План интегрированного урока "белки, биологические полимеры". Изменение активности ферментов в зависимости от условий среды
1.Оптимальные условия действия амилазы – фермента, расщепляющего крахмал: рН 6.8, 37°С. Как изменится активность фермента, если рН инкубационной среды составит 5.0? Как изменится активность фермента, если температура инкубационной среды составит 30°С?Ответ поясните.С чем связано изменение активности ферментов при сдвигах рН и температуры? К какому классу и подклассу ферментов относится амилаза?
Ответ: Амилаза – фермент класса гидролаз, подкласс гликозидаза.
При pH инкубационной среды = 5.0, активность амилазы снизится. При температуре инкубационной среды = 30, активность амилазы снизится. Это произойдет потому, что наибольшую активность ферменты проявляют в строго определенных для каждого фермента pH и температуре (оптимумы).При изменении этих условий активность ферментов снижается, либо прекращается вовсе.Изменение активности ферментов при сдвигах температуры связано с денатураций белка (ферменты – белки), а при сдвигах pH – с воздействием и степенью ионизации кислотных и щелочных групп. При резких сдвигах от оптимума pH среды ферменты подвергаются конформационным изменениям, приводящим к потере активности вследствие денатурации или изменения заряда молекулы.
2.При употреблении большого количества сырого яичного белка может развиться гиповитаминоз биотина (витамина Н) – болезнь Свифта, сопровождающаяся специфическим дерматитом. В основе гиповитаминоза лежит образование в ЖКТ нерастворимого комплекса яичного белка авидина с биотином. Почему вареные яйца такого эффекта не вызывают? В состав какого кофермента входит витамин Н? В реакциях какого типа участвует этот кофермент?
Ответ: При варке яичный белок подвергается действию высокой температуры и денатурируется, поэтому он не может образовывать нерастворимый комплекс с биотином.
Витамин Н входит в состав кофермента биоцитина. Биоцитин – кофермент лигаз, участвует в реакциях соединения 2 субстратов ковалентной связью (синтез).
3. Константа Михаэлиса липазы сердца на порядок меньше данного показателя в жировой ткани. В какой ткани будет преобладать гидролиз жиров в постабсорбтивный период (более 4 часов после приема пищи), когда их концентрации в крови невысокая? Ответ поясните. К какому классу и подклассу относится фермент липаза?
Ответ: Липаза – гидролаза, гидролаза эфирных связей.
Константа Михаэлиса липазы сердца на порядок меньше, чем липазы жировой ткани, это значит, что липаза сердца имеет большее сродство к субстрату (жиру), т.е. она будет расщеплять жиры даже при их невысоко концентрации в крови. Поэтому в постабсорбтивный период, когда содержание жиров в крови невысокое, будет преобладать их гидролиз в сердечной мышще.
4. Константа Михаэлисагексокиназы мозга значительно меньше данного показателя в гепатоцитах. В каком органе будет преобладать реакция, катализируемая данным ферментов в постабсорбтивный период (более 4 часов после приема пищи), когда концентрации глюкозы в крови невысокая? Ответ поясните. К какому классу и подклассу относится гексокиназа? Чем отличаются изоформыгексокиназы?
Ответ: Гексокиназа – трансфераза, фосфотрансфераза. У человека существует 4 изоформы гексокиназы, они синтезируются в разных органах и у них разные константы Михаэлиса.
Т.к. константа Михаэлиса гексокиназы мозга меньше, чем Км гепатоцитов (т.е. сродство гексокиназы мозга к глюкозе выше, чем у гексокиазы гепатоцитов), то в постабсорбтивный период (когда содержание глюкозы в крови невысокое) будет преобладать реакция, катализируемая гексокиназой мозга.
5. Метанол в чистом виде нетоксичен для организма, однако приём его внутрь может привести к смерти. Объясните причину. Один из методов лечения при отравлении метанолом состоит в том, что больному назначают этанол. Объясните, почему такое лечение оказывается эффективным? Назовите фермент, который катализирует метаболизм этих спиртов. К какому классу и подклассу ферментов он относится? Объясните понятие субстратной специфичности фермента. Какой показатель характеризует специфичность субстрата и фермента?
Ответ: При принятии внутрь метанол (в чистом виде нетоксичен для организма) ферментом алкогольдегидрогеназой превращается в формальдегид – ядовитое для человека соединение.
Один из методов лечения – дать человеку выпить этанол. АДГ, расщепляющая спирты в организме, имеет бОльшее сродство к этанолу, чем к метанолу, поэтому при поступлении в кровь этанола АДГ начнет расщеплять его, а метанол выведется из организма в чистом виде.
Алкогольдегидрогеназа – оксидоредуктаза, анаэробная дегидрогеназа.
Субстратная специфичность – способность фермента взаимодействовать с одним или несколькими субстратами со сходным строением и типом связей.
Специфичность субстрата и фермента характеризует константа Михаэлиса.
6.При исследовании желудочного сока методом гель-фильтрации выделили неактивную форму пепсина с молекулярной массой 42 кДа. После добавления к ферменту соляной кислоты молекулярная масса уменьшилась до 35 кДа и фермент стал активным. Объясните полученные данные. Какой вид регуляции активности характерен для данного фермента? Каков биологический смысл образования неактивной формы данного фермента? К какому классу и подклассу ферментов относится пепсин?
Ответ: Пепсин – гидролаза, пептидаза.
При добавлении НСl к неактивной форме пепсина(профермент) от профермента отщепляется специфический ингибитор и профермент переходит в активную форму – активный пепсин. Этот способ регуляции – частичный протеолиз, в результате изменяется конформационная структура фермента.
7. Липаза в жировой ткани может находиться в 2-х формах с различной активностью: в виде простого белка и фосфопротеина. Объясните, каким путем происходит переход одной формы в другую и почему этот переход сопровождается изменением активности фермента. Какой тип реакций катализирует липаза? Назовите подкласс данного фермента.
Ответ: Липаза – гидролаза, гидролаза эфирных связей. Липаза катализирует гидролиз эфирных связей в молекулах жиров.
Переход липазы из неактивной формы (простой белок) в активную (фосфопротеин) происходит путем фосфорилирования. К молекуле фермента присоединяется фосфатная группа, меняется конформационная структура белка, открывается или формируется активный центр, в результате чего фермент становится активным.
8. Кофеин является конкурентным ингибитором фосфодиэстеразы – фермента распада цАМФ. Как повлияет прием кофеина на активность протеинкиназы А? Какую реакцию катализирует протеинкиназа А? Какое значение имеет эта реакция?
Ответ: Прием кофеина повысит активность протенинкиназы А.
Фосфодиэстераза расщепляет цАМФ, а кофеин ингибирует этот процесс. Нерасщепленный цАМФ - активатор протеинкиназы А – и обеспечивает ее повышенную активность.
Протеинкиназа А осуществляет активацию и инактивацию ферментов путем фофорилирования.
9. Аспартаткарбамоилтрансфераза (12 протомеров) после выдерживания в течение 4 мин при 60°С теряет чувствительность к аллостерическому ингибитору ЦТФ при сохранении ферментативной активности. При этом происходит диссоциация фермента на отдельныепротомеры. Какие особенности строения и функционирования аллостерических ферментов подтверждают представленные данные?
Ответ: Аллостерические белки имеют особое строение: они состоят из нескольких протомеров, в которых имеется не только активный центр фермента, но и регуляторный (аллостерический). поэтому при воздействии аллостерического ингибитора взаимодействует только аллостерический центр, при сохранении функций активного центра.
10. Установлено, что ацетилсалициловая кислота (противовоспалительное средство) является ингибитором циклооксигеназы – фермента, участвующего в синтезе эйкозаноидов – биологически активных веществ, регуляторов развития воспалительного ответа. Объясните механизм ингибирования фермента под влиянием препарата, если известно, что в результате ингибирования образуется салициловая кислота, а образование эйкозаноидов восстанавливается только после синтеза новых молекул фермента.
Ответ: Ацетилсацициловая кислота присоединяет ацетильную группу к остатку серина в составе активного центра фермента, тем самым изменяя его структуру и подавляет его действие. Таким образом, эта реакция необратима, и восстановление функций фермента возможно только путем синтеза новых молекул циклооксигеназы.
11. Для лечения миастении (мышечной слабости), которая сопровождается нарушением нейро-мышечной регуляции с участием ацетилхолина, используют лекарственный препарат прозерин. На чем основано применение данного препарата? Охарактеризуйте конкурентное ингибирование активности ферментов.
Ответ: Прозерин представляет собой лекарственный препарат из группы антихолинэстеразных средств. Механизм действия препарата заключается в связывании с анионным и эстеразным центрами молекулы ацетилхолинэстеразы, что обратимо экранирует их от ацетилхолина, в результате чего останавливается его энзиматический гидролиз, ацетилхолин накапливается и усиливается холинергическая передача.
К конкурентному ингибированию относят обратимое снижение скорости ферментативной реакции, вызванное ингибитором, связывающимся с активным центром фермента и препятствующим образованию фермент-субстратного комплекса. Такой тип ингибирования наблюдают, когда ингибитор - структурный аналог субстрата, в результате возникает конкуренция молекул субстрата и ингибитора за место в активном центре фермента. В этом случае с ферментом взаимодействует либо субстрат, либо ингибитор, образуя комплексы фермент-субстрат (ES) или фермент-ингибитор (EI). При формировании комплекса фермента и ингибитора (EI) продукт реакции не образуется.
12. Сукцинилхолин – аналог ацетилхолина – используют в хирургии как миорелаксант. Почему его применение не рекомендуют больным со сниженной белоксинтезирующей функцией печени? Расскажите о процессе инактивации анестезирующего препарата и о ферменте, который этот процесс катализирует
Ответ: инактивация сукцинилхолина в организме осуществляется путем гидролиза под действием фермента псевдохолинэстераза. Этот фермент вырабатывается в печени и как и все остальные имеет белковую природу. Поэтому при нарушении белоксинтезирующей функции печени будет нарушено выведение миорелаксанта из организма.
13. При добавлении к суспензии митохондрий малоновой кислоты – структурного аналога сукцината – происходило резкое снижение поглощения клетками кислорода. Добавление цитрата не влияло на потребление кислорода, в то время как добавление фумаратаоказывало стимулирующий эффект. Объясните результаты эксперимента. В каком процессе, происходящем в митохондриях, участвуют сукцинат и фумарат? Какова роль этого процесса?
Ответ: Сукцинат и фумарат участвуют в цикле Кребса. Малоновая кислота – структурный аналог сукцината, ингибитор сукцинатдегидрогеназы. При добавлении малоновой кислоты реакция дегидрирования сукцината не происходит, продукт реакции (фумарат) не образуется, поэтому нарушается цикл Кребса, не образуются восстановительные эвиваленты, не идет процесс тканевого дыхания - клетки не поглощают кислород.Добавление цитрата не влияло на цК, т.к. цитрат используется в реакции, предшествующей дегидрированию сукцината.При добавлении фумарата цикл Кребса восстанавливался и поглощение клетками кислорода продолжалось. ЦК – конечный путь метаболизма, источник восстановительных эквивалентов для ЦПЭ и синтеза АТФ (получение энергии).
14. В злокачественных опухолях преобладает анаэробный тип метаболизма углеводов и накапливается молочная кислота. Известно, что взаимопревращения пирувата и лактата, которые катализирует лактатдегидрогеназа (ЛДГ), быстро протекают в миокарде. Следовательно, изоферментный состав ЛДГ опухолевых клеток и кардиомиоцитов будет близким. Какие изоферменты лактатдегидрогеназы преобладают в опухолевых клетках? Как это можно использовать в диагностике? Охарактеризуйте положение ЛДГ в классификаторе ферментов .
Ответ: В опухолевых клетках будут преобладать такие же изоформы ЛДГ, как и в кардиомиоцитах - ЛДГ1 и 2, а также ЛДГ3. Анализ изоферментного состава ЛДГ используется при разных патологиях (сердца, печени, мышщ, опухолей), т.к. в разных органах содержатся разные изоформы ЛДГ. ЛДГ – оксидоредуктаза.
15. Применение трипсина при местном воздействии основано на способности расщеплять некротизированные ткани и фибринозные образования, разжижать вязкие секреты, экссудаты, сгустки крови. По отношению к здоровым тканям фермент неактивен и безопасен. Объясните почему. К какому классу и подклассу ферментов относится трипсин? Почему данный фермент используют для обработки и лечения гнойно-некротических ран?
Ответ: Трипсин относится классу гидролаз, подклассу пептидаз. Данный фермент катализирует гидролиз пептидных связей, т.к. некротические ткани имеют белковую структуру, то трипсин будет способствовать их расщеплению.Но он не влияет на здоровые ткани, поскольку для медицинского использования используется иммобилизованная форма данного фермента.
16. Известно, что в результате работы микросомальной системы гидроксилирования (МСГ) некоторые потенциально токсичные для организма ксенобиотики становятся гидрофильными. Объясните, почему гидроксилирование приводит к уменьшению токсичности липофильныхксенобиотиков. К какому классу относятся ферменты МСГ? Каков принцип работы электронотранспортной системы МСГ?
Ответ: Микросомальная система гладкого эндоплазматического ретикулума выделяет монооксигеназные ферменты. Из их числа в механизмах метаболизма ксенобиотиков преимущественно участвуют 1 оксидазы со смешанными функциями и 2 ферменты, обеспечивающие процессы конъюгации.
Оксидазы катализируют реакции С-гидроксилирования ксенобиотиков. В результате ксенобиотики приобретают реактивные группы ОН, COOH, которые обеспечивают вступление в реакции конъюгации с образованием малотоксичных соединений, легко выводящихся из организма с мочой, желчью и калом.
2. Класс Оксидоредуктазы
3.А. Связывание в активном центре цитохрома Р450 и вещества RH(ксенобиотика), активирует восстановление железа в геме - присоединяется первый электрон.
Б. Изменение валентности железа увеличивается cродство комплекса к молекуле кислорода
В. Появление в центре свертывания циторома Р450 молекулы О2 ускоряет появление второго электрона и образование комплекса: Р450-Fe(II+)+O2-RH
Д. Модифицированное вещество R-ОН отделяется от фермента и выводится из организма.
