют с помощью метода остановленной струи (см. Струевые кинетические методы), позволяющего смешивать компоненты р-ции в течение 1 мс.

Релаксационная кинетика. При быстром возмущающем воздействии на систему (изменение т-ры, давления, электрич. поля) время, к-рое необходимо системе для достижения нового равновесия или стационарного состояния, зависит от скорости процессов, определяющих каталитич. ферментативный цикл.

Система ур-ний, описывающая кинетику процесса, линейна, если смещение от положения равновесия невелико. Решение системы приводит к зависимостям концентраций компонентов разл. стадий процесса в виде суммы экспоненциальных членов, показатели экспонент к-рых имеют характер времен релаксаций. Результатом исследования является спектр времен релаксации, соответствующий числу промежут. соед., участвующих в процессе. Величины времен релаксаций зависят от констант скорости элементарных стадий процессов.

Релаксационные методы кинетики позволяют определить константы скорости отдельных элементарных стадий трансформации интермедиатов. Методы изучения релаксационной кинетики имеют разл. разрешающую способность: поглощение ультразвука — 10 -6 -10 -10 с, температурный скачок — 1O -4 -10 -6 с, метод электрич. импульса — 10 -4 -10 -6 с, скачок давления — 10 -2 с. При исследовании кинетики ферментативных р-ций наиб, применение нашел метод температурного скачка.

Макрокинетика ферментативных процессов. Развитие методов получения гетерогенных катализаторов путем иммобилизации ферментов на разл. носителях (см. Иммобилизованные ферменты )обусловило необходимость анализа кинетики процессов с учетом массопереноса субстрата. Теоретически и экспериментально исследованы закономерности кинетики р-ций с учетом эффектов диффузионного слоя и для систем с внутридиффузионными затруднениями при распределении фермента внутри носителя.

В условиях, когда на кинетику процесса влияет диффузионный перенос субстрата, каталитич. эффективность системы уменьшается. Фактор эффективности равен отношению плотности потока продукта в условиях протекания ферментативной р-ции с диффузионно пониженной концентрацией субстрата к потоку, к-рый мог бы реализоваться в отсутствие диффузионных ограничений. В чисто диффузионной области, когда скорость процесса определяется массопереносом субстрата, фактор эффективности для систем с внешнедиффузи-онным торможением обратно пропорционален диффузионному модулю :

где d — > толщина диффузионного слоя, D — коэф. диффузии субстрата.

Для систем с внутридиффузионным торможением в р-циях первого порядка

где Ф т — безразмерный модуль (модуль Тиле).

При анализе кинетич. закономерностей в ферментативных реакторах широкое теоретич. и эксперим. развитие получили «идеальные» модели реакторов, проточный безградиентный реактор (проточный реактор идеального перемешивания), проточный реактор с идеальным вытеснением, мембранный реактор.

Кинетика полиферментных процессов. В организме (клетке) ферменты действуют не изолированно, а катализируют цепи трансформации молекул. Р-ции в полиферментных системах с кинетич. точки зрения можно рассматривать как последоват. процессы, специфич. особенностью к-рых является катализ ферментами каждой из стадий:

где i , i -> соотв. макс, скорость процесса и константа Михаэлиса i -й стадии р-ции соответственно.

Важная особенность процесса — возможность образования устойчивого стационарного состояния. Условием-его возникновения может служить неравенство i > v 0 , где v 0 — скорость лимитирующей стадии, характеризуемой наименьшей константой скорости и тем самым определяющей скорость всего последоват. процесса. В стационарном состоянии концентрации метаболитов после лимитирующей стадии меньше константы Михаэлиса соответствующего фермента.

Специфич. группу полиферментных систем составляют системы, осуществляющие окислит.-восстановит. р-ции с участием белковых переносчиков электронов. Переносчики образуют специфич. структуры, комплексы с детерминированной последовательностью переноса электрона. Кинетич. описание такого рода систем рассматривает в качестве независимой переменной состояния цепей с разл. степенью заселенности электронами.

Применение. Ф. р. к. широко используют в исследовательской практике для изучения механизмов действия ферментов и ферментных систем. Практически значимая область науки о ферментах — инженерная энзимология, оперирует понятиями Ф. р. к. для оптимизации биотехнол. процессов.

Лит.: Полторак О. M., Чухрай E. С, Физико-химические основы ферментативного катализа, M., 1971; Березин И. В., Мартинек К, Основы физической химии ферментативного катализа, M., 1977; Варфоломеев С. Д., Зайцев С. В., Кинетические методы в биохимических исследованиях, M.. 1982. С. Д. Варфоломеев.

