Новости
Библиотека
Таблица эл-тов
Биографии
Карта сайтов
Ссылки
О сайте


Пользовательского поиска




предыдущая главасодержаниеследующая глава

Стационарная кинетика окисления кислородом субстратов - доноров электрона

Была исследована кинетика окисления кислородом двух субстратов неорганического ферроцианид-иона и органического соединения - гидрохинона. При этом изучалась зависимость скорости гомогенного окисления в растворе от концентрации фермента, субстратов, ионов водорода. Кинетическое поведение системы характеризуется следующими закономерностями.

1. Зависимости начальной стационарной скорости реакции от концентрации доноров электрона имеют вид функции с "насыщением" и могут быть охарактеризованы величинами kкат и КМ. При этом значения kкат для двух субстратов различной природы практически совпадает (рис. 87).

Рис. 87. Зависимость от pH параметров стационарной скорости окисления ферроцианида калия (o) и гидрохинона (О) кислородом в присутствии лакказы: 1 - lg kкат; 2 - lg KМ, 25°С; 0,05 М фосфата натрия; 0,05 М ацетата натрия
Рис. 87. Зависимость от pH параметров стационарной скорости окисления ферроцианида калия (●) и гидрохинона (○) кислородом в присутствии лакказы: 1 - lg kкат; 2 - lg KМ, 25°С; 0,05 М фосфата натрия; 0,05 М ацетата натрия

2. На рис. 87 приведена зависимость kкат и КМ от pH для обоих субстратов. Значение kкат контролируется ионогенными группами с рKа ∼ 5,5, при этом тангенс угла наклона pH-зависимости в елочной области pH равен 2. Величины КМ в исследованной области pH не зависят от концентрации ионов водорода.

Для объяснения этих закономерностей - "михаэлисовской" зависимости скорости от концентрации доноров различной природы с постоянным значением kкат для разных субстратов и рН-зависимости реакции необходимо ввести ряд новых усложнений в кинетический механизм реакции. Детальный анализ большого числа кинетических схем показывает, что "михаэлисовская" зависимость скорости реакции от концентрации донора, приводящая к величине kкат практически независящей от природы донора электрона, в рамках рассмотренных выше постулатов, возможна в механизме процесса с участием внутримолекулярной стадии изменения активного центра фермента.

Рассмотрим механизм электрохимического восстановления кислорода с точки зрения реакции окисления вводящихся в раствор органических и неорганических доноров электрона. Переход от электрохимической кинетики, характеризуемой константой k(φ), к процессу, протекающему в растворе, осуществляется, если положить, что стадии электрохимического восстановления активного центра в растворе представляют собой бимолекулярные стадии донирования электронов (k(φ) = k[D]). Это предположение экививалентно постулату о том, что механизм катализа в случае восстановления кислорода химическими донорами и электронами электрохимическим путем один и тот же.

Однако рассмотренная группа механизмов реакции, согласующаяся с экспериментальными электрохимическими данными, не описывает кинетику процесса гомогенного окисления. Анализ кинетических механизмов приведен в табл. 39. Предполагая, что k(φ) соответствует k1[D], процесс двухэлектронного восстановления, характеризуемый k(φ), в гомогенном случае представляет собой две последовательные стадии k2[D], k3[D] (ферроцианид-ион - одноэлектронный донор), можно видеть, что скорость реакции для всех механизмов - линейная функция концентрации донора электронов.

Таблица 38. Кинетические параметры реакций, включающих две стадии протонирования и равновесную стадию переноса электрона
Таблица 38. Кинетические параметры реакций, включающих две стадии протонирования и равновесную стадию переноса электрона

Аналогично можно рассмотреть различные группы механизмов и показать, что "михаэлисовская" зависимость скорости реакции от концентрации субстрата может наблюдаться лишь в условиях участия в механизме реакции внутримолекулярной стадии.

Введение в механизм реакции внутримолекулярной стадии приводит к зависимости скорости реакции, описываемой классическим уравнением Михаэлиса. В табл. 39 приведены простейшие механизмы, включающие стадии присоединения протона К1, электрона k1, кислорода KS и стадию внутримолекулярного процесса, характеризуемую константой скорости kT. Каталитические константы по донору и кислороду обозначены соответственно kD и kO2, значения констант Михаэлиса - КD и KO2.

Таблица 39. Кинетические характеристики реакций, включающих стадии протонирования электронного транспорта и мономолекулярной перегруппировки
Таблица 39. Кинетические характеристики реакций, включающих стадии протонирования электронного транспорта и мономолекулярной перегруппировки

Таким образом, экспериментально наблюдаемая зависимость скорости реакции от концентрации донора указывает на то, что механизм катализа включает мономолекулярный процесс, протекающий в активном центре фермента на пути превращения кислорода в две молекулы воды. Максимальная скорость реакции при вариации концентрации донора определяется константой скорости этого перехода и (см. табл. 39) не зависит от природы донора. Это согласуется с экспериментальным фактом (см. рис. 87).

Принципиальным является объяснение с точки зрения одной модели pH-зависимости величин kD и КD (см. рис. 87). Величина kD для ферроцианида и гидрохинона зависит от pH и контролируется двумя ионогенными группами с рК 5,5 (в области pH 6-8 ∂ lg υмакс/∂ pH 2). По-видимому, до скорость определяющей стадии протекают по крайней мере две стадии присоединения протона. В то же время значения КD для двух исследованных субстратов pH-независимы. Это представляется. достаточно нетривиальным, поскольку pH-функция, входящая в значение kкат должна также проявляться и в зависимости от pH величины КM (см. табл. 38, 39).

Анализ показывает, что наблюдаемая pH-зависимость КM реализуется при компенсации pH-функций, входящих в эту величину. Рассмотрим достаточно общую модель процесса, включающую две кинетические стадии присоединения электрона и одну стадию внутримолекулярного электронного транспорта. При этом предполагается, что лимитирующим стадиям предшествует ряд быстрых равновесных процессов.

(4.57)

В схеме (4.57) индексом А обозначен эффектор, предшествующий первой кинетической стадии, В - второй, С - третьей. Компоненты А, В, С заданы постоянными концентрациями и могут представлять собой ионы водорода, ингибиторы или активаторы фермента. Уравнение скорости для механизма может быть представлено в виде:

(4.58)

где

(4.59)
(4.60)
(4.61)
(4.62)

Соответственно каталитическая константа и константа Михаэлиса, найденные из зависимости скорости реакции от концентрации донора, равны:

(4.63)
(4.64)

В параметр КD входят лишь константы равновесия и концентрации компонентов, стадий, расположенных между двумя последними кинетическими стадиями k2 и kT (см. схему 4.67). На основе уравнения (4.58) можно объяснить независимость КD от pH в условиях, когда зависимость kD от pH проявляется достаточно четко. Действительно, при f2 << k1/k2f1f3

(4.65)

Если [В] и [С] представляют собой концентрацию ионов водорода и соблюдаются соотношения


т. е. эффективная константа Михаэлиса не является функцией концентрации ионов водорода.

Проведенный анализ pH-зависимости, по-видимому, одно из немногих объяснений наблюдаемого феномена рН-зависимости kкат и pH-независимости КМ. Можно показать, что сделанные выводы существенно не трансформируются, если в механизм (4.57) добавить еще одну стадию донирования электронов k3, непосредственно следующую за стадией k2.

Результаты проведенного кинетического анализа, основанного на изучении электрохимической кинетики катодного восстановления кислорода и на исследовании стационарной кинетики катализа лакказой реакции окисления органических и неорганических доноров электрона, суммирует схема:

(I)
(II)
(III)
(IV)
(V) (4.66)
(VI)
(VII)
(VIII)
(IX)

Стадии (I)-(V) постулированы на основе проделанного электрохимического анализа, стадии (VI)-(IX) можно предположить из анализа данных по кинетике гомогенного окисления лакказой субстратов - доноров электрона. Для гомогенного окисления анализ схемы O2еррееррт приводит к уравнению скорости

(4.67)

где

(4.68)
(4.69)

Уравнение (4.67) удовлетворяет экспериментальным данным при условиях k1 << k3, k1 > k2, К1 = К3, К4 = К2.

предыдущая главасодержаниеследующая глава



ИНТЕРЕСНО:

Биохимической реакцией будут управлять с помощью света

Новый композитный материал позволит получать чистый водород из метана

Новое соединение вольфрама и бора станет материалом рекордной твердости

Японские химики синтезировали «нано-Сатурн»

Учёные создали «невозможные» нитриды простым способом

Искусственный интеллект научили составлять молекулы

Ученые научились наблюдать за сверхбыстрыми химическими процессами

Почему на Западе периодическую таблицу никак не связывают с именем Менделеева

Люминесцентные наночастицы открыли новый этап в истории дактилоскопии

Нобелевская премия по химии присуждена за развитие криоэлектронной микроскопии

Новый метод анализа белков работает в 50 раз быстрее

Создана первая «химическая память» объемом в 1 бит

193 года назад впервые получено органическое соединение из неорганических

Ученые разработали программу, которая высчитывает свойства молекул сложных химических соединений

Самосборкой получены структуры из 144 молекулярных компонентов

Учёные создали нанореактор для производства водорода

Ученые из Швеции создали «деревянное стекло»

Разработан новый метод создания молекул

Японские ученые создали жидкий квазиметалл, застывающий на свету

Нобелевскую премию по химии присудили за синтез молекулярных машин

Новая компьютерная программа предсказывает химические связи

Получены цветные изображения на электронном микроскопе

В упавшем в России метеорите обнаружен уникальный квазикристалл

10 невероятно опасных химических веществ

Создатель «суперклея» Гарри Кувер – химик и изобретатель, автор 460 патентов, самый известный из которых так и не помог ему разбогатеть




© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2018
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу источник:
http://chemlib.ru/ 'ChemLib.ru: Библиотека по химии'