17.Объясните, почему при определении активности лактатдегидрогеназы материалом для исследования является сыворотка крови без признаков гемолиза, а при определении активности панкреатической липазы можно использовать гемолитическую сыворотку? Назовите положение указанных ферментов в классификаторе
Ответ: гемолиз эритроцитов в пробе крови (в связи с высоким содержанием ЛДГ в клетках крови), поэтому гемолитическая сыворотка не подойдет для определения активности ЛДГ, в связи с тем что ЛДГ может выйти из разрушенных эритроцитов и исказить результат анализа. Повышение активности липазы наблюдается при патологии поджелудочной железы, что связано с повреждением ее клеток и выходом фермента в кровь, поэтому ее активность не зависит от того используется ли кровь с признаками гемолиза или нет.
ЛДГ- Класс-оксидигоредуктазы, (подкласс-оксидазы)
Панкреатическая липаза: Класс-гидролазы
18. ДНК-аза – лизосомальный фермент, задерживающий размножение ДНК-содержащих вирусов. Установлено, что в клетки вирусы попадают путем пиноцитоза и таким образом оказываются изолированными в пиноцитозных пузырьках, которые сливаются с лизосомами. Почему ДНК-аза даже в очень больших количествах не повреждает молекулы ДНК клетки? К какому классу ферментов относится ДНК-аза?
Ответ: ДНК-аза не повреждает собственную ДНК клеток, поскольку этот фермент захватывается клеточными мембранами и внутри клеток изолирован от ядерных структур в эндосомах. .
Класс: гидролазы
19. Объясните, почему при повышении проницаемости мембран гепатоцитов в плазме крови в большей степени возрастает активность аланинаминотрансферазы (АЛТ), несмотря на то, что суммарная активность аспартатаминотрансферазы в клетках печени выше по сравнению с активностью АЛТ. Какой тип реакции катализируют данные ферменты и как их используют в диагностике заболеваний?
Ответ: При остром гепатите наступает цитолиз гепатоцитов и снижение белоксинтезирующей функции печени. АЛТ является внутриклеточным ферментом и содержатся в гепатоцитах, соответственно, будут выходить в кровяное русло при цитолизе.
Тип р-ции: перенос функциональных групп с одного субстрата на другой
Ананинаминотрансфераза (АЛТ или АлАТ) и аспартатаминотрансфераза (АСТ или АсАТ) объединяют в одну группу ферментов - аминотрансферазы.
Ферменты имеют избирательную тканевую специализацию, поэтому анализ крови на АЛТ свидетельствует о состоянии печени, анализ крови на АСТ - показатель состояния сердечной мышцы - миокарда. Повышенное содержание этих ферментов в плазме крови сигнализирует о повреждениях в тканях печени или миокарда. Гибель и разрушение клеток в этих органах, сопровождается выходом ферментов в кровь.
В диагностике также часто применяют коэффициент Ритиса – отношение АсАТ/АлАТ, определенных в одном анализе крови. Нормальное значение этого коэффициента - 1,3. Инфекционный гепатит вызывает его снижение. При инфаркте миокарта индекс Ритиса повышен
По результатам анализа АлАТ повышение АЛТ - признак таких серьезных заболеваний, как:
сердечная недостаточность
миокардит
панкреатит
инфаркт миокарда
травма и некроз скелетных мышц
обширные инфаркты
сердечная недостаточность
вирусный гепатит
токсическое поражение печени
цирроз печени
хронический алкоголизм
рак печени
токсическое действие на печень лекарств (антибиотиков и др.)
Анализ крови АСТ может показать повышение АСТ в крови, если в организме присутствует такое заболевание, как:
инфаркт миокарда
вирусный, токсический, алкогольный гепатит
стенокардия
острый панкреатит
рак печени
острый ревмокардит
сердечная недостаточность
20.Известно, что мочевина при концентрации 2 ммоль/л снижает активность лактатдегидрогеназы (ЛДГ) I и II на 20%, а ЛДГ IV и V полностью теряют активность. Как можно использовать данный факт для диагностики инфаркта миокарда и гепатита (заболеваний сопровождающихся цитолизом и некрозом) в лаборатории, которая имеет возможность определить только суммарную активность фермента? Какой тип реакций катализирует ЛДГ? Какой витамин необходим для «работы» фермента?
Ответ: если небольшое уме6ньшение ЛДГ..то активность 1 и 2 уменьшилась.следовательно сердце....если сильно уменьшилась активность ЛДГ..то это пе6чень
В реакциях гликолиза
Для «работы» фермента необходим Витамин В 6
21. Белки пищи перевариваются (гидролизуются) ферментом желудочного сока пепсином. Назовите класс и подкласс ферментов, к которому относится пепсин. Назовите оптимум рН пепсина. Почему у больных с гипоацидным гастритом нарушается переваривание белков в желудке? Какие белки будут быстрее перевариваться в ЖКТ денатурированные или нативные. Почему? Известно, что пепсин синтезируется в клетках желудка в неактивной форме и становится активным только в полости органа. Опишите механизм регуляции активности данного фермента.
Ответ:
Пепсин относится к классу гидролаз, подкласс- пептидазы. Оптимум рН для пепсина составляет 1,5-2. У больных нарушается переваривание белков в желудке вследствие пониженной кислотности желудочного сока (это и есть гипоацидный гастрит). Денатурированные белки быстрее перевариваются ферментами желудочно-кишечного тракта по сравнению с нативными (даже если понижена кислотность). Железами желудка пепсин вырабатывается в неактивном виде, переходит в активную форму при воздействии на него соляной кислоты. Пепсин действует только в кислой среде желудка и при попадании в щелочную среду двенадцатиперстной кишки становится неактивным. МЕХАНИЗМ: Превращение пепсиногена в пепсин происходит в результате отщепления с N-kонцевого участка пепсиногена несколько пептидов, один из которых играет роль ингибитора. Процесс активации идёт в несколько стадий и катализируется соляной кислотой желудочного сока и самим пепсином (автокатализ). Пепсин обеспечивает дезагрегацию белков, предшествующую их гидролизу и облегчающую его. Как катализатор он обладает протеазным и пептидазным действием.
22. Студент получил образец крови больного для определения активности сывороточной холинэстеразы (ПХЭ). Для проведения анализа он составил инкубационную смесь, которая включала субстрат фермента, сыворотку крови, буфер для поддержания рН (8,4) и индикатор феноловый красный. По истечении времени инкубации реакционная смесь приобрела желтую окраску. Почему? Какую реакцию катализирует данный фермент (назовите субстрат и продукты)? К какому классу и подклассу ферментов он относится? Активность фермента, рассчитанная студентом, оказалось равной 80 мкмоль/мл∙ч (норма 160 – 340 мкмоль/мл∙ч). Почему активность фермента студент выразил в единицах концентрации? С чем может быть связано снижение активность ПХЭ? Ответ: холинэстераза - класс гидролаз, подкласс - гидролаза эфирных связей. Субстраты - сложные эфиры холина с уксусной, пропионовой или масляной кислотами. Продукты - холин и уксусная кислота. В результате реакции рН среды сдвигается в кислую сторону, что регистрируется с помощью индикатора (фенолового красного), поэтому и пожелтел. Понижение активности связано с аллостерическим ингибированием, т.е. образование
Ответ:
Константа Михаэлиса(концентрация субстрата, при которой скорость реакции равна 1/2 от максимальной).
Характеризует сродство фермента к субстрату (чем меньше значение, тем выше сродство). Является величиной постоянной
Максимальная скорость реакции: высокой концентрации субстрата и низком значении K S скорость реакции.
Vm= 40 мкмоль/мин ∙ мг Km= 10 мк моль/л U= 10 мкмоль/мин ∙ мг S-?
Нет, (ПОЧЕМУ?)
25. Студент изучал влияние различных концентраций АТФ и АДФ на скорость изоцитратдегидрогеназной реакции, соблюдая оптимум рН и температуры среды инкубации. Как вы думаете, какие результаты мог получить студент? Объясните механизм влияния данных нуклеотидов на активность фермента. Какой вывод об особенности строении фермента можно сделать? Охарактеризуйте положение фермента в классификаторе
Ответ: Изоцитрат-дегидрогеназная реакция аллостерически активируется АДФ, при повышении концентрации АТФ скорость снижается.Фермент аллостерически активируется АДФ и Са++, поскольку имеет аллостерические центры связывания АДФ и Са++на каждой субъединице.
Изоцитратдегидрогеназа, олигомерный фермент, состоит из 8 субъединиц. Присоединение изоцитрата к первой субъединице вызывает кооперативное изменение конформации других, увеличивая скорость присоединения субстрата. Фермент аллостерически активируется АДФ и Са2+, которые присоединяются к ферменту в разных аллостерических центрах. В присутствии АДФ конформация всех субъединиц меняется таким образом, что связывание изоцитрата происходит значительно быстрее. Таким образом, при концентрации изоцитрата, которая существует в митохондриальном матриксе, небольшие изменения концентрации АДФ могут вызвать значительное изменение скорости реакции. Увеличение активности изоцитратдегидрогеназы снижает концентрацию цитрата, что, в свою очередь, уменьшает ингибирование цитратсинтазы продуктом реакции. При повышении концентрации NADH активность фермента снижается.
26. Гиалуронидаза широко применяется в медицине вместе с препаратами для местной анестезии. Субстрат фермента гиалуроновая кислота – компонент межклеточного матрикса. Реакцию какого типа катализирует данный фермент? Какова цель использования фермента в составе анестетиков?
Ответ: Гиалуронидаза – фермент (точнее группа ферментов), способный расщеплять гиалуроновую кислоту до олигомеров (низкомолекулярных фрагментов) (рис. 1). В организме человека идентифицировано несколько типов гиалуронидазы, как в цитоплазме клеток, так и во внеклеточном матриксе. Согласованная работа этих ферментов способствует поддержанию оптимального баланса ГК в соединительной ткани. Гиалуронидазы синтезируются не только в организме человека – это поистине универсальный фермент. Большинство функций, которые выполняют гиалуронидазы, связаны с их способностью повышать проницаемость тканей за счет снижения вязкости межклеточного матрикса. Гиалуронидаза является компонентом ядовитого секрета некоторых животных, поскольку за счет снижения вязкости межклеточного матрикса тканей и повышения проницаемости капилляров облегчается распространению токсина из места укуса. Это же эффект, «подсмотренный» в природе, активно используется в медицине, когда гиалуронидаза вводится в ткани совместно с препаратами, например, местных анестетиков, способствуя их распространению в тканях при инфильтрационной анестезии.
Тип I. Гиалуронидазы тестикулярного типа (гиалуронат-эндо-β-N-ацетилгексозаминидазы, КФ 3.2.1.35) Тип Ia. Собственно тестикулярная гиалуронидаза. Содержится в семенниках и в сперме млекопитающих, молоках рыб. Тип Ib. Лизосомальная гиалуронидаза. Содержится в лизосомах клеток различных тканей (печень, синовиальная ткань и др.), а также в некоторых физиологических жидкостях (сыворотка крови, синовиальная жидкость и др.) Тип Ic. Субмандибулярная гиалуронидаза. Содержится в слюне и слюнных железах млекопитающих, в пчелином и змеином ядах.
27. Студент получил образцы крови для определения активности кислой и щелочной фосфатазы. Для проведения анализа он составил 2 инкубационные смеси, которые включали субстраты ферментов, сыворотку крови и буфер (рН 5). Проанализируйте правильность составления инкубационной смеси для каждого фермента. Какую ошибку на ваш взгляд допустил студент? Результаты активности какого фермента окажутся неверными? Как влияет величина рН на активность ферментов? Какой тип реакции катализируют выбранные ферменты?
Ответ: Оптимум рН кислой фосфатазы лежит в кислой среде (рН 5,0-5,5) А для ЩФ составляет 8,6-10,1. В данной кислой смеси активность ЩФ будет понижена. Влияние изменений рН среды на молекулу фермента заключается в воздействии на состояние и степень ионизации кислотных и основных групп. При резких сдвигах от оптимума рН среды ферменты могут подвергаться конформационным изменениям, приводящим к потере активности вследствие денатурации или изменения заряда молекулы фермента. Тип реакции - гидролиз сложных эфиров фосфорной кислоты. ЩФ много в печени, КФ - в предстательной железе.
28. Студент получил образцы крови для определения активности кислой и щелочной фосфатазы. Для проведения анализа он составил 2 инкубационные смеси, которые включали субстраты ферментов, сыворотку крови и буфер (рН 9). Проанализируйте правильность составления инкубационной смеси для каждого фермента. Какую ошибку на ваш взгляд допустил студент? Результаты активности какого фермента окажутся неверными? Как влияет величина рН на активность ферментов? Какой тип реакции катализируют выбранные ферменты?
Ответ: Щелочная фосфатаза- фермент, относящийся к группе гидролаз и катализирует реакцию отщепления фосфорной кислоты от её органических соединений, действует в щелочной рН среде=9 Кислая фосфатаза- фермент, относящийся к группе гидролаз и катализирует реакцию гидролиза органических эфиров фосфорной кислоты, действует в кислой рН среде, от 4до 6. Студент допустил следующую ошибку: он взял рН среду, в которой активным будет только щелочная фосфатаза. Результаты активности кислой фосфатазы окажутся неверными
29. Препараты фестал, мезим, панкреатин и др. широко используют в заместительной энзимотерапии желудочно-кишечных заболеваний, сопровождающихся снижением активности пищеварительныого сока. Какие ферменты содержат данные препараты? К какому классу и подклассу ферментов они относятся?
Ответ: Данные препараты являются ферментными препаратами. Они компенсируют недостаточность внешнесекреторной функции поджелудочной железы и способствуют улучшению процессов пищеварения. Входят в состав препаратов (панкреатина) – ферменты амилаза, липаза и протеаза облегчают переваривание углеводов, жиров и белков, что способствует их более полному всасыванию в верхних отделах кишечника. Ферменты относятся к классу гидролаз. Подклассы: -амилаза – гликозидазы -липазы – эстеразы Протеазы – пептидазы. Препараты поджелудочной железы стимулируют выделение собственных ферментов поджелудочной железы при их недостатке.
30. При недостатке витамина В6, который участвует в синтезе гема, развивается анемия. В диагностических целях в данном случае определяют аминотрансферазнуюактивность сыворотки крови. Почему? Как может измениться результат анализа у этих больных? Какую реакцию катализируют аминотрансферазы? Почему в плазме крови в норме определяется активность внутриклеточных ферментов?
Ответ: При недостатке витамина В6 в сыворотке/плазме крови будут определять активность аланинаминотрансферазы. Вит.В6 участвует в синтезе гема. Так как гем является простетической группой гемоглобина(небелковой), а гемоглобин- это белок, то аминотрансферазы участвуют в переносе его аминогрупп, а если содержание витамина В6 будет понижено, следственно, содержание гемоглобина будет тоже понижено и будет развиваться анемия. При недостатке вит. В6 активность АлТ в сыворотке/плазме будет понижена. Данный фермент катализируюет реакцию переноса функциональных групп (в данном случае пептидных). В плазме крови в норме определяется активность внутриклеточных ферментов для того, чтобы определить в норме содержится фермент или его содержание повышено, так как внутриклеточные ферменты выполняют свою функцию внутри клеток и их содержание в плазме небольшое, но при патологических изменениях оно увеличивается.
31. Лаборатория может определять активность различных изоформкреатинкиназы, лактатдегидрогеназы, а также псевдохолинэстеразы,аланин (аспартат)аминотрансферазы, кислой фосфатазы, щелочной фосфатазы, гамма-глутамилтранспептидазы. Определение активности каких из перечисленных ферментов и их изоформ можно использовать для диагностики заболеваний миокарда? Ответ поясните. Какой тип реакции катализируют выбранные ферменты? Почему для решения вопроса о локализации патологического процесса необходимо определять активность отдельных изоформ, а не суммарную активность фермента?
Ответ: ЛДГ 1 и 2 преобладают в сердце и корковом в-ве почек. Одновременное повышение КФК (МВ) может говорить о патологии миокарда. Повышение АЛТ и АСТ стоит ожидать, т.к. они тоже выделятся в кровь при повреждении миокарда. В сердце преобладает АСТ. Коэффициент Де Ритиса увеличится (>2 при норме 0.91-1.75). КФК катализирует пренос фосфатных групп, ЛДГ – расщепление лактата, АСТ и АЛТ – перенос аминогрупп аспартата и аланина соответственно (превращение а-аминокислот в кетокислоты). Потому, что разные изоформы отвечают за разные патологии различных органов (например: ЛДГ-1-признак патологии сердца, а ЛДГ-5 – печени…..).
32. Лаборатория располагает возможностью определения активности различных изоформкреатинкиназы, лактатдегидрогеназы, псевдохолинэстеразы, аланин (аспартат)аминотрансферазы, кислой фосфатазы, щелочной фосфатазы, гамма-глутамилтранспептидазы. Назначьте биохимическое (энзимологическое) обследование больному с подозрением на заболевания печени, сопровождающиеся цитолизом. К какому классу относятся выбранные для диагностики ферменты?
Ответ: Повышение уровня АСТ в сыворотке, ЛДГ-1 и КФК-МВ говорит о пат.процессе в миокарде. АЛТ может измениться незначительно, т.к. в сердце преобладает АСТ. КФК катализирует пренос фосфатных групп, ЛДГ – гидролитическое расщепление лактата, АСТ и АЛТ – перенос аминогрупп аспартата и аланина соответственно. ЛДГ-5 локализуется в скелетной мускулатуре и печени. АЛТ – в печени. Аргиназа, гистидаза – также в печени. Повышение уровня в сыворотке этих ферментов говорит о патологии печени. Активность ПХЭ уменьшится – т.к. снизится белково-секреторная ф-я печени. Уровень АСТ часто повышается в 20 - 50 раз при заболеваниях печени, сопровождающихся некрозом. ЛДГ катализирует гидролитическое расщепление лактата, аргиназа - гидролизует аргинин до орнитина и мочевины, гистидаза – гидролиз гистидина. ПХЭ – расщепляет ацетилхолин, АЛТ – перенос аминогруппы аланина.
33.В крови больного повышена активность аспартатаминотрансферазы и лактатдегидрогеназыI. Следует ли ожидать в данном случае изменения активности аланинаминотрансферазы и псевдохолинэстеразы? Ответ поясните. Какие реакции катализируют указанные ферменты?
Ответ:
Так как повышены АСТ и ЛДГ 1, то это свидетельствует о патологии сердечной мышцы (напр. Инфаркте миокарда). В основе лабораторной диагностики инфаркта миокарда лежат биохимические анализы крови. Диагностическое значение имеет анализ активности аспартатаминотрансфераза АСТ, лактатдегидрогеназы ЛДГ и ее изоферментов, креатинфосфокиназы КФК и ее изофермента MB. Инфаркт миокарда – это некроз (гибель) участка сердечной мышцы, в результате которого в кровь выделяются ферменты АЛТ и АСТ. Таким образом, при инфаркте миокарда в крови повышается как уровень АЛТ, так и АСТ, но АСТ повышена сильнее (АЛТ преобладает в печени, а АСТ - в миокарде. Так, при инфаркте миокарда, активность АСТ в крови возрастает в 8-10 раз, тогда как АЛТ только - в 1,5-2 раза). При инфаркте миокарда резкое снижение активности холинэстеразы отмечают к концу первых суток заболевания, что обусловлено шоком, приводящим к тяжёлому повреждению печени. Катализируют реакции трансаминирования: АЛАНИНАМИНОТРАНСФЕРАЗА- катализирует перенос аминогруппы от Ĺаланина к α –кетоглутаровой кислоте (с образованием пировиноградной кислоты и глутаминовой кислоты). АСПАРТАТАМИНОТРАСФЕРАЗА- катализирует перенос аминогруппы от аспарагиновой кислоты к α – кетоглутаровой кислоте (L-Аспартат + α-кетоглютарат АСТ Оксалоацетат + Глютамат) Окислительно-восстановительная реакция: ЛДГ 1 катализирует обратимую реакцию восстановления пировиноградной кислоты в молочную кислоту при участии НАД-Н2 Гидролиз: псевдохолинэстераза - катализирует гидролиз ацетилхолина и бутирилхолина
34.В крови больного резко повышена активность лактатдегидрогеназыI и II, а также активность креатинкиназы. Есть ли основания ожидать изменений активности аминотрансфераз? Как изменится значение коэффициента де Ритиса? Активность какой изоформыкреатинкиназы будет повышена? Ответ поясните. Какой тип реакций катализируют указанные ферменты?
Ответ: 1. Да, активность аспартатаминотрансферазы (АСТ) значительно повысится, в то время как активность аланинаминотрансферазы (АЛТ) будет возрастать умеренно.
2. Коэффициент де Ритиса возрастет, будет больше 1.
3. Креатинкиназы МВ, так как этот фермент является специфичным и чувствительным индикатором повреждения миокарда. (Повышение активности ЛДГ 1 и 2 указывает на патологию сердца.)
35.У больного аспартатаминотрансфераза сыворотки крови 80 Ед/л. Повышена активность креатинфосфокиназы (МВ) и лактатдегидрогеназыI. Как вы думаете, где локализован патологический процесс? Следует ли ожидать изменения активности аланинаминотрансферазы? Какие реакции катализируют данные энзимы?
Ответ:
1. В сердце.
2. Да, при патологиях сердца происходит умеренный рост активности АЛТ.
3. Аспартатаминотрансфераза (АСТ) катализирует перенос аминогруппы с аспарагиновой кислоты (аминокислота) на альфа-кетоглутаровую кислоту (кетокислота). Аланинаминотрансфераза (АЛТ) катализирует обратимый перенос аминогруппы (NH2) из аминокислоты (аланин) α-кетоглутарату, приводя к формированию глутамата и пировиноградной кислоты.
Креатинфосфокиназа (МВ) катализирует перенос фосфата с креатинфосфата на аденозиндифосфат.
Лактатдегидрогеназа катализирует превращение лактата в пируват, при этом образуется NADH+.
36.У больного аланинаминотрансферазасыворотки крови 75 Ед/л. Повышена активность аргиназы, гистидазы и лактатдегидрогеназыV. Как вы думаете, где локализован патологический процесс? Как может измениться активность аспартатаминотрансферазы и псевдохолинэстеразы? К какому классу относятся все перечисленные ферменты?
Ответ.
При остром гепатите наступает цитолиз гепатоцитов и снижение белоксинтезирующей функции печени, поэтому: в качестве маркерных ферментов печени в данном случае следует использовать АЛТ и лактатдегидрогеназу (V), также возможно назначение анализов на изменение уровня активности аргиназы и гистидазы. Все эти ферменты являются внутриклеточными и содержатся в гепатоцитах, соответственно, будут выходить в кровяное русло при цитолизе. В качестве секреторного фермента в данном случае нужно использовать псевдохолинэстеразу, уровень активности которой в крови будет снижен из-за снижения белоксинтезирующей функции печени.
Класс: трансферазы
псевдохолинэстераза, уровень активности в крови будет снижен из-за снижения белоксинтезирующей функции печени. АСТ тоже снижен
37.Назначьте биохимическое (энзимологическое) обследование больному, у которого Вы подозреваете снижение экскреторной функции поджелудочной железы вследствие ее воспаления. Назовите тип катализируемой реакции выбранных для диагностики ферментов. Объясните, почему в комплексной терапии такого заболевания используют ингибиторы трипсина?
Ответ.
Биохимический анализ крови при панкреатите – проводят для выявление уровня глюкозы, холестерина, амилазы (чаще, при остром панкреатите), глобулинов. Повышение или понижение в крови данных показателей может направить врачей на верный путь и вовремя помочь пациенту. Глюкоза – основной показатель углеводного обмена. Ее уровень может быть понижен при некоторых эндокринных заболеваниях. Повышение содержания глюкозы наблюдается при панкреатите довольно часто. У взрослых норма глюкозы в крови - 3,89 - 5,83 (3,5-5,9) ммоль/л Холестирин - повышение уровня холестерина сигнализирует о развитии сахарного диабета, хронических заболеваниях почек, снижении функции щитовидной железы. Важно знать, что холестерина становится меньше нормы при остром панкреатите и заболеваниях печени. Нормы холестерина общего в крови - 3,0-6,0 ммоль/л Глобулины - уровень α2-глобулинов при панкреатите всегда снижается. Амилаза - уровень панкреатической амилазы в крови возрастает в 10 раз и более выше нормы при остром панкреатите или при обострении хронического панкреатита. Резкое повышение уровня амилазы панкреатической может быть связано с воспалением поджелудочной железы, вследствие закупорки протока поджелудочной железы кистой, опухолью, камнем, спайками. Норма амилазы в крови 28 -100 Ед/л. Анализ мочи при панкреатите – обнаружение амилазы в моче также свидетельствует о панкреатите (в основном - остром панкреатите). Анализ кала позволяет оценить экскреторную функцию поджелудочной железы. Кал мазеподобной консистенции, при микроскопическом анализе выявляют наличие непереваренной клетчатки, повышенное содержание нейтрального жира, жирных кислот. К маркерам повреждения печени относят билирубин, АЛТ, ГГТ и щелочную фосфатазу!
При воспалении поджелудочной железы ферменты, выделяемые железой, не выбрасываются в двенадцатиперстную кишку, а активизируются в самой железе и начинают разрушать её (самопереваривание). Соответственно, чтобы это предотвратить, назначаются ингибиторы ферментов поджелудочной, трипсина в том числе.
38.Назначьте биохимическое (энзимологическое) обследование больному с подозрением на острый гепатит, который сопровождается цитолизом гепатоцитов. Как изменится у него уровень маркерных и секреторных ферментов печени? Назовите класс и подкласс выбранных для диагностики ферментов.
Ответ.
Бх анализы на АЛТ и АСТ, коэффициент де Ритиса.
Проверить повышение активности ряда сывороточных ферментов: альдолазы, аспартатаминотрансферазы и особенно аланинаминотрансферазы (значительно выше 40 ед.)
Норма АЛТ в крови 0.1-0.68 мкмоль\л.ч Различные уровни повышения активности АЛТ выявляются при острых гепатитах, циррозе печени и при приеме гепатотоксических препаратов (яды, некоторые антибиотики).
Соотношение активности АСТ/АЛТ называется коэффициент де Ритиса . Нормальное значение коэффициента де Ритиса равно 1,3. При повреждениях печени значение коэффициента де Ритиса снижается.
Резкое повышение активности АЛТ в 5-10 и более раз, Активность АСТ возрастает.
Класс – Трансферазы. Подкласс -
39.Мужчина находился в контакте с больным вирусным гепатитом (заболевание печени, сопровождающееся цитолизом). Назначьте биохимическое обследование, с помощью которого можно выявить признаки нарушения структуры и функции печени в случае заражения.
Ответ.
Оределение уровня аланинаминотрансфераза («печеночных» ферментов АЛТ) и аспартатаминотрансфераза (АСТ) в крови. АЛТ и АСТ – это ферменты, которые содержатся внутри гепатоцитов и выходят наружу при повреждении клеток. Обследование для определения уровня АСТ и АЛТ в крови позволяет установить степень активности вызванных вирусом воспалительных процессов в печени.
Норма АЛТ в крови 0.1-0.68 мкмоль\л.ч
Норма АСТ 0.1-0.45 мкмоль\л.ч.
40.Назначьте биохимическое (энзимологическое) обследование пациенту с подозрением на инфаркт миокарда (заболевание протекает с развитием некроза). 2Каковы возможные сдвиги ферментативной активности? 3Назовите класс и подкласс выбранных для диагностики ферментов.
Ответ:
1.Определяется активность ферментов, уровень которых в крови существенно возрастает в результате их выхода из очага некроза, увеличивается содержание миоглобина, показатель которого информативен в первые часы и при атипичной клинической картине, когда по симптомам поставить диагноз практически не возможно. Содержание миоглобина в сыворотке крови в норме составляет:
У мужчин 22-66 мкг/л,
У женщин - 21-49 мкг/л
Увеличение концентрации миоглобина в крови и появление его в моче (миоглобинурия) отмечается при деструктивных процессах в поперечно-полосатой мускулатуре и, в частности, в миокарде.
Диагностическое значение имеет анализ активности аспартатаминотрансфераза АСТ, лактатдегидрогеназы ЛДГ и ее изоферментов (ЛДГ 1-5), креатинфосфокиназы КФК и ее изофермента MB.
2.Повышение АСТ, К-ДРитиса, ЛДГ.
3.Класс – трансферазы.
41. Назначьте биохимическое (энзимологическое) обследование больному с подозрением на заболевания печени, связанные с нарушением ее экскреторной функции. Каковы возможные сдвиги ферментативной активности? Назовите класс и подкласс выбранных для диагностики ферментов.
Ответ: Необходимо проверить уровень щелочной фосфатазы у больного. Если ее уровень повышен – значит у больного имеется патология экскреторной функции печени. Если же уровень в норме – патологии нет. Щелочная фосфатаза относится к классу гидролаз, подклассу гликозидазы.
42. У больного железодефицитное состояние. Как при этом изменится скорость микросомальногогидроксилирования (МСГ)? Как это нужно учесть, подбирая дозы лекарственных препаратов для лечения сопутствующих заболеваний? Объясните механизм работы микросомальной системы гидроксилирования. К какому классу относятся ферменты МСГ?
Ответ: Вообще гидроксилирующие ферментыты являются монооксидантами, включающими в качестве кофермента железосодержащий гем, таким образом, при железодефицитном состоянии гидроксилирование угнетено. Необходимо снижать дозы препаратов, которые метаболизируются в организме путем гидроксилирования. Для ряда препаратов достаточно активного действия, и при этом метаболизирующая гидроксилироованием..
нужна глюкоза -НАДФ. Скорость окисления тех или иных веществв может ограничиваться конкуренция за ферментный комплекс микросомальной фракции. Так, одновременно назначение двух конкурирующих лекарств приводит к тому что удаление одного из них может замедлится и это приведет к накоплению его в организме. В другом случае лекарство может индуцировать активацию системы микросома оксидаз-ускорен. устранение одновременно назначенных других препаратов.
43. Какие витамины следует назначить больному с гипоэнергетическим состоянием, вызванным сердечно-сосудистым заболеванием, и почему?
Ответ: Причиной гипоэнергетического состояния могут являться гиповитаминозы, так как в реакциях общих путей катаболизма и дыхательной цепи участвуют коферменты, содержащие витамины. Витамин В1 входит в состав тиаминдифосфата, витамин В2 – составная часть FMN и FAD. Витамин PP в виде никотинамида входит в состав NAD+ и NADP+, пантотеновая кислота – в состав кофермента А, биотин – коферментная функция активации CO2.
44. У больного снижена активность ферментов дегидрогеназ (лактатдегидрогеназы, малатдегидрогеназы, алкогольдегидрогеназы) в сыворотке крови. Объясните возможную причину данного изменения. Как можно устранить причину? Почему в норме обнаруживается активность в плазме крови внутриклеточных ферментов? Какой тип реакций катализируют указанные ферменты?
Ответ: только такое Снижение активности вызывается: -- Уменьшением числа клеток, секретирующих фермент - Недостаточностью синтеза - Увеличением выделения фермента - Торможением активности в результате действия протеиназ - генетические нарушения (Как устранить?? Все перечисленные ферменты необратимо ингибируются денатурируются солями тяжёлых металлов. Кроме того, НАД – зависимые дегидрогеназы могут ингибироваться большими дозами алкоголя и некоторыми наркотическими веществами эфир, уретан. Необходимо выяснить этиологию и начать лечение - в т.ч. дезинтоксикацию .) В норме обнаруживается активность в плазме крови внутриклеточных ферментов в связи с физиологическим гемолизом вследствие естественного старения эритроцитов с выходом содержимого цитоплазмы в плазму крови (в т.ч. внутриклет. ферментов), повышенной проницаемостью мембран в детском возрасте, при выполнении тяжких физических нагрузок. Дегидрогеназы катализаруют дегидрирование (окисление) субстрата с использованием в качестве акцептора водорода НАД+, НАДФ+, ФАД, ФМН
45.Вследствие дефицита тиамина может возникнуть гипоэнергетическое состояние. Объясните, почему. Известно, что в тканях при этом повышается уровень кетокислот. Какие кетокислоты накапливаются? К каким изменениям рН это может привести? Улучшится ли состояние больных при увеличении в их пищевом рационе углеводов?
Ответ: Витамин В1 (тиамин) играет важную роль в процессах энергообеспечения организма. Он является кофактором пируваткарбоксилазы (1ый фермент пируватдегидрогеназного комплекса), фермента альфа-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса, транскетолазы (фермент неокислительного этапа пентозофосфатного пути). Вследствие нарушения работы этих ферментов возникает гипоэнергетическое состояние. Происходит накопление недоокисленных продуктов обмена пирувата, которые оказывают токсическое действие на ЦНС и обусловливают развитие метаболического ацидоза. Вследствие развития энергодефицита снижается эффективность работы ионных градиентных насосов, в том числе клеток нервной и мышечной ткани. Нарушается синтез жирных кислот и трансформация углеводов в жиры. Усиление катаболизма белков ведёт к развитию мышечной атрофии, у детей - к задержке физического развития. Вследствие затруднения образования из пировиноградной кислоты ацетил КоА страдает процесс ацетилирования холина.
46. Используя знания по биохимии энергетического обмена, попытайтесь объяснить почему, чтобы не замерзнуть зимой на улице следует как можно больше двигаться?
Ответ: Движение вызывается сокращением мышечной ткани. Это сокращение требует затрат энергии, которая высвобождается в процессе тканевого дыхания и превращения глюкозы. Но так как не вся энергия идет на обеспечение потребностей клетки, часть ее рассеивается и «нагревает» окружающие ткани. За счет этого температура тела повышается при интенсивной мышечной работе.
47. Почему липоевая кислота обязательно входит в комплекс препаратов для лечения сердечной недостаточности?
48.Объясните, почему при дефиците никотиновой кислоты быстро снижается выработка АТФ в миокарде? Какой фермент участвует в синтезе АТФ? Почему синтез АТФ в митохондриях называют окислительным фосфорилированием? Назовите ферментные комплексы дыхательной цепи митохондрий, работа которых сопряжена с синтезом АТФ путем окислительногофосфорилирования .
Ответ: Никотиновая кислота в организме входит в состав NAD и NADP. Они являются главным источником электронов в дыхательной цепи, которая поставляет энергию для окислительного фосфорилирования(синтеза АТФ). При недостатке никотиновой кислоты снижается содержание NAD и NADP, уменьшается выработка АТФ в митохондриях. В синтезе АТФ участвует АТФ-синтаза. Синтез АТФ в митохондриях происходит по реакции присоединения неорганического фосфора к молекуле АДФ посредством переноса электронов по ЦПЭ, т.е. окислительного фосфорилирования. Ферментные комплексы: НАДН2:КоQ-оксидоредуктаза (1), сукцинат:КоQ-оксидоредуктаза (2), КоQH2:цитохром с-оксидоредуктаза (3), цитохромоксидаза (4).
49.Цианид калия – смертельный яд. Отравления им крайне редки в связи с его недоступностью. Однако встречаются случаи отравления абрикосовыми косточками, содержащими амигдалин, из которого в организме освобождается синильная кислота HCN. Анион этой кислоты обладает высоким сродством к Fe 3+, вследствие чего образует с ним прочный комплекс. При отравлении цианидами наблюдается угнетение дыхания, гиперемия кожных покровов, судороги. Характерным признаком отравления является ярко алый цвет венозной крови. Что является причиной возникновения описанных симптомов? Опишите особенности строения и функционирования ингибируемого фермента. Почему именно этот фермент имеет большее сродство к цианиду, чем другие гемопротеины? Объясните алый цвет венозной крови при отравлении цианидом.
ОТВЕТ: Цианид-анион является ингибитором фермента цитохром с-оксидаза в IV комплексе дыхательной цепи переноса электронов (на внутренней мембране митохондрий). Связывается с железом, входящим в состав фермента, чем препятствует переносу электронов между цитохром с-оксидазой и кислородом. В результате нарушается транспорт электронов, и, следовательно, прекращается аэробный синтез АТФ.
Цитохром с-оксидаза (цитохромоксидаза), фермент класса оксидоредуктаз; катализирует конечный этап переноса электронов на кислород в процессе окислительного фосфорилирования.
Фермента состоит из из 13частей. Фермент катализирует восстановительно-окислительную реакцию - окисляются молекулы цитохрома с, восстанавливается кислород. В этой реакции потребляется практически весь кислород, нужный живым организмам в процессе дыхания. Каталитический центр фермента содержит гемы и медные комплексы. А как написано в задании,анион синильной кислоты обладает высоким сродством к Fe 3 вследствие чего образует с ним прочный комплекс.
Отравляющее действие цианидов основано на том, что они связываются с ферментами тканей, отвечающими за клеточное дыхание, подавляя их активность, и вызывают кислородное голодание тканей. Поэтому цвет венозной крови при отравлениях цианидом-алый,не происходит газообмен и артериальная кровь, пройдя большой круг кровообращения остается алой.
Почему этот фермент имеет большое сродство к цианиду,чем другие гемопротеины,потому что гемопротеины в своем составе имеют железо двухвалентное..а окисленный цитохром с окидаза в своем строении имеет трехвалентное железо,которое и связывается с цианидом.
50.Какие витамины вы порекомендуете больному с нарушением энергетического обмена, вызванным, например, гипоксией вследствие заболевания сердечно-сосудистой системы.Почему? Назовите ферменты, участвующие в общем пути энергетического обмена и тканевом дыхании, активность которых зависит от витаминов. Реакции какого типа они катализируют?
ОТВЕТ:
Целый Ананас И Кусочек Суфле Сегодня Фактически Мой Обед , цитрат, (цис-)аконитат, изоцитрат, (альфа-)кетоглутарат, сукцинил-CoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат.ферменты, участвующие в общем пути энергетического обмена
НАД,НАДФ-вит.РР (никотиновая кислота)-кофермент оксидоредуктаз. катализирующих окислительно-восстановительные реакции(дегидрирование) HS-CoA-вит.В5(пантотеновая кислота) –кофермент ацилтрансфераз.реакция переноса ацильных групп FAD,FMN-вит.В2(рибофлавин)-кофермент оксидоредуктаз.дегидрирование.
Пиридоксальфосфат-вит.В6(пиридоксин) Тиаминпирофосфат-вит.В1(тиамин)
FAD,HS-CoA,НАД,тиаминпирофосфат-учавствуют в окислительном декарбоксилировании пирувата.
51.2,4-динитрофенол, который является разобщителем тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования, пытались использовать для борьбы с ожирением. В настоящее время подобные вещества уже не применяются в качестве лекарственных препаратов, так как известны случаи, когда их применение приводило к летальному исходу. Почему приём таких препаратов может привести к гибели?
ОТВЕТ: Разобщители - липофильные вещества, которые способны принимать протоны и переносить их через внутреннюю мембрану митохондрий минуя V комплекс(его протонный канал).
Разобщители подавляют окислительное фосфорилирование, увеличивая проницаемость мембраны для ионов Н + .Всдествии чего уменьшается среднее мю H=220мВ.То есть выравнимается электро-химический потенциал клетки,значит не будет синтезироваться АТФ и энергия будет рассеиваться в виде тепла.
Окисление, не сопровождающееся синтезом АТФ, называется свободным окислением. В этом случае энергия выделяется в виде тепла. Это может наблюдаться при действии токсинов и сопровождается повышением температуры тела.
При нарушении тканевого дыхания и окислит фосфорилирования будет происходить нарушение образования АТФ,энергетическое голодание,что приведет к паталогическим явлениям(ишемии миокарда и головного мозга,инфекционных процессов,снижению иммунитета,синтезов,активности ферментов, истощению) и гибели.
52.Объясните, почему применение витамина с в терапии критических состояний, активизирует образование атф и улучшает работу микросомальной системы гидроксилирования.
53.Объясните, используя знания по биохимии энергетического обмена, почему при выполнении физической нагрузки человеку становится жарко?
ОТВЕТ: Убихиноны - это жирорастворимые коферменты, представленные преимущественно в митохондриях эукариотических клеток. Убихинон является компонентом цепи переноса электронов и принимает участие в окислительном фосфорилировании. Максимальное содержание убихинона в органах с наибольшими энергетическими потребностями, например, в сердце и печени.
Комплекс 1 тканевого дыхания.катализирует окисление НАДН убихинон.
С НАДН и Сукцината в 1 и 2 комплексе дыхательной цепи происходит перенос е на убинон.
А затем с убинона на цитохром с.
55.Провели 2 эксперимента: в первом исследовании митохондрии обработали олигомицином – ингибитором АТФ-синтазы, а во втором – 2,4-динитрофенолом – разобщителем окисления и фосфорилирования. Как изменится синтез АТФ, величина трансмембранного потенциала, скорость тканевого дыхания и количество выделенного СО2? Объясните, почему эндогенные разобщители жирные кислоты и тироксин обладают пирогенным действием?
ОТВЕТ: Синтез АТФ-уменьшится; величина трансмембранного потенциала-уменьшится; скорость тканевого дыхания и количество выделенного СО2-уменьшится.
Некоторые химические вещества могут переносить протоны или другие ионы, минуя протонные каналы АТФ-синтазы мембраны, их называют протонофоры и ионофоры. При этом исчезает электрохимический потенциал и прекращается синтез АТФ. Это явление называют разобщением дыхания и фосфорилирования. Количество АТФ снижается, АДФ увеличивается, а энергия выделяется в виде теплоты, следовательно наблюдается повышение температуры,выявляются пирогенные свойства.
56.Апоптоз – запрограммированная гибель клеток. При некоторых патологических состояниях (например, вирусная инфекция) может происходить преждевременная гибель клеток. В организме человека вырабатываются защитные белки, предотвращающие преждевременный апоптоз. Один из них – белок Bcl-2, который увеличивает соотношение NADH / NAD+ и ингибирует освобождение Са 2+ из ЭПР. В настоящее время известно, что вирус СПИДа содержит протеазу, разрушающую Bcl-2. Скорость каких реакций энергетического обмена при этом меняется и почему? Как вы думаете, почему эти изменения могут оказаться губительными для клеток?
ОТВЕТ: Увеличивает соотношения NADH / NAD+ следовательно увеличение скорости ОВР реакций циксла Кребса.
При этом ускорится реакция окислительного декарбоксилирования,так как Са2+ учавствует в активации ПДГ неактивной.Так как будет уменьшено соотношение NADH / NAD+ во время заболевания СПИДОМ,то уменьшится скорость ОВР реакций цикла Кребса.
57 Барбитураты (амитал натрия и др.) используют в медицинской практике как снотворные средства. Однако передозировка этих лекарств, превышающая в 10 раз лечебную дозу, может привести к летальному исходу. На чем основано токсическое действие барбитуратов на организм?
Ответ: Барбитураты, группа лекарственных веществ, производных барбитуровой кислоты, обладающих снотворным, противосудорожным и наркотическим действием, обусловленным угнетающим влиянием на центральную нервную систему.Принятые внутрь барбитураты всасываются в тонком кишечнике. При попадании в кровяное русло связываются с белками и метаболизиру-ются в печени. Приблизительно 25 % барбитуратов выделяется с мочой в неизменном виде.
Основной механизм действия барбитуратов связан с тем, что они проникают во внутренние липидные слои и разжижают мембраны нервных клеток, нарушая их функцию и нейротрансмиссию. Барбитураты блокируют возбуждающий нейротрансмиттер - ацетилхолин, в то же время стимулируя синтез и повышая тормозящие эффекты ГАМК. В процессе развития зависимости холинергическая функция усиливается, в то время как синтез ГАМК и ее связывание уменьшаются. Метаболический компонент заключается в индуцировании ферментов печени,снижает печеночный кровоток. Ткани становятся менее чувствительными к барбитуратам. Барбитураты могут вызывать со временем повышение устойчивости мембран нервных клеток. В целом барбитураты оказывают тормозящее действие на ЦНС, что клинически проявляется снотворным, седативным действием. в токсических дозах угнетают внешнее дыхание, деятельность сердечно-сосудистой системы (вследствие угнетения соответствующего центра в продолговатом мозге). иногда нарушения сознания: оглушение, сопор и кома. Причины смерти: дыхательная недостаточность, острая печеночная недостаточность, шоковая реакция с остановкой деятельности сердца.
Одновременно, в связи с нарушениями в дыхании, происходит повышение уровня углекислоты и снижение уровня кислорода в тканях и плазме крови. Происходит ацидоз - нарушение кислотно-щелочного баланса в организме.
Действие барбитуратов нарушает обмен веществ: тормозит окислительные процессы в организме, уменьшает образование тепла. При отравлении сосуды расширяются, и тепло отдается в большей степени. Поэтому у больных снижается температура
58. При сердечной недостаточности назначают инъекции кокарбоксилазы, содержащей тиаминдифосфат. Учитывая, что сердечная недостаточность сопровождается гипоэнергетическим состоянием, и, используя знания о влиянии коферментов на активность ферментов, объясните механизм терапевтического действия препарата. Назовите процесс, который ускоряется в клетках миокарда при введении этого препарата
Ответ: Кокарбоксилаза - витаминоподобный препарат, кофермент, улучшающий обмен веществ и энергообеспечение тканей. Она улучшает обменные процессы нервной ткани, нормализует работу сердечно-сосудистой системы,помогает нормализовать работу сердечной мышцы..
В организме кокарбоксилаза образуется из витамина В1 (тиамина) и играет роль кофермента. Коферменты – это одна из частей ферментов – веществ, во много раз ускоряющих все биохимические процессы. Кокарбоксилаза является коферментом ферментов, участвующих в процессах углеводного обмена. В соединении с белком и ионами магния она входит в состав фермента карбоксилазы, который оказывает активное влияние на углеводный обмен, снижает в организме уровень молочной и пировиноградной кислоты, улучшает усвоение глюкозы. Все это способствует увеличению количества выделяемой энергии, а значит, улучшению всех обменных процессов в организме,а так как у нас у пациента гипоэнергетическим состоянием.те.Состояния, при которых синтез АТФ снижен,причиной которых и может быть гиповитаминоз витамина В1,то при принятии такого лекарственного средства как кокарбоксилазы,состояние средечной деятельности улучшится.
Кокарбоксилаза улучшает усвоение глюкозы, обменные процессы в нервной ткани, способствует нормализации работы сердечной мышцы. Дефицит кокарбоксилазы вызывает повышение уровня кислотности крови (ацидоз), что приводит к тяжелым нарушениям со стороны всех органов и систем организма, может закончиться комой и гибелью больного.
ПО ПОВОДУ КАКОЙ ПРОЦЕСС УСКОРЯЕТСЯ В МИОКАРДЕ ПРИ ВВЕДЕНИИ ЭТОГО ПРЕПАРАТА НИЧЕГО ТАКОГО НЕ НАШЛА..НУ ТОЛЬКО ЕСЛИ ВСЕ ОБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ УСКОРЯЮТСЯ И ДЕЯТЛЕЬНОСТЬ СЕРДЦА ВОССТАНАВЛИВАЕТСЯ...
59 Известно, что Hg 2+ необратимо связывается с SH -группами липоевой кислоты. К каким изменениям в энергетическом обмене может привести хроническое отравление ртутью?
Ответ: По современным представлениям ртуть и, особенно ртутно-органические соединения относятся к ферментным ядам, которые, попадая в кровь и ткани даже в ничтожных количествах, проявляют там свое отравляющее действие. Токсичность ферментных ядов обусловлено их взаимодействием с тиоловыми сульфгидрильными группами (SH) клеточных протеинов,в данном случае липоевая кислота,кторая участвует в окислительно-восстановительных процессах цикла трикарбоновых кислот (цикл Кребса) в качестве кофермента, оптимизируя реакции окислительного фосфорилирования,также липоевая кислота играет важную роль в утилизации углеводов и осуществлении нормального энергетического обмена, улучшая "энергетический статус" клетки. В результате такого взаимодействия нарушается активность основных ферментов, для нормального функционирования которых необходимо наличие свободных сульфгидрильных групп. Пары ртути, попадая в кровь, циркулируют вначале в организме в виде атомной ртути, но затем ртуть подвергается ферментативному окислению, и вступает в соединения с молекулами белка, взаимодействуя, прежде всего с сульфгидрильными группами этих молекул. Ионы ртути поражают в первую очередь многочисленные ферменты, и, прежде всего тиоловые энзимы, играющие в живом организме основную роль в обмене веществ, вследствие чего нарушаются многие функции, особенно нервной системы. Поэтому при ртутной интоксикации нарушения нервной системы являются первыми признаками, указывающими на вредное воздействие ртути.
Сдвиги в таких жизненно важных органах, как нервная система, связаны с нарушениями тканевого обмена, что в свою очередь приводит к нарушению функционирования многих органов и систем, проявляющемуся в различных клинических формах интоксикации.
60. Как отразится на энергетическом обмене организма дефицит витаминов РР, В1, В2? Ответ поясните. Для «работы» каких ферментов необходимы эти витамины?
Ответ: Причиной гипоэнергетического состояния могут являться гиповитаминозы, так как в реакциях вит РР Является составной частью коферментов; Достаточно сказать, что в состав ряда коферментных групп, катализирующих тканевое дыхание, входит амид никотиновой кислоты. Отсутствие никотиновой кислоты в пище приводит к нарушению синтеза ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции(оксидоредуктазы: алкогольдегидрогеназа)), и ведёт к нарушению механизма окисления тех или иных субстратов тканевого дыхания. Витамин PP (никотиновая кислота) также входит в состав ферментов, участвующих в клеточном дыхании.пищеварения.Никотиновая кислота в тканях амидируется, затем соединяется с рибозой, фосфорной и адениловой кислотами, образуя коферменты, а последнии со специфическими белками образуют ферменты дегидрогеназы, участвующие в многочисленных окислительных реакциях в организме. Витамин В1 – важнейший витамин в энергетическом обмене, важен для поддержания активности митохондрий. В целом, он нормализует деятельность центральной, периферической нервных систем, сердечно-сосудистой и эндокринной систем. Витамин В1, являясь коферментом декарбоксилаз, участвует в окислительном декарбоксилировании кетокислот (пировиноградной, α-кетоглютаровой), является ингибитором фермента холинэстеразы, расщепляющей медиатор ЦНС ацетилхолин, участвует в контроле транспорта Na+ через мембрану нейрона.
Доказано, что витамин В1 в виде тиаминпирофосфата является составной частью минимум четырёх ферментов, участвующих в промежуточном обмене веществ. Это две сложные ферментные системы: пируват- и α-кетоглутаратдегидрогеназный комплексы, катализирующие окислительное декарбоксилирование пировиноградной и α-кетоглутаровой кислот (ферменты: пируватдегидрогеназа, α-кетоглутаратдегидрогеназа). витамин В2 В соединении с белками и фосфорной кислотой в присутствии микроэлементов, например магния, он создает ферменты, необходимые для обмена веществ сахаридов или для транспортировки кислорода, а значит, для дыхания каждой клетки нашего организма.Витамин В2 необходим для синтеза серотонина, ацетилхолина и норадреналина, являющихся нейромедиаторами, а также гистамина, который выделяется из клеток при воспалении. Кроме того, рибофлавин участвует в синтезе трех незаменимых жирных кислот: линолевой, линоленовой и арахидоновой.Рибофлавин необходим для нормального метаболизма аминокислоты триптофана, который превращается в организме в ниацин.
Дефицит витамина В2 может вызвать снижение способности вырабатывать антитела, которые повышают сопротивляемость болезням.
большого кол-ва продуктов, что и, собственно, изменило среду. А то,что касается единиц измерения... Через них проще отслеживать активность фермента
23. Человек относится к гомойотермным живым организмам. В медицине в некоторых случаях для лечения используют экстремальные температуры. В частности, гипотермические условия используют при продолжительных операциях, особенно на головном мозге и сердце, гипертермические условия используют с целью коагуляции тканей. Объясните правомерность данных подходов с точки зрения биохимика-энзимолога. Какова зависимость скорости ферментативных реакций от температуры?
Ответ: Между температурой и скоростью реакции существует прямая зависимость (чем выше температура, тем выше скорость реакции и наоборот). Клетки мозга и сердца очень чувствительны к гипоксии, а операции на соответствующих органах могут потребовать, хоть и непродолжительной, но остановки кровоснабжения той или иной части органа. Чтобы предотвратить гибель клеток от гипоксии создают гипотермические условия, с целью замедления процессов метаболизма, в т.е. ферментативных процессов (это позволяет уменьшить потребление кислорода клетками и уменьшить образование токсинов).
При операциях в той или иной степени нарушется целостность ткани, поэтому скорость коагуляции очень важна. Коагуляция тканей- процесс ферментативный, поэтому его скорость прямопорциональна температуре, именно для иного создаются гипертермические условия.
(Собственно сочинение)
24.При исследовании скорости реакции превращения дипептида под действием пептидазы тонкого кишечника были получены следующие результаты: максимальная активность фермента составила 40 мкмоль/мин ∙ мг, Км 0.01ммоль/л. При какой концентрации субстрата скорость реакции составит 10 мкмоль/мин ∙ мг? Дайте определение максимальной скорости реакции, константе Михаэлиса и укажите зависимость между величиной Км и сродством фермента к субстрату. Изменится ли максимальная скорость реакции, если в реакционную смесь добавить конкурентный ингибитор фермента?
Ответ: Терапевтическое действие препаратов ("-липоевой кислоты связывают с торможением глюконеогенеза, снижением кетоплазии и активацией в митохондриях важных ферментов углеводного обмена (пируватдегидрогеназы, (оксоглютаратдегидрогеназы и дегидрогеназы аминокислот с разветвленной цепью). Препараты этой группы, с одной стороны, улучшают энергетический обмен, нормализуют аксональный транспорт, распад высокомолекулярных спиртов, а, с другой стороны, снижают окислительный стресс, связывая свободные радикалы, подавляя их образование (например, в результате реакций неферментативного гликолиза) и инактивируя оксиданты, что приводит к восстановлению клеточных мембран. Кроме того, (-липоевая кислота вызывает увеличение утилизации глюкозы и снижение резистентности к инсулину, что подтверждено в контролируемых клинических исследованиях у больных сахарным диабетом 2 типа. Вклад этого механизма в терапевтическую эффективность производных ("-липоевой кислоты остается невыясненным
ОТВЕТ: Из-за выраженных микроциркуляторных расстройств как на системном, так и на интрацеребральных уровнях, у больных в критических состояниях возникают синдромы гипоксии периферического шунтирования и капиллярно-клеточной гипоксии. При любой гипоксии первично развивается угнетение энергетического обмена, которое проявляется уменьшением содержания креатинфосфата особенно в головном мозге и АТФ при одновременном увеличении содержания аденозинди- и аденозинмонофосфорных кислот, а также неорганического фосфата. Это приводит к нарушениям мембранного транспорта, процессов биосинтеза и других функций клетки, а также к внутриклеточному лактоацидозу, увеличению внутриклеточной концентрации свободного кальция и активации ПОЛ. Данную проблему можно решить, если применять антигипоксанты. А. Аскорбиновая кислота функционирует как кофактор гидроксилаз в процессах гидроксилирования. При окислении атомы кислорода включаются в молекулы окисляемых веществ. Такое окисление протекает на мембранах эндоплазматической сети и называется микросомальное окисление. За счет
включения кислорода окисляемого субстрата возникает гидроксильная группа -ОН. Поэтому этот процесс часто называют гидроксилирование. Биологическая роль этого процесса не связана с синтезом АТФ. Она состоит в детоксикации.
1. Включаются атомы кислорода в синтезируемее вещества. 2. Обезвреживаются различные токсичные вещества, так как включение атома кислорода в молекулу яда уменьшает токсичность этого яда, делает его водорастворимым, и облегчат почкам его выведение.
Б. Витамин С участвует в синтезе аминокислоты L-карнитина из аминокислоты лизина, необходимой для транспорта жирных кислот в митохондрии, без чего невозможна выработка АТФ: Жирные кислоты не могут проникать в митохондрии и окисляться, если предварительно не образуют ацилкарнитин-производных. А уже фермент карнитинацилкарнитинтранс-локаза на мембране переносит ацилкарнитин внутрь. На митохондриях жирные кислоты окисляются и образкется АТФ.
ОТВЕТ: Образование энергии для обеспечения мышечной работы может осуществляться анаэробным бескислородным и аэробным окислительным путем. В зависимости от биохимических особенностей протекающих при этом процессов принято выделять три обобщенных энергетических системы, обеспечивающих физическую работоспособность человека:
алактная анаэробная, или фосфагенная, связанная с процессами ресинтеза АТФ преимущественно за счет энергии другого высокоэнергетического фосфатного соединения - креатинфосфата КрФ
гликолитическая лактацидная анаэробная, обеспечивающая ресинтез АТФ и КрФ за счет реакций анаэробного расщепления гликогена или глюкозы до молочной кислоты МК
аэробная окислительная, связанная с возможностью выполнения работы за счет окисления энергетических субстратов, в качестве которых могут использоваться углеводы, жиры, белки при одновременном увеличении доставки и утилизации кислорода в работающих мышцах. Почти вся энергия, выделяемая в организме в процессе метаболизма питательных веществ, в итоге превращается в тепло. Во-первых, максимальный коэффициент полезного действия превращения энергии питательных веществ в мышечную работу, даже при самых лучших условиях, составляет лишь 20-25%; остальная энергия питательных веществ конвертируется в тепло в ходе внутриклеточных химических реакций.
Во-вторых, почти вся энергия, которая действительно идет на создание мышечной работы, тем не менее, становится теплом тела, поскольку эта энергия, кроме ее небольшой части, используется на: 1 преодоление вязкостного сопротивления движения мышц и суставов; 2 преодоление трения крови, текущей через кровеносные сосуды; 3 другие подобные эффекты, в результате которых энергия мышечных сокращений превращается в тепло. Включаются механизмы терморегуляции потоотделение и т.д., человек у жарко.
54.Лекарственный препарат убинон (кофермент Q) используется в качестве антиоксиданта, оказывающего антигипоксическое действие. Препарат применяется для лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы, для повышения работоспособности при физических нагрузках. Используя знания по биохимии энергетического обмена, объясните механизм действия этого препарата.
Вещества, которые участвуют в реакциях и увеличивают ее скорость, оставаясь к концу реакции неизменными, называются катализаторами.
Явление изменения скорости реакции под действием таких веществ называется катализом . Реакции, протекающие под действием катализаторов, называются каталитическими.
В большинстве случаев действие катализатора объясняется тем, что он снижает энергию активации реакции. В присутствии катализатора реакция проходит через другие промежуточные стадии, чем без него, причем эти стадии энергетически более доступны. Иначе говоря, в присутствии катализатора возникают другие активированные комплексы, причем для их образования требуется меньше энергии, чем для образования активированных комплексов, возникающих без катализатора. Таким образом, энергия активации резко понижается: некоторые молекулы, энергия которых была недостаточна для активных столкновений, теперь оказываются активными.
Для ряда реакций промежуточные соединения изучены; как правило, они представляют собою весьма активные нестойкие продукты.
Механизм действия катализаторов связан с уменьшением энергии активации реакции за счет образования промежуточных соединений. Катализ можно представить следующим образом:
А + К = А...К
А...К + В = АВ + К,
где А...К - промежуточное активированное соединение.
Рисунок 13.5 - Изображение реакционного пути некаталитической A + B → AB реакции (кривая 1) и гомогенной каталитической реакции (кривая 2).
В химической промышленности катализаторы применяются весьма широко. Под влиянием катализаторов реакции могут ускоряться в миллионы раз и более. В некоторых случаях под действием катализаторов могут возбуждаться такие реакции, которые без них в данных условиях практически не протекают.
Различают гомогенный и гетерогенный катализ .
В случае гомогенного катализа катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (газ или раствор). В случае гетерогенного катализа катализатор находится в системе в виде самостоятельной фазы.
Примеры гомогенного катализа:
1) окисление SO 2 + 1/2O 2 = SO 3 в присутствии NO; NO легко окисляется до NO 2 , а NO 2 уже окисляет SO 2 ;
2) разложение пероксида водорода в водном растворе на воду и кислород: ионы Сг 2 О 2= 7 , WO 2- 4 , МоО 2- 4 , катализирующие разложение пероксида водорода, образуют с ним промежуточные соединения, которые далее распадаются с выделением кислорода.
Гомогенный катализ осуществляется через промежуточные реакции с катализатором, и в результате происходит замена одной реакции с высокой энергией активации несколькими, у которых энергии активации ниже, скорость их выше:
CO + 1/2O 2 = CO 2 (катализатор - пары воды) .
Широкое применение в химической промышленности находит гетерогенный катализ. Большая часть продукции, вырабатываемой в настоящее время этой промышленностью, получается с помощью гетерогенного катализа. При гетерогенном катализе реакция протекает на поверхности катализатора. Отсюда следует, что активность катализатора зависит от величины и свойств его поверхности. Для того чтобы иметь большую («развитую») поверхность, катализатор должен обладать пористой структурой или находиться в сильно раздробленном (высокодисперсном) состоянии. При практическом применении катализатор обычно наносят на носитель, имеющий пористую структуру (пемза, асбест и др.).
Как и в случае гомогенного катализа, при гетерогенном катализе реакция протекает через активные промежуточные соединения. Но здесь эти соединения представляют собой поверхностные соединения катализатора с реагирующими веществами. Проходя через ряд стадий, в которых участвуют эти промежуточные соединения, реакция заканчивается образованием конечных продуктов, а катализатор в результате не расходуется.
Все каталитические гетерогенные реакции включают в себя стадии адсорбции и десорбции.
Каталитическое действие поверхности сводится к двум факторам: увеличению концентрации на границе раздела и активированию адсорбированных молекул.
Примеры гетерогенного катализа:
2H 2 O = 2H 2 O + O 2 (катализатор – MnO 2 ,) ;
Н 2 + 1/2 О 2 = Н 2 О (катализатор - платина) .
Очень большую роль играет катализ в биологических системах. Большинство химических реакций, протекающих в пищеварительной системе, в крови и в клетках животных и человека, являются каталитическими.реакциями. Катализаторы, называемые в этом случае ферментами, представляют собою простые или сложные белки. Так, слюна содержит фермент птиалин, который катализирует превращение крахмала в сахар. Фермент, имеющийся в желудке, - пепсин - катализирует расщепление белков. В организме человека находится около 30 000 различных ферментов: каждый из них служит эффективным катализатором соответствующей реакции.
и подростковая гинекология
и доказательная медицина
и медицинскому работнику
Обратите внимание!
С 16:00 до 02:00 - 800 р/час.
Заметки на полях
Объясните почему реакции катализируемые ферментами зависят от ph
и подростковая гинекология
и доказательная медицина
и медицинскому работнику
Ферменты, будучи белками, обладают рядом характерных для этого класса органических соединений свойств, отличающихся от свойств неорганических катализаторов.
Таким образом, термолабильность, или чувствительность к повышению температуры, является одним из характерных свойств ферментов, резко отличающих их от неорганических катализаторов. В присутствии последних скорость реакции возрастает экспоненциально при повышении температуры (см. рис. 51).
Зависимость активности ферментов от pH среды
Из табл. 17 видно, что рН-оптимум действия ферментов лежит в пределах физиологических значений. Исключение составляет пепсин, pH-оптимум которого равен 2,0 (при pH 6,0 он не активен и не стабилен). Объясняется это функцией пепсина, поскольку в желудочном соке содержится свободная соляная кислота, создающая среду примерно этого значения pH. С другой стороны, pH-оптимум аргиназы лежит в сильно щелочной зоне (около 10,0); такой среды нет в клетках печени, следовательно, in vivo аргиназа функционирует, по-видимому, не в своей оптимальной зоне pH среды.
Ферменты обладают высокой специфичностью действия. По этому свойству они часто существенно отличаются от неорганических катализаторов. Так, мелкоизмельченные платина и палладий могут катализировать восстановление (с участием молекулярного водорода) десятков тысяч химических соединений различной структуры. Высокая специфичность ферментов обусловлена, как было упомянуто выше, конформационной и электростатической комплементарностью между молекулами субстрата и фермента и уникальной структурой активного центра фермента, обеспечивающими узнавание, высокое сродство и избирательность протекания одной какой-либо реакции из тысячи других химических реакций, осуществляющихся одновременно в живых клетках.
Абсолютной специфичностью действия называют способность фермента катализировать превращение только единственного субстрата. Любые изменения (модификации) в структуре субстрата делают его недоступным для действия фермента. Примером таких ферментов могут служить аргиназа, расщепляющая в естественных условиях (в организме) аргинин, уреаза, катализирующая распад мочевины, и др. (см. Обмен простых белков).
Факторы, определяющие активность ферментов
Здесь будут кратко рассмотрены факторы, определяющие скорость реакций, катализируемых ферментами, и более подробно будут изложены вопросы об активировании и ингибировании действия ферментов.
Следует учитывать, кроме того, значение скорости обратной реакции, которая может оказаться более существенной при повышении концентрации продуктов ферментативной реакции. Учитывая эти обстоятельства, при исследовании скорости ферментативных реакций в тканях и биологических жидкостях обычно определяют начальную скорость реакции в условиях, когда скорость ферментативной реакции приближается к линейной (в том числе при достаточно высокой для насыщения концентрации субстрата).
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ СУБСТРАТА И ФЕРМЕНТА
НА СКОРОСТЬ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ РЕАКЦИИ
Скорость любой ферментативной реакции непосредственно зависит от концентрации фермента. На рис. 55 представлена зависимость между скоростью реакции и повышающимися количествами фермента в присутствии избытка субстрата. Видно, что между этими величинами существует линейная зависимость, т. е. скорость реакции пропорциональна количеству присутствующего фермента.
Обратите внимание! Диагностика и лечение виртуально не проводятся! Обсуждаются только возможные пути сохранения вашего здоровья.
Стоимость 1 часа - 500 руб. (с 02:00 до 16:00, время московское)
С 16:00 до 02:00 - 800 р/час.
Реальный консультативный прием ограничен.
Ранее обращавшиеся пациенты могут найти меня по известным им реквизитам.
Заметки на полях
Остался неоцифрованным 3-й том МКБ. Желающие оказать помощь могут заявить об этом на нашем форуме
В настоящее время на сайте готовится полная HTML-версия МКБ-10 - Международной классификации болезней, 10-я редакция.
Желающие принять участие могут заявить об этом на нашем форуме
Уведомления об изменениях на сайте можно получить через раздел форума Компас здоровья - Библиотека сайта Островок здоровья
Выделенный текст будет отправлен редактору сайта.
не должна использоваться для самостоятельной диагностики и лечения, и не может служить заменой очной консультации врача.
Администрация сайта не несёт ответственности за результаты, полученные в ходе самолечения с использованием справочного материала сайта
Перепечатка материалов сайта разрешается при условии размещения активной ссылки на оригинальный материал.
© 2008 blizzard. Все права защищены и охраняются законом.
http://bono-esse.ru/blizzard/A/Chimia/Bio_chinija/Osnovnye_svojstva_fermentov.html
7.5. Изменение активности ферментов в зависимости от условий среды.
Влияние температуры . Ферментативные реакции могут происходить в интервале температур от 0 о С (точка замерзания воды) до 70-80 о С (тепловая денатурация белков высших организмов). При повышении температуры увеличиваются скорости химических реакций, в том числе и скорость образования фермент–субстратных комплексов, поэтому активность ферментов возрастает, вследствие чего происходит интенсификация процессов жизнедеятельности растений.
Однако в негидратированном (сухом) состоянии белки способны сохранять нативные свойства и при более высокой температуре, что используется в технологиях быстрого высушивания зерна и семян, без снижения их всхожести. Не происходит необратимой инактивации ферментов также и при замораживании растительных тканей. При понижении температуры ниже точки замерзания физиологической среды прекращается действие ферментов, однако при повышении температуры их каталитическая активность восстанавливается.
Влияние концентрации фермента и субстрата . Если в физиологической среде содержится много субстрата и мало ферментного белка, то скорость превращения субстрата в продукты реакции будет низкой, так как каждая молекула фермента способна катализировать превращение определенного количества субстрата в единицу времени. При увеличении числа ферментных молекул (т.е. концентрации фермента) в среде скорость ферментативной реакции будет возрастать до тех пор, пока достаточно субстрата для полной реализации молярной активности фермента. При дальнейшем увеличении концентрации фермента скорость реакции уже не возрастает. Следовательно, скорость ферментативной реакции пропорционально зависит от количества фермента в среде только при высокой концентрации субстрата.
Зависимость скорости ферментативной реакции (V) от концентрации субстрата может быть выражена уравнением:
Константа Михаэлиса выражает сродство фермента к субстрату и является важной характеристикой ферментного белка. Чем меньше константа Михаэлиса, тем выше молярная активность фермента и тем интенсивней происходит ферментативный катализ. Из приведенного выше уравнения можно определить значение константы Михаэлиса:
Km = [S] (¾¾ – 1); при V = ¾¾ Km = [S]
Следовательно константа Михаэлиса численно равна концентрации субстрата, при которой скорость реакции, катализируемой ферментом, достигает половину от максимальной.
Активаторы ферментов . Для поддержания молекулы фермента в активном состоянии необходимо наличие в среде определенных ионов и некоторых других соединений, называемыхактиваторами ферментов. Роль активаторов заключается в том, что они способны переводить в активное состояние определенные группировки в каталитическом центре молекулы фермента и таким образом участвовать в каталитическом действии ферментного белка. Так, например, протеолитические ферменты, катализирующие гидролитическое расщепление белков, активируютсяHCN,H 2 S, а также веществами, содержащими сульфгидрильные группы (восстановленный глютатион, цистеин).
На каталитическую активность ферментов оказывает влияние ионный состав среды, способствующий формированию молекулами фермента и субстрата специфической пространственной структуры, которая позволяет этим молекулам активно взаимодействовать, в результате увеличивается скорость образования фермент-субстратного комплекса и в целом происходит ускорение ферментативной реакции.
Известны также ферменты, активность которых повышается в присутствии неорганических анионов: Cl‾,Br‾,I‾,H 2 PO 4 ‾ , НСО 3 ‾ и др. Так, активаторами амилаз, катализирующих гидролиз крахмала, являются ионы галогенов.
Таким образом, для проявления максимальной активности ферментов необходимо наличие в физиологической среде, в которой функционирует фермент, определенного набора специфических активаторов, содержащихся в оптимальной концентрации.
При обратимом ингибировании не происходит безвозвратной потери каталитической активности фермента, так как ингибитор не разрушает пространственной структуры ферментного белка и после отделения ингибитора от фермента активность последнего восстанавливается. Различают два вида ингибиторов, вызывающих обратимое ингибирование, -конкурентные инеконкурентные ингибиторы.
Следует отметить, что конкурентные ингибиторы не являются полными структурными аналогами субстрата, так как для связывания с ферментным белком ингибитору вполне достаточно, если он будет структурно совместим хотя бы с одним из участков связывания субстрата в активном центре фермента, а другая часть молекулы ингибитора может существенно отличаться от молекулы субстрата.
Хорошо изученный пример конкурентного ингибирования – действие малоновой кислоты на фермент сукцинатдегидрогеназу, катализирующий отщепление водорода от янтарной кислоты в цикле ди- и трикарбоновых кислот:
СН 2 СООН сукцинатдегидрогеназа СНСООН ½
янтарная кислота фумаровая кислота малоновая кислота
Фермент рибулозодифосфаткарбоксилаза, катализирующий присоединение СО 2 к первичному акцептору в цикле Кальвина (см. стр…), подвергается конкурентному ингибированию повышенной концентрацией О 2 . Кислород представляет собой структурный аналог СО 2 , поэтому может связываться с активным центром рибулозодифосфаткарбоксилазы и действует в этом случае как конкурентный ингибитор.
Неконкурентные ингибиторы не имеют структурной аналогии с субстратами и поэтому взаимодействуют не с участком связывания субстрата в активном центре фермента, а с другим участком ферментной молекулы, вызывая инактивацию каталитического центра. При этом ингибитор не вступает в конкурентное взаимодействие с субстратом и не препятствует связыванию субстрата в активном центре фермента, однако молекула субстрата не подвергается превращению, так как под влиянием ингибитора становятся неактивными группировки фермента, которые активируют субстрат. Поскольку при неконкурентном ингибировании субстрат и ингибитор связываются с разными участками молекулы фермента, действие такого ингибитора не ослабляется при увеличении концентрации субстрата в физиологической среде.
В процессе необратимого ингибирования молекула ингибитора образует прочную ковалентную связь с одной из группировок в активном центре фермента, в результате чего становится невозможным его каталитическое действие. В связи с тем, что образовавшееся соединение ингибитора с ферментом не разрушается и не диссоциирует в условиях физиологической среды, в которой функционирует фермент, то каталитическая активность фермента подавляется необратимо.
Фермент–SH + X–R ¾® фермент–S–R + HX,
где Х – атомы галогенов (Cl,I,Br,F).
Фосфорорганические соединения необратимо ингибируют ферменты, имеющие в активном центре гидроксильные группы аминокислоты серина. Взаимодействие одного из таких ингибиторов диизопропилфторфосфата с ферментом можно представить в виде следующей реакции:
В результате присоединения к молекуле фермента фосфорорганического радикала происходит блокирование активного центра фермента и очень сильное подавление его каталитической активности.
Все ферменты необратимо ингибируются катионами тяжелых металлов (Hg 2+ ,Pb 2+ ,Ag + , и мышьякаAs +), а также галогенопроизводными уксусной кислоты (трихлоруксусная, иодуксусная кислоты и др.), которые при соединении с сульфгидрильными группами (-SH) ферментного белка образуют нерастворимые соединения. Следует отметить, что все факторы, вызывающие денатурацию белков, неспецифически подавляют действие любого фермента, так как основу его составляет молекула белка.
Белковые ингибиторы эндогенные действия образуют неактивные комплексы с ферментами собственного организма и таким образом участвуют в регулировании определенных биохимических процессов в тканях и органах растений. Так, например, в процессе созревания зерновок злаковых растений в них усиливается синтез белковых ингибиторов амилаз и протеаз, катализирующих соответственно гидролиз крахмала и запасных белков, вследствие чего к концу созревания зерновок большая часть указанных ферментов связывается с белками – ингибиторами. Благодаря такому действию ингибиторов происходит накопление в зерне крахмала и запасных белков.
Для продолжения скачивания необходимо собрать картинку.
Введение…………………………………………………………………………….2
Видные деятели химии о катализе………………………………………5
Немного о промышленном катализе………………………………….7
Роль катализа в экологии………………………………………………….11
Энергетический барьер……………………………………………………..12
Прохождение через энергетический барьер……………………….14
Гомогенный катализ…………………………………………………………17
Гетерогенный катализ………………………………………………………19
Катализ в биохимии…………………………………………………………20
Приложения(графики и схемы)……………………………………….22-25
Список литературы………………………………………………………….26
Введение.
КАТАЛИЗ - процесс, заключающийся в изменении скорости химических реакций в присутствии веществ, называемых катализаторами.
Катализаторы – вещества, изменяющие скорость химической реакции, которые могут участвовать в реакции, входить в состав промежуточных продуктов, но не входят в состав конечных продуктов реакции и после окончания реакции остаются неизменными.
Каталитические реакции – реакции, протекающие в присутствии катализаторов.
Положительным называют катализ, при котором скоость реакции возрастает, отрицательным (ингибированием) – при котором она убывает. Примером положительного катализа может служить процесс окисления аммиака на платине при получении азотной кислоты. Примером отрицательного – снижение скорости коррозии при введении в жидкость, в которой эксплуатируется металл, нитрита натрия, хромата и дихромата калия.
Катализаторы, замедляющие химическую реакцию, называются ингибиторами .
В зависимости от того, находится катализатор в той же фазе, что и реагирующие вещества, или образует самостоятельную фазу, говорят о гомогенном или гетерогенном катализе.
Примером гомогенного катализа является разложение пероксида водорода в присутствии ионов йода. Реакция протекает в две стадии:
Н О + I = H O + IO
Н O + IO = Н O + O + I
При гомогенном катализе действие катализатора связано с тем, что он вступает во взаимодействие с реагирующими веществами с образованием промежуточных соединений, это приводит к снижению энергии активации.
При гетерогенном катализе ускорение процесса обычно происходит на поверхности твердого тела – катализатора, поэтому активность катализатора зависит от величины и свойств его поверхности. На практике катализатор обычно наносят на твердый пористый носитель. Механизм гетерогенного катализа сложнее, чем у гомогенного.
Механизм гетерогенного катализа включает пять стадий, причем все они обратимы.
1. Диффузия реагирующих веществ к поверхности твердого вещества.
2. Физическая адсорбция на активных центрах поверхности твердого вещества реагирующих молекул и затем хемосорбция их.
3. Химическая реакция между реагирующими молекулами.
4. Десорбция продуктов с поверхности катализатора.
5. Диффузия продукта с поверхности катализатора в общий поток.
Примером гетерогенного катализа является окисление SO в SO на катализаторе V O при производстве серной кислоты (контактный метод).
Промоторы (или активаторы) – вещества, повышающие активность катализатора. При этом промоторы могут сами и не обладать каталитическими свойствами.
Каталитические яды – посторонние примеси в реакционной смеси, приводящие к частичной или полной потере активности катализатора. Так, следы мышьяка, фосфора вызывают быструю потерю катализатором V O активности (контактный метод производства H SO).
Многие важнейшие химические производства, такие, как получение серной кислоты, аммиака, азотной кислоты, синтетического каучука, ряда полимеров и др., проводятся в присутствии катализаторов.
Биохимические реакции в растительных и животных организмах ускоряются биохимическими катализаторами – ферментами.
Скорость процесса – чрезвычайно важный фактор, определяющий производительность оборудования химических производств. Поэтому одна из основных задач, поставленных перед химией научно-технической революцией, это поиск путей увеличения скорости реакций. Другая важ- ная задача современной химии, обусловленная резко возрастающими масштабами производства химических продуктов,- повышение избирательности химических превращений в полезные продукты, уменьшение количества выбросов и отходов. С этим связана, кроме того, и охрана окружающей среды и более рациональное использование истощающихся, к сожалению, природных ресурсов.
Для достижения всех этих целей нужны верные средства, и такими средствами служат прежде всего катализаторы. Однако изыскивать их не так просто. B процессе познания внутреннего устройства окружающих нас вещей ученые установили определенную градацию, иерархию уровней микромира. Мир, описываемый в нашей книге,- это мир молекул, взаимные превращения которых составляют предмет химии. Нас будет интересовать не вся химия, а только часть ее, посвященная изучению динамики изменения химической структуры молекул. Видимо нет надобности говорить о том, что молекулы построены из атомов, а последние- из ядра и окружающей его электронной оболочки; что свойства молекул зависят от природы составляющих их атомов и последовательности соединения их друг с другому что химические и физические свойства веществ зависят от свойств молекул и характера их взаимосвязи. Будем считать, что все это в общих чертах известно читателю, и потому главный упор сделаем на вопросах, связанных с представлением о скорости химических реакций.
Взаимные превращения молекул протекают с самой различной скоростью. Скорость можно изменять, нагревая или охлаждая смесь реагирующих молекул. При нагревании скорость реакции, как правило, возрастает, но это не единственное средство ускорения химических превращений. Существует еще один, более эффективный способ – каталитический, широко используемый в наше время в производстве самых разнообразных продуктов.
Первые научные представления о катализе возникли одновременно с развитием атомной теории строения вещества. В 1806 г., через год после того, как один из создателей современной атомистической теории Дальтон сформулировал в «Записках Манчестерского литературного и философского общества» закон кратных отношений, Клеман и Дезорм опубликовали подробные данные об ускорении процесса окисления сернистого газа в присутствии окислов азота при камерном производстве серной кислоты. Шесть лет спустя в «Технологическом журнале» Кирхгоф изложил результаты своих наблюдений об ускоряющем действии разбавленных минеральных кислот на гидролиз крахмала до глюкозы. Этими двумя наблюдениями была открыта эпоха экспериментального изуче- ния необычных для того времени химических явлений, которым шведский химик Берцелиус дал в 1835 г. общее название «катализ» от греческого слова «каталоо» – разрушать. Такова, в двух словах, история открытия ка- тализа, который с полным основанием следует отнести к одному из фундаментальных явлений природы.
Теперь нам следует дать современное и наиболее общепринятое определение катализа, а затем и некоторую общую классификацию каталитических процессов, так как именно с этого начинается любая точная наука. Как известно, «физика – это то, чем занимаются физики (то же самое можно сказать и о химии)». Следуя этому наставлению Бергмана, можно было бы ограничиться утверждением, что «катализ – это то, чем занимаются и химики и физики». Но, естественно, такого шутливого объяснения недостаточно, и со времен Берцелиуса давалось множество научных определений понятию «катализ». На наш взгляд наилучшее определение сформулировано Г. К. Вересковым: «Феноменологически катализ можно определить как возбуждение химических реакций или изменение их скорости под действием веществ – катализаторов, многократно вступающих в промежуточные химические взаимодействия с участниками реакции и восстанавливающих после каждого цикла промежуточных взаимодействий свой химический состав».
Самое странное в этом определении его заключительная часть – вещество, ускоряющее химический процесс, не расходуется. Если нужно ускорить движение тяжелого тела, его подталкивают и, следовательно, затрачивают на это энергию. Чем больше потрачено энергии, тем большую скорость приобретает тело. В идеальном случае количество затраченной энергии будет точно равно приобретенной телом кинетической энергии. В этом проявляется фундаментальный закон природы – сохранение энергии.
Видные деятели химии о катализе
И. Берцелиус (1837):
«Известные вещества оказывают при соприкосновении с другими веществами такое влияние на последние, что возникает химическое действие,- одни вещества разрушаются, другие образуются вновь без того, чтобы тело, присутствие которого вызывает эти превращения, принимало в них какое-либо участие. Мы называем причину, вызывающую эти явления, каталитической силой».
М. Фарадей (1840).
«Каталитические явления можно объяснить известными свойствами материи, не снабжая ее при этом никакой новой силой».
П. Рашиг (1906):
«Катализ представляет вызываемое внешними причинами изменение строения молекулы, имеющее следствием изменение химических свойств».
Э. Абель (1913):
«Я пришел к выводу, что катализ осуществляется в результате реакции, а не простого присутствия вещества».
Л. Гурвич (1916):
«Каталитически действующие тела, притягивая к себе движущиеся молекулы гораздо сильнее, чем тела, лишенные каталитического действия, тем самым увеличивают силу удара, попадающих на их поверхность молекул».
Г. К. Боресков (1968):
«Когда-то катализ рассматривался как особое, немного таинственное явление, со специфическими законами, раскрытие которых должно было сразу в общей форме решить задачу подбора. Сейчас мы знаем, что это не так. Катализ по своей сущности – химическое явление. Изменение скорости реакции при каталитическом воздействии обусловлено промежуточным химическим взаимодействием реагирующих веществ с катализатором».
Если не принимать во внимание неудачную попытку Берцелиуса связать наблюдаемые явления с действием скрытой «каталитической силы», то, как можно заметить из приведенных выступлений, дискуссия шла в основном вокруг физических и химических аспектов катализа. Длительное время особенно популярной была энергетическая теория катализа, связывающая процесс возбуждения молекул с резонансной миграцией энергии.
Катализатор вступает во взаимодействие с реагирующими молекулами, образуя неустойчивые промежуточные соединения, которые распадаются с выделением продукта реакции и химически неизменного катализатора. Современные наши знания лучше всего отражены в высказывании Борескова.
Здесь, однако, возникает вопрос, а не может ли катализатор, поскольку он сам химически участвует в реакции, создать новое равновесное состояние? Если бы это было так, то идея о химическом участии катализатора немедленно вступала бы в противоречие с законом сохранения энергии. Чтобы избежать этого, ученые были вынуждены принять, а затем и экспериментально доказать, что катализатор ускоряет реакцию не только в прямом, но и в обратном направлениях. Те же соединения, которые изменяют и скорость и равновесие реакции, в строгом смысле этого слова не являются катализаторами.
Нам остается добавить, что обычно в присутствии катализатора имеет место ускорение химических реакций, и это явление называют «положительным» катализом в отличие от «отрицательного», при котором введение катализатора в реакционную систему вызывает снижение скорости. Строго говоря, катализ всегда повышает скорость реакции, но иногда ускорение одной из стадий (например, появление нового пути обрыва цепей) приводит к наблюдаемому торможению химической реакции.
Мы будем рассматривать только положительный катализ, который принято
подразделять на следующие типы:
а) гомогенный, когда реакционная смесь и катализатор находятся или в жидком или в газообразном состоянии;
б) гетерогенный – катализатор находится в виде твердого вещества, а реагирующие соединения в виде раствора или газообразной смеси; (Это наиболее распространенный тип катализа, осуществляемого, таким образом, на границе раздела двух фаз.)
в) ферментативный – катализатором служат сложные белковые образования, ускоряющие течение биологически важных реакций в организмах растительного и животного мира. (Ферментативный катализ может быть как гомогенным, так и гетерогенным, но из-за специфических особенностей действия ферментов целесообразно выделение этого вида катализа в самостоятельную область.)
Немного о промышленном катализе
На всю жизнь запомнилась мне проводившаяся по Энглеру разгонка полученного конденсата, в котором уже в начале опыта бензиновая фракция составляла 67%. Мы задержались до поздней ночи, ожидая, пока наберется достаточное количество для испытания на гоночном автомобиле, однако при этом думали, что ввиду высокого выхода бензина двигатель будет работать с детонацией. Никогда не забуду своего волнения на следующее утро, когда автомобиль забрался на холм без детонации!
Ю. Гудри, 1957 г.
Эти слова принадлежат Гудри – выдающемуся исследователю в области практического использования катализа. Они были сказаны им на Международном конгрессе по катализу в 1957 г., через двадцать лет после того, как в результате долгого рутинного поиска был, наконец, разрабо- тан принципиально новый способ превращения тяжелых нефтяных остатков в высокооктановое моторное топливо каталитический крекинг нефти. По словам Гудри, идея использования катализа для расщепления углеводородов нефти до низкомолекулярных продуктов, обладающих бо- лее низкой температурой кипения, пришла ему в голову еще в 1927 г. Но только спустя десять лет в Полсборо (США) на нефтеочистительном заводе компании Сокони- Мобил была построена первая в мире промышленная ус тановка каталитического крекинга с применением в качестве катализатора соединений окиси кремния и окиси алюминия (алюмосиликата). После 1937 г. в нефтяную промышленность прочно вошли каталитические способы переработки нефти, включающие в себя множество разнообразных химических процессов. К основным из относятся: расщепление углерод-углеродных связей и изомеризация первичных продуктов расщепления (крекинг); дегидрирование п изомеризация углеводородов с образованием разветвленных и ароматических молекул минг); гидрирование ненасыщенных углеводородов с повременным удалением серы и азота в виде сероводорода и аммиака (гидроочистка); введение углеводородных фрагментов в бензольное кольцо ароматических соединений (алкилирование).
Напомним, что до 1937 г. крекинг нефти осуществляли исключительно термическим способом: фракции нефти обрабатывали при температуре около 500° С и давлении 50-60 атпм. Каталитический крекинг ведут при ~50-500° С и атмосферном давлении в присутствии бентонитовых глин или искусственно приготовленных алюмосиликатов. При этом получают более высокооктановое топливо и ароматические углеводороды, которые могут быть использованы для дальнейшей химической переработки. Примерно одну треть моторного топлива в мире получают путем крекинга. При этом следует отметить, что более четверти всей мировой химической продукции вырабатывают из разных видов продуктов химической переработки нефти.
Важным компонентом промышленных катализаторов являются промоторы – вещества, добавление которых к катализатору в малых количествах (проценты или доли процента) увеличивает его активность, селективность или устойчивость. Если промотор добавляется к катализатору в больших количествах или сам по себе каталитически активен, катализатор называется смешенным. Вещества, воздействие которых на катализатор приводит к снижению его активности или полному прекращению каталитического действия, называется ядами каталитическими . Встречаются случаи, когда одна и та же добавка к катализатору является при одгих концентрациях промотором, а при других – ядом. в гетерогенном катализе (см. ниже) широко применяют носители вещества, сами по себе каталитически не активные, или мало акивные.
«География» катализа необычайно широка и разнообразна – от многотоннажного производства органических веществ до управления жизненно важными биохимическими процессами в живой клетке (а, возможно, также и до «управляемого» ядерного синтеза) – и охватывает поле деятельности исследователей многих профилей и направлений. Разумеется, мы не ставим задачей перечислять все основные области использования катализа и приведем лишь некоторые примеры из области химической промышленности.
Можно начать, например, с проблемы «фиксации» азота воздуха – чрезвычайно инертного вещества, которое даже с кислородом реагирует лишь при 3500-4000° С. Природные ресурсы связанного азота ограниченны, тогда как для производства продуктов сельского хозяйства необходимы огромные количества соединений азота. Ресурсы же свободного азота практически неограниченны. Химики переводят его в связанное (и более реакционноспособное) состояние с помощью реакции
Чтобы скорость этой реакции была приемлема с практической точки зрения, нужны высокие температура и давление. Однако с ростом температуры равновесие реакции постепенно смещается в сторону образования исходных веществ. С другой стороны, чем ниже температура и чем полнее протекает реакция образования аммиака, тем более заметно снижается скорость процесса. Поиск компромисса между действующими в разные стороны факторами привел Габера (1907) к созданию про- мышленного способа превращения азотоводородной смеси в аммиак при 500° С и 300 атм. Сейчас это главный спо- соб получения аммиака, который широко используется в производстве удобрений, азотной кислоты (каталитическое окисление аммиака над платиной), аммониевых солей, соды, синильной кислоты и т. д.
С помощью катализа осуществляют гидрогенизацию ненасыщенных химических соединений. Так, обрабатывая окись углерода водородом в присутствии цинк-хромовых катализаторов при 400° С и давлении около 300 атм, получают метанол CO+2H СНзОН, широко используемый в качестве растворителя исходного продукта для производства других ценных веществ.В частности, окисляя его на серебряном или медном катализаторе, можно получить формальдегид
СНзОН + О HСОН + Н О
не менее важное вещество, в больших количествах требляемое для синтеза пластических масс.
Метанол можно использовать и для получения дорода СНзОН+ Н О 3Н + СО.
В результате обработки растительных масел водородом в присутствии никелевых катализаторов образую твердые жиры (в частности, маргарин). Катализ применяется для ускорения процессов гидролиза многоатомных органических соединений, главным образом растительных углеводсодержащих соединений. Здесь катализаторами служат минеральные кислоты. При обработке кислотой растительного сырья (древесные от- ходы, подсолнечная лузга, солома и т. п.) происходит расщепление полисахаридных цепей (целлюлозы, пентозанов) с образованием пищевых и кормовых продуктов, глюкозы, ксилозы, фурфурола и целого ряда других кислородсодержащих производных. При совмещении процессов кислотного гидролиза и каталитической гидроге- низации (так называемого гидрогенолиза), проводимых в более жестких условиях (200° С, 50 атм), получают продукты глубокого расщепления молекулярных цепей глицерин, этиленгликоль, пропиленгликоль. Эти веще ства используются в производстве взрывчатых веществ, глифталевых смол, а также пластификаторов и растворителей.
Нельзя обойти молчанием производство полимеров и синтетических волокон. Здесь гордостью отечественной науки является разработанный С. В. Лебедевым (1932) процесс получения синтетического каучука по схеме: этиловый спирт – бутадиен – полибутадиен. Каталитические реакции в этом процессе осуществляются на первой стадии – дегидрогенизации и одновременной дегидратации этилового спирта. Сейчас бутадиен и изопрен получают также путем дегидрогенизации углеводородов нормального строения на алюмохромовых катализаторах, в частности из бутана. Это позволило вовлечь в производство синтетического каучука природные ресурсы газа и газы, отходящие при переработке нефти.
Большим событием в производстве полимеров явилось открытие стереоспецифической полимеризации ненасыщенных соединений в присутствии смешанных катализаторов Циглера – Натта (1952). Примером этого типа катализаторов может служить смесь триэтилалюминия и четы- реххлористого титана. Применение этих катализаторов дало возможность получать макромолекулы с определенной пространственной конфигурацией мономерных звеньев. Изделия из таких полимеров обладают прекрасными эксплуатационными свойствами. Заслуживает упоминания разработанная Мортоном (1947) исключительно активная каталитическая система, известная под кодовым названием «альфин» и представляющая собой смесь аллилнатрия, изопропилата натрия и хлорида натрия. В присутствии альфина бутадиен за несколько минут полимеризу- ется с образованием цепей, содержащих десятки и сотни тысяч мономерных звеньев.
Роль катализа в экологии
Огромную роль призван сыграть катализ в решении актуальнейшей проблемы – охраны окружающей среды. По словам Кусто, земной шар напоминает «одиноко несущийся в космическом пространстве автомобиль без выхлопной трубы». Действительно, нам некуда сбрасывать отходы, кроме как в ту же среду, в которой мы живем. Это довольно грустная тема, но о ней стоит говорить, так как человек уже начинает ощущать отрицательные стороны своей бурной ило многом бесконтрольной де- ятельности. Химики-каталитики настойчиво работают над этой про-. блемой и уже добились некоторых результатов. Разработаны специальные устройства для дожигания выхлопных газов автомобилей, работающие на основе каталитического окисления вредных компонентов газов. Подобраны катализаторы и условия для обезвреживания отходящих газов химических производств. Каталитические фильтры конструируются в виде патронов, заполненных металлической сеткой или керамическими материалами с нанесенными на них каталитическими агентами; работают эти фильтры при 250-350° С.
Мы привели температуру и давление, при которых ведут катализ реакций в промышленных условиях, отчасти для того, чтобы сравнить их с условиями подобных химических реакций, протекающих в организмах растительного и животного мира. Последние имеют гораздо большую скорость при обычных температуре и давлении. Достигается это с помощью биологических катализаторов – продуктов длительной, неизбежно сопро- вождающейся миллионами ошибок и тупиков, эволюции жизни на Земле. Вероятно, мы не скоро узнаем извилистый путь, по которому шла природа в поисках эффективных органических конструкций с их фантастической способностью ускорять в мягких условиях процессы в живых организмах.
Энергетический барьер
Все каталитические реакции – самопроизвольный процесс, т.е. протекают в направлении убыли энергии Гиббса – убыли энергии системы.
Давно уже было известно, что молекулы неионогены вступают в реакцию гораздо реже, чем сталкиваются друг с другом. Аррениус объяснил этот факт, предположив, что молекулы могут реагировать лишь в том случае, если в момент столкновения они обладают запасом энергии не ниже некоторой критической величины. В этом случае они называются «активными молекулами».
А. Резчик, 1945 г.
Такая теория существует, это теория абсолютных скоростей реакций, начало которой было положено теоретическими исследованиями Поляни в 1931 г. Ниже мы с ней познакомимся, а пока обратим внимание еще на один закон химической кинетики, известный под названием закона Аррениуса (1889). Закон связывает константу скорости реакции с некоторой характерной для данной реакции энергетической характеристикой, называемой энергией активации Е.
где k0 – константа, или предэкспоненциальный множитель; R – газовая постоянная, равная 1,987 кал/град*моль’, Т – температура в градусах шкалы Кельвина; е – основание натуральных логарифмов.
Чтобы найти величину энергии активации Е, изучают скорость реакции при разной температуре и находят для каждого значения Т величину константы скорости. Поскольку уравнение (26) содержит две неизвестные величины – k0 и Е, то поступают следующим образом. Логарифмируют (26)
строят график зависимости Ln(k) от 1/Т и определяют угловой коэффициент, который равен Е/R. Обычно используют не натуральные, а десятичные логарифмы.
(Последнее число – модуль перевода натуральных логарифмов в десятичные, умноженный на величину R = l.987.)
С законом Аррениуса связано широко распространенное в химии символическое изображение пути реакции в виде энергетической диаграммы, показанной на рис. 1. Смысл этого изображения таков: для того чтобы молекулы перешли из одного состояния H1 в другое H2, они должны обладать запасом внутренней энергии, не меньшим некоторого критического значения Е. Состояния Hl и Н2 разделены, таким образом, некоторым энергетическим барьером с высотой, равной энергии активации Е, и чем ниже высота барьера, тем больше скорость реакции в соответствии с уравнением Аррениуса. Это возрастание не беспредельно: даже при отсутствии барьера (Е = О) реакция будет протекать с некоторой конечной (а не бесконечно большой) скоростью, так как при Е=0 одновременно
Важным свойством энергетической диаграммы является то, что исходный H1 и конечный Н2, уровни не зависят от высоты барьера. Можно произвольно менять высоту барьера Е (если, конечно, мы знаем, как это сделать практически), но при этом уровни H1 и Н2 останутся без изменения, если заданы определенные внешние условия – температура, давление и т. п. Иначе говоря, существуют в принципе различные пути, по которым могут перемещаться молекулы из одного фиксированного состояния в другое, в том числе и такие, на которых энергетический барьер равен нулю; не может быть только такого случая, когда Е < О.
Прохождение через энергетический барьер
Закон Аррениуса – экспериментально установленный факт. Он утверждает, что скорость реакции возрастает с увеличением температуры для преобладающего большинства реакций, но он ничего не говорит о том, каким именно способом преодолевает реакционная система энергетический перевал. Имеет смысл разобраться в этом более детально, введя определенные модельные представления.
Представим себе простую реакцию обменного взаимодействия
A – B+C – D => A – D+B – C. (а)
Если бы мы могли расчленить взаимодействие молекул на отдельные элементарные акты – разрыв старых связей А – В и С – D и образование новых связей В – С и А – D, то наблюдали бы такую картину: вначале реакционная система поглощала энергию извне, необходимую для разрыва исходных химических связей, а затем происходило выделение ее за счет образования новых связей. На энергетической диаграмме это отразилось бы некоторой кривой, максимум которой соответствовал энергии диссоциации старых связей (рис. 2).
В действительности же энергия активации всегда ниже энергии диссоциации. Следовательно, реакция протекает таким образом, что энергия разрыва связей частично компенсируется энергией, выделяющейся при образовании новых связей. Физически это могло бы происходить, например, следующим образом. В момент сближения атомов В и С происходит формирование связи В…С и одновременно разрыхление связей А – В и С – D. При этом энергия частично «перетекает» из одного отсека в другой. Не трудно сообразить, что при сближении реагирующих атомов наступает рано или поздно такой момент, когда все связи находятся в одинаково разрыхленном состоянии.
Это состояние Поляни и Эйринг называют переходным и приписывают ему все свойства обычных молекул, за исключением того что колебания атомов вдоль линии, по которой идет сближение и разрыв связей ведут к образованию конечных продуктов.
По этим соображениям разумно ввести в схему реакции некоторое переходное состояние A – B+C – D =>* => A – D+B – C (б)
отвечающее вершине энергетического барьера. Взобраться на вершину могут только те молекулы, которые обладают определенным запасом внутренней энергии. Эту энергию они приобретают в результате столкновений с другими молекулами. Те из них, которые не набрали нужного количества энергии, скатываются обратно для пополнения своих запасов. Подъем на вершину – наиболее трудный участок пути, но, достигнув перевала, молекулы неудержимо скатываются вниз. Обратного пути для них нет. Чем больше молекул на вершине, тем выше скорость реакции. Эти простые рассуждения позволяют представить константу скорости в виде произведения двух величин:
одна из которых a* – константа мономолекулярного превращения активированного комплекса в продукты реакции, имеющая размерность частоты, а вторая К* – константа равновесия образования переходного комплