Учебно-методическое пособие к лабораторным работам по общей химии ставрополь 2005 (07. 07)

Таким образом, по физическому смыслу, энергия активации является потенциальным барьером, который необходимо преодолеть движущимся частицам (рис. 8).

Н

реагентов

Возникновение его обусловлено тем, что при сближении молекул друг с другом имеют место силы кулоновского отталкивания (при взаимодействии электронных облаков молекул или атомов, ионов).

Очевидно, что энергия активации есть величина, характерная для определен­

ной реакции.

Взаимосвязь константы скорости, энергии активации и температуры описывается уравнением Аррениуса: k_T = k₀*Ae~^E/RT, где к_т и к₀ - константы скоростей при температуре Т и Т _э е - основание натурального логарифма, А -стерический фактор.

Стерический фактор А определяет вероятность столкновения двух реагирую­щих частиц в активном центре молекулы. Этот фактор имеет особо важное значение для биохимических реакций с биополимерами. При кислотно-основных реакциях Н⁺-ион должен вступить в реакцию с концевой карбоксильной группой - СОО". Однако не всякое столкновение Н⁺-иона с молекулой белка приведет к данной реакции. Эффективны будут только те столкновения, которые непосредственно осуществляются в некоторых точках макромолекул, называемых активными центрами.

Из уравнения Аррениуса следует, что константа скорости тем выше, чем меньше величина энергии активации Е и выше температура Т процесса.

2.2. Кинетика сложных реакций. Фотохимические реакции

Химические реакции можно разделить на два типа: термические и фотохи­мические.

В термических реакциях участвуют атомы и молекулы в их основных состо­яниях.

Фотохимическая реакция происходит только при излучении энергии от ви­димого и ультрафиолетового до рентгеновских и у-лучей. Она идет только после перевода молекул исходных веществ излучением в электронно-возбужденное со­стояние.

Фотохимические реакции подразделяются на первичные и вторичные про­цессы.

Если на иодоводород действует свет подходящей длины волны, то идут следующие процессы: a) HI (hv) —> Н + I - (фотохимическая реакция, первичный процесс); б) Н + HI —> Н₂ + I; в) I + I —> I - (термические реакции, вторичные процессы).

Конечные продукты превращений (Н и I ) в тепловом и индуцированном светом процессах одинаковы, механизмы этих процессов различны.

Для описания фотохимических процессов используется фотохимическая эффективность:

Ф = число образовавшихся молекул / число поглощенных квантов света и

эффективность образования продукта Ф_р:

Ф = скорость образования продукта / полная скорость расходования А*

Ф_р = к₂ • [А*] / (к₁ • [А*] + к₂ • [А*]) = к₂/ (к₁ + к₂). Между Ф и Ф_р нет фундаментального соответствия. Две реакции могут иметь одинаковый квантовый выход, но различаться по константам скорости.

Фотохимическое разложение:

а) С₆Н₅СОСН₂СН₃ С₆Н₅СОСН₃ + СН₂= СН₂; Ф = 0,40; к = 3 • 10⁶ с¹;

б) СН₃СОСН₂СН₂СН₃ СН₃СОСН₃ + СН₂= СН₂; Ф = 0,38; к = 1 • 10⁹ с¹.

При любом механизме процесса скорость фотохимической реакции должна быть пропорциональна скорости поглощения света.

Таким образом, при изучении кинетики фотохимических реакций необходимо точно измерять интенсивность света.

Реальная скорость фотохимической реакции зависит от многих параметров. Приближенно можно принять: скорость образования продуктов реакции = I • f • Ф _э где I - скорость поглощения света, f - доля света, индуцирующая образование химически активных частиц, Ф_р - квантовый выход образования продукта реакции.

Реакции с близкими Ф могут сильно различаться скоростями за счет разных значений Inf.

Более детальные сведения о фотохимических процессах можно получить, сделав реферативные доклады.

Возьмите 4 пробирки, пронумеруйте карандашом по стеклу, заполните их по данным 1, 2, 3 граф таблицы.

Таблица № 4

№	V(Na2S203),	v(h20),	Условн.	Число	т, сек.	Условн.	igc	lg v
п/п	мл	мл	концент. C(Na2S203)	капель h2so4		скорость v=100/t
1	4	0	4	4
2	3	1	3	4
3	2	2	2	4
4	1	3	1	4

Получаем растворы с условной концентрацией тиосульфата 4, 3, 2 и 1. Сделайте карандашом по стеклу на высоту жидкости в пробирке две вертикальные метки на расстоянии 2-3 мм.

В первую пробирку внесите 4 капли серной кислоты, быстро перемешайте.

В момент начала перемешивания включите секундомер. Наблюдайте появ­ление мути в пробирке со стороны, противоположной нанесенным полоскам. Отметьте по секундомеру время исчезновения полоски и внесите время в табли­цу. Аналогичную работу проделайте последовательно с оставшимися пробирка­ми.

3.2. Обработка результатов эксперимента

Скорость реакции обратно пропорциональна времени протекания реакции. При расчетах удобно пользоваться величинами скорости реакции в пределах от

1 до 100 усл. ед. (обычно скорость реакции измеряется изменением числа молей реагента в ед. времени).

Вычислите величины скорости во всех пробирках по формуле: v = 100/т.

Данные внесите в таблицу.

Величины условных концентраций и скоростей прологарифмируйте.

Постройте график в координатах lgV-lgC с масштабом 0,1-1 см. Через полученные точки проведите прямую. Определите тангенс угла наклона полученной прямой, который равен порядку реакций.

Применим кинетическое уравнение реакций первого порядка (дифферен­циальная форма и математическое выражение закона действия масс): V=-dC/dt= =k-CnmV=dC_An/dt=k-C ■ V=k-C_A =0,0017моль/л-2,0моль/(л-с)=0,0034моль/(л-с).

Вычислите скорость реакции омыления уксусно-этилового эфира раствором щелочи (реакция второго порядка) в следующих условиях: С_эф= 2,5моль/л, С_хт = 3,5 моль/л, t = 25°С

NaOH ^{5 5}

Эталон решения:

1. 
   Кинетические уравнения для реакций второго порядка в дифференциаль­ной форме: V = - dC/dt = к*С². Для данного процесса:
   

3 2 5 3 2 5 ⁵ эф. NaOH

2. 
   к - константа скорости данного процесса находится по справочным табли­цам при t = 25°C; к = 6,21 • 10"³.
   

Реакция между веществами А и В, протекающая в одну стадию, выражается уравнением: А+2В = С. Начальные концентрации составляют [А] =0,3 моль/л, [В] =0,5 моль/л. Константа скорости реакции равна 0,4. Найдите начальную ско­рость реакции и скорость по истечении некоторого времени, когда концентрация вещества А уменьшится на 0,1 моль/л.

1. 
   Применив выражение ЭДМ для скорости, найдем начальную скорость реакции: V_Q = к • [А]₀ • [В]₀² = 0,4 • 0,3 • 0,5² = 0,03 (моль/л).
   
2. 
   Найдем концентрации веществ А и В по истечении некоторого времени. По условию задачи, концентрация вещества А уменьшилась на 0,1 моль/л: [А] = 0,3 - 0,1 = 0,2 (моль/л). Тогда концентрация вещества В уменьшится на 2 • 0,1 =0,2 (моль/л) согласно уравнению реакции, и станет равной:
   

3. 
   Найдем скорость реакции по истечении некоторого времени:
   

2. Пусть отношение скорости V до охлаждения к V₂ - скорости после охлаж­дения равно: Х = 3 ^20/10; Х=9.

Следовательно, скорость данной реакции замедлится в 9 раз.

6. Задачи для самостоятельного решения

1. 
   Вычислить скорость реакции разложения пероксида водорода в момент времени, когда [H₂OJ = 1,5 моль/л; к=0,00158; t=15°С. Известно, что кинетика этой реакции описывается уравнением первого порядка.
   
2. 
   Вычислить скорость реакции омыления уксусноэтилового эфира раство­ром щелочи (реакция второго порядка) в следующих условиях: С_эф =1,6 моль/л; С_хт = 2,5 моль/л, t = 25°С.
   

Скорость бактериального гидролиза мышц рыб, протекающего по типу реакции первого порядка, удваивается при переходе от температуры -1,1 °С к температуре +2,2°С. Оцените энергию активации Е этой реакции. Есть ли здесь какая-нибудь связь с проблемой хранения рыбы?

3. 
   Реакция между веществами А и В, протекающая в одну стадию, выражает­ся уравнением А + 2В = С. Начальные концентрации составляют: [А] =0,1 моль/л, [В] = 0,3 моль/л. Константа скорости реакции равна 0,2. Найдите начальную ско­рость реакции и скорость по истечении некоторого времени, когда концентрация вещества А уменьшится на 0,05 моль/л.
   

1. 
   Основные понятия теории катализа. Теория промежуточного состояния (активного комплекса).
   
2. 
   Особенности биологического катализа. Комплекс "фермент - субстрат", его обратимость. Понятие "активных центров" биокатализаторов.
   
3. 
   Влияние концентрации фермента и субстрата, температуры, рН на фер­ментативный процесс.
   
4. 
   Уравнение Михаэлиса-Ментен и графическая запись скорости фермента­тивной реакции.
   

1. 
   Сравнительное действие неорганических и биологических катализаторов.
   
2. 
   Термолабильность ферментов.
   

1. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. Учеб.

для мед. спец. вузов. /Ю. А. Ершов, В. А. Попков, А. С. Берлянд и др. Под ред. Ю. А. Ершова - М.: Высшая школа, 2003.

2. 
   Практикум по общей химии. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: Учебное пособие для студентов медицинских вузов / Ершов Ю. А., Кононов М. А., Пузаков С.А. и др., под ред. Ершова Ю. А., Попкова В. А. - М.: Высш. шк., 2001. -271 с.
   
3. 
   Слесарев В. И. Химия: Основы химии живого. Учебник для вузов. - СПб.: Химиздат, 2000. -768 с.
   

Реакции, катализируемые ферментами, обычно характеризуются очень силь­ным ускорением (порядка 10⁴-10⁵ раз) и высокой специфичностью (под специ­фичностью понимают способность ферментов ускорять реакцию только между вполне определенными веществами, называемыми субстратами).

Исследования Самнера (1926 г) доказали, что все ферменты представляют собой белковые молекулы. Обычно ферменты содержат один или несколько активных центров, где и происходит превращение субстратов. Структура активного центра может быть образована всего несколькими аминокислотными остатками. Остальная часть белка, возможно, необходима для поддержания структурной целостности этой рабочей части. Фишер в 1890-х годах предположил, что специфичность ферментов можно уподобить соответственно между ключом и замком. При этом подразумевается, что активный центр имеет жесткую структуру, подобно замку. Молекула субстрата должна иметь комплементарную структуру, чтобы входить в активный центр, подобно ключу. Однако, как показали исследования, в ряде случаев гипотеза Фишера не может объяснить некоторые факты. Для того, чтобы привести эту теорию в соответствие с опытными данными, Кошланд несколько видоизменил модель "ключ-замок". Согласно его гипотезе субстрат, присоединяясь к активному центру, изменяет его форму, обеспечивая таким образом идеальное их соответствие. Иными словами, функциональные группы в активном центре принимают специфическую пространственную конфигурацию только тогда, когда их вынуждает к этому присутствие субстрата.

Так, образование фермент-субстратного комплекса может происходить за счет электрически заряженных группировок как на ферменте, так и на субстрате. Такими группировками могут быть RCOO" или RNH₃⁺ и др.

В результате подобного взаимодействия в субстрате могут происходить

определенные химические изменения, выражающиеся в образовании новых функциональных групп с совершенно иными полярными свойствами. После реакции фермент и субстрат как бы отталкиваются друг от друга и фермент вновь готов вступить во взаимодействие с другой молекулой субстрата. Химически измененный субстрат отщепляет продукт реакции.

Таким образом, специфичность фермента обусловливается его конфи­гурацией, строением и электрическими свойствами активной группы фермента. Из измерения скорости ферментативной реакции удается определить удельную активность фермента, которая выражается в единицах активности на миллиграмм белка. Одна единица активности определяется как активность фермента, превращающего 1 мкмоль субстрата в минуту. При изучении кинетики ферментативных процессов обычно измеряют начальные скорости реакции -это достигается путем варьирования только концентрации субстрата, тогда как все остальные условия опыта поддерживаются постоянными. В 1913 году Михаэлисом и Ментен была предложена теория, объясняющая зависимость начальной скорости от концентрации субстрата и выведено уравнение (вывод уравнения см. в учебнике М. И. Равич-Щербо): V = V [S]/(K_S + [S]), где V -скорость реакции, V - максимальная скорость, K_s - константа диссоциации фермент-субстратного комплекса, [S] - концентрация субстрата.

Уравнение Михаэлиса-Ментен показывает, что при большей концентрации субстрата [S] и низком значении K_s скорость реакции будет равна максимальной скорости, т. е. V=V_max, это в реакциях нулевого порядка; в случае малой концентрации субстрата скорость реакции будет прямо пропорциональна его концентрации в каждый данный момент (реакция первого порядка), т.е.: V=V'[S]/K_S.

VA

неизменными после реакции, т. е. освобождаются и вновь могут реагировать с новыми молекулами субстрата. Ферменты оказывают свое действие в ничтожно малых концентрациях (например, одна молекула фермента реннина, содержащегося в слизистой оболочке желудка теленка, створаживает около 10⁶ молекул казеиногена молока за 10 минут при 37°С).

Ферменты, будучи белками, обладают рядом характерных для этого класса органических соединений свойств, отличающихся от свойств неорганических катализаторов.

Все жизненные процессы протекают в узком температурном интервале, за пределами которого наступает смерть. Обычно это интервал температур от 0°С до45-50°С.

Кривая зависимости скорости биологических процессов от температуры имеет три точки: минимум, оптимум и максимум. От минимума до оптимума интенсивность процессов увеличивается. Температурный оптимум у животных колеблется в пределах 35-40°С, у растений - он выше. Интервал от оптимума до минимума характеризуется уменьшением скорости протекания процессов. Температурные границы жизни обусловлены денатурационными изменениями белков и инактивацией ферментов.

Ферментативные процессы характеризуются более высокими значениями температурных коэффициентов (у = 7-10), в особенности в процессах денатурации белка. Для ферментативных реакций интервал в 10° оказывается слишком широким для того, чтобы заметить изменения в механизме процесса. Поэтому для ферментативных процессов рекомендуется брать более узкий интервал температур (2°, 3°, 5°) и полученные результаты приводить к величине у по формуле: lg у₁₀ = 10 -(lg k₂ - lg к₁)/(Т₂ - TJ.

Зависимость активности ферментов от рН среды приведена на рис. 11. Фер­менты обычно проявляют свою активность при определенных значениях рН сре­ды. Так, пепсин (рН 1,5-2,5), амилаза слюны (рН 6,8-7,0), каталаза (рН 6,8-7,0), липаза панкреатическая (рН 7,0-8,5).

При графическом изображении (рис.11) получается кривая колоколообраз-ной формы, на которой имеется определенная точка, в которой фермент прояв­ляет максимальную активность. Эту точку называют оптимумом рН среды для действия данного фермента. Согласно современным представлениям, влияние изменения рН среды на молекулу фермента заключается в воздействии на состо­яние или степень ионизации кислотных или основных групп (в частности, СООН-группы дикарбоновых аминокислот, SH-группы цистеина, имидазольного азота гистидина, NH₂-rpynnbi лизина и др.).

При разных значениях рН среды активный центр может находиться в частично ионизированной или неионизированной форме, что сказывается на третичной структуре белка и, соответственно, на формировании активного фермент-субстратного комплекса.

2.3. Активирование и ингибирование ферментов

Скорость ферментативной реакции, иными словами, активность фермента определяется также присутствием в среде активаторов и ингибиторов. Первые повышают скорость реакции и иногда модифицируют ее, вторые - тормозят реакцию. Среди химических соединений, оказывающих влияние на активность ферментов, встречаются разнообразные вещества. Так, хлороводородная кислота активизирует действие пепсина, желчные кислоты - панкреатической липазы, некоторые тканевые ферменты (оксидоредуктазы, катепсины и др.) в значительной степени активизируются соединениями, содержащими свободные SH-группы (глутатион, цистеин), а некоторые также витамином С. Особенно часто в качестве активаторов выступают ионы двухвалентных и иногда одновалентных металлов.

Относительно роли металлов в активирующем действии ферментов имеющиеся данные свидетельствуют о том, что в ряде случаев ионы металлов (Со²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺) выполняют функции простетических групп ферментов. В других случаях они способствуют присоединению субстрата к активному центру и образованию фермент-субстратного комплекса. Например, ионы Mg²⁺ через отрицательно заряженную группу обеспечивают присоединение органических веществ к активным центрам ферментов, катализирующих гидролиз.

В ряде случаев металл соединяется с субстратом, образуя истинный суб­страт, на который действует фермент. В частности, ионы Mg²⁺ активируют креа-тинфосфокиназу, благодаря образованию истинного субстрата и магниевой соли АТФ. Наконец, имеются экспериментальные доказательства прямого участия металлов (например, ионов Са²⁺ в молекуле амилазы слюны) в формировании и стабилизации активного центра и всей третичной структуры молекулы фермен­та.