Кинетика ферментативных реакций

Кинетика ферментативных реакций – раздел энзимологии, изучающий зависимость скорости химических реакций, катализируемых ферментами, от химической природы реагирующих веществ, а также от факторов окружающей среды. Кинетику ферментативных реакций широко используют в исследовательской практике для изучения механизмов действия ферментов и ферментных систем.

Лектор — доцент, к.б.н. В.Г. Гривенникова

Время проведения: Осенний семестр, IV курса бакалавриата
Продолжительность курса: 14 лекций (28 часов)
Форма отчетности: Экзамен
Альтернативный курс: Нет

Программа курса:

Предмет и задачи химической кинетики. Соотношение кинетики и термодинамики применительно к процессам, протекающим в живой клетке. Механизм химической реакции. Кинетика как инструмент изучения механизмов реакций.

Основные кинетические законы. Скорость химической реакции, способы ее выражения. Молекулярность реакции. Порядок реакции. Реакции первого, второго, третьего и нулевого порядков. Константа скорости реакции. Размерности констант скорости. Закон действующих масс. Анализ кинетических результатов. Интегральный метод обработки экспериментальных данных. Дифференциальный метод Вант-Гоффа. Концентрационный и временной порядок реакции. Сравнение методов. Полувремя реакции первого порядка. Обратимые реакции. Последовательные реакции.

Физический смысл константы скорости реакции. Устойчивость молекул и энергия связи. Кривая потенциальной энергии молекул при изменении расстояния между атомами. Образование и разрыв химических связей. Влияние температуры на константы скорости. Уравнение Аррениуса. Распределение молекул по скоростям. Понятие об энергии активации и построение энергетических диаграмм реакции. Переходное состояние. Кинетическая теория столкновений. Частота встречаемости молекул. Стерический фактор.

Специфика реакций, протекающих в растворах. Вода – универсальный растворитель в биологических системах. Физико-химические свойства воды. Водородная связь и структура воды. Подвижности ионов водорода и гидроксила. Влияние растворенных веществ на структуру воды. Соединения, структурирующие воду. Хаотропные агенты. Гидрофобные взаимодействия в водных растворах. Влияние воды на различные типы взаимодействия между молекулами.

Катализ. Типы катализа на примере реакции кето-енольной таутомерии оксалоацетата. Катализ водой. Специфический кислотный катализ; специфический основной катализ. Обобщенный катализ кислотой и основанием. Внутримолекулярный катализ. Согласованный катализ. Ферментативный катализ. Влияние катализаторов на факторы, определяющие величину константы скорости химической реакции.

Формальная кинетика реакций, катализируемых ферментами. Основные ограничения и постулаты, использующиеся в ферментативной кинетике. Вывод уравнения, связывающего скорость ферментативной реакции с концентрациями фермента и субстрата и с индивидуальными константами. Модель Ван-Слайка (необратимая реакция образования фермент-субстратного комплекса). Равновесное приближение Михаэлиса. Принцип стационарности. Модель Бриггса-Холдейна. Справедливость допущения о стационарном протекании реакции. Соотношение KM и KS. Способы лианеризации уравнения Михаэлиса и их критическая оценка. Способы определения KS. Метод Слейтера-Боннера. Кинетические механизмы ферментативных реакций. Методы установления кинетического механизма реакции.

Специфичность максимальных скоростей реакций, катализируемых ферментами. Конформационная подвижность молекул ферментов. Гипотеза индуцированного соответствия Кошланда. Гипотеза непродуктивного связывания.

Ингибиторы и активаторы ферментативных реакций. Классификация ингибиторов. Обратимые ингибиторы. Конкурентный тип торможения ферментативных реакций. Неконкурентное ингибирование. Смешанное ингибирование. Бесконкурентное ингибирование. Графическое представление результатов ингибирования. Метод Диксона. Определение констант ингибирования. Субстратное ингибирование ферментов.

Необратимые ингибиторы. Способы анализа необратимого торможения. Необратимые ингибиторы-аналоги субстрата. Защита фермента субстратом и конкурентным ингибитором.

Читайте также  Мифы древности и их значение для современности

Механизм Михаэлиса-Ментен для обратимой ферментативной реакции. Соотношение Холдейна. Связь между кинетическими параметрами и константой равновесия реакции. Ингибиторы с высоким сродством. Системы с взаимным истощением. Кинетика ферментов, прочно связывающих лиганды. Титрование фермента лигандом, прочно связывающимся с ферментом. Медленные изменения активности ферментов. Трудности определения типа торможения псевдонеобратимыми ингибиторами. Влияние рН на ферменты. Ионизация двухосновной кислоты. Кислотно-основной катализ и рН-зависимости скорости реакции. рН-функции Михаэлиса. Неоднозначность интерпретации рН-зависимостей ферментативной реакции.

Сопряженные последовательные реакции и их использование для измерения активности ферментов. Наиболее распространенные в биохимии сопряженные системы. Переходные состояния в сопряженных системах. Стационарные концентрации субстратов и продуктов. Ошибки, встречающиеся при измерении активностей ферментов в сопряженных системах.

Проблема регулирования активности ферментов в клетке и «аномальная» кинетика ферментативных реакций. Кооперативные явления в ферментативном катализе. Олигомерные ферменты. Положительная и отрицательная кооперативность связывания субстрата реакции. Количественная оценка кооперативности. Уравнение Хилла и физический смысл входящих в него параметров. Уравнение Эдера. Аллостерическая модель Моно, Уаймена и Шанжё. Различные примеры отклонения от гиперболической зависимости скорость реакции÷концентрация субстрата.

Рекомендуемая литература:

  1. 1. Дж. Брей, К. Уайт. Кинетика и термодинамика биохимических процессов. ИЛ, М., 1966.
  2. 2. Л. Полинг. Общая химия. Мир, М., 1974.
  3. 3. В. Дженкс. Катализ в химии и энзимологии. Мир. М., 1972.
  4. 4. М. Диксон, Э. Уэбб. Ферменты. Мир, М. 1982.
  5. 5. Л. Уэбб. Ингибиторы ферментов и метаболизма. Мир, М., 1966.
  6. 6. А. Ленинджер. Основы биохимии. Мир, М., 1985.
  7. 7. С. Бенсон. Основы химической кинетики. Мир, М., 1964.
  8. 8. И.В. Березин, А.А. Клесов. Практический курс химической и ферментативной кинетики. МГУ, 1976.
  9. 9. Э. Корниш-Боуден. Основы ферментативной кинетики. Мир, М., 1979.
  10. 10. Э. Корниш-Боуден. Основы математики для биохимиков. Мир, М.,1983.

версия для печати
Страница последний раз обновлялась 17.04.2018

Кинетика и термодинамика ферментативных реакций (стр. 1 из 2)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ В.Г. БЕЛИНСКОГО

Проректор по учебной работе

«___» _________2007 г.

ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Кинетика и термодинамика ферментативных реакций

1. Квалификационные требования

Квалификация выпускника – биохимик.

Нормативный срок освоения основной образовательной программы подготовки биохимика по специальности 020208 Биохимия при очной форме обучения 5 лет.

Квалификационная характеристика выпускника

Специалист-биохимик осуществляет деятельность по изучению строения и свойств химических соединений, входящих в состав живых организмов, метаболизма и его регуляции. Разрабатывает нормативные документы в своей области деятельности, организует и выполняет экспедиционные работы и лабораторные исследования; анализирует получаемую полевую и лабораторную информацию, обобщает и систематизирует результаты выполненных работ, используя современную вычислительную технику; составляет научно-технические отчеты и другую установленную документацию; следит за соблюдением установленных требований, действующих норм, правил и стандартов в области своей деятельности. Проводит экспериментальные исследования в своей области, формулирует их задачу, участвует в разработке и осуществлении новых методических подходов, обсуждении, оценке и публикации результатов, проводит патентную работу, участвует в работе семинаров и конференций, составлении патентных заявок.

В производственных и медицинских организациях проводит биохимическую аналитическую работу, участвует в диагностике и экспертизе, сертификации продуктов производства.

Исходя из своих квалификационных возможностей, специалист-биохимик подготовлен к самостоятельной работе на должностях биохимика, врача-лаборанта, биолога, лаборанта-исследователя, инженера-исследователя, научного сотрудника в научно-исследовательских и научно-производственных учреждениях, и других должностях, в соответствии с требованиями Квалификационного справочника должностей руководителей, специалистов и других служащих, утвержденных постановлением Минтруда РФ от 21.08.98 № 37.

Специалист-биохимик подготовлен к педагогической деятельности на должности преподавателя в средней школе и учреждениях профессионального образования при условии освоения дополнительной образовательной программы психолого-педагогического профиля.

Область профессиональной деятельности.

Исследование строения и физико-химических свойств химических соединений, входящих в состав живых организмов, метаболизма и молекулярных механизмов его регуляции.

Объекты профессиональной деятельности.

Вирусы и микроорганизмы, клеточные органеллы и одиночные клетки, многоклеточные организмы (растения и животные).

Виды профессиональной деятельности.

· Проведение научных исследований в области биохимии и молекулярной биологии: сбор и подготовка научных материалов, квалифицированная постановка экспериментов, обработка результатов клинических анализов и экспериментальных исследований.

· Научно-производственная и организационная деятельность;

· Педагогическая деятельность (при условии освоения соответствующей образовательно-профессиональной программы педагогического профиля) преподавание в средней и высшей школе, осуществление просветительской деятельности.

· Иные виды деятельности, позволяющие использовать базовую биологическую подготовку и подготовку по специальности 020208 – Биохимия.

2. Требования ГОС по дисциплине

Законы классической термодинамики в биохимии; теория энергетического сопряжения, богатые энергии соединения; термодинамическое равновесие; методы расчета термодинамических характеристик биохимических реакций; теоретические основы кинетики ферментативных реакций и методы расчета.

3. Цели и задачи дисциплины

Кинетика и термодинамика ферментативных реакций является основой для большинства расчетов, использующихся на биотехнологических, в частности, энзимологических производствах.

Дипломированный специалист-биохимик должен иметь представление о математическом аппарате ферментативной кинетики и владеть методом расчетов основных констант ферментативных реакций, уметь определять тип ингибирования по экспериментальным данным и определять эффективность ингибирования.

Цель курса «Кинетика и термодинамика ферментативных реакций» — показать применение основных физико-химических законов к ферментативным реакциям, ознакомить со способами расчетов, часто встречающихся на практике – в научной и производственной деятельности.

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом Высшего профессионального образования для студентов, обучающихся по специальности 020208 – «Биохимия».

4. Место дисциплины в профессиональной подготовке студентов

Курс «кинетики и термодинамики ферментативных реакций» является заключительным курсом в цикле спецдисциплин федерального компонента, посвященных изучению ферментов. Он имеет основополагающее значение, поскольку главным объектом его изучения являются ферменты – катализаторы всего живого, без которых немыслимыми являются все биохимические процессы.

Распределение времени, отведенного на изучение дисциплины по учебному плану

Форма учебной работы Форма обучения
Очная
По семестрам
9
Общая трудоёмкость, всего часов 80
Аудиторные занятия (АЗ) 36
Лекции (Л) 24
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные занятия (ЛЗ) 12
Другие виды аудиторных занятий
Самостоятельная работа (СР) 44
Контрольная работа +
Компьютерное тестирование
Курсовая работа
Форма итогового контроля (зачет, экзамен) экзамен

Тематические планы для очной формы обучения

№п/п Тема Кол-во часов
Лекц. Лаб. Сам.
Общее число часов 24 12 44
1. Введение в кинетику и термодинамику ферментативных реакций. Ранние исследования. История вопроса. 2 2 4
2. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Вывод, анализ. 2 1 4
3. Графическое представление ферментативных реакций. 2 1 4
4. Уравнения стационарной скорости. 2 1 4
5. Принцип стационарности. Термодинамические представления. 2 1 4
6. Классификация ингибиторов. 2 1 4
7. Кинетика и термодинамика ингибиторов. 2 1 4
8. Механизмы ферментативного катализа. 2 1 4
9. Уравнения скоростей разных моделей. 2 1 4
10. Влияние рН и температуры. 2 1 4
11. Кинетические модели кооперативности. 4 1 4

Содержание дисциплины

Введение в кинетику и термодинамику ферментативных реакций. Ранние исследования. История вопроса. Законы классической термодинамики в биохимии; теория энергетического сопряжения, богатые энергии соединения.

2. Кинетика и термодинамика ферментативных реакций

Термодинамическое равновесие; методы расчета термодинамических характеристик биохимических реакций; теоретические основы кинетики ферментативных реакций и методы расчета. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Вывод, анализ. Принцип стационарности. Методы определения кинетических параметров. Кинетика двухстадийных ферментативных реакций. Графическое представление ферментативных реакций. Термодинамические методы выведения уравнений стационарной скорости. Метод Кинга-Альтмана. рН-зависимости ферментативных реакций. Температурные эффекты ферментативных реакций. Равновесные концентрации реагентов.

3. Кинетика и термодинамика ингибиторов и активаторов

Классификация ингибиторов. Кинетика и термодинамика ингибиторов. Способы определения типов ингибирование по экспериментальным данным. Равновесные концентрации реагентов. Применение ингибиторов.

4. Механизмы ферментативного катализа

Классификация механизмов и схематическое представление. Уравнения скорости. Изотропный обмен. Индуцированный перенос.

5. Контроль ферментативной активности

Необходимость контроля метаболических процессов. Уравнение Хилла. Уравнение Эдера. Уравнение Полинга. Симметричная модель Моно, Уаймена и Шанже. Кинетические модели кооперативности. Последовательная модель Кошланда.

Список основной литературы

1. Березин И.В., Мартинек К. Основы физической химии ферментативного катализа. — М.: Высшая школа, 1977. — С. 216-225.

2. Ленинджер А. Основы биохимии. — М.: Мир, 1985. — 260 с.

3. Курганов Б.И. Аллостерические ферменты. — М.: Наука, 1978. — С. 11-41.

4. Варфоломеев Р.Д., Зайцев С.В. Кинетические методы в биохимических исследованиях. — М.: МГУ, 1982. — 344 с.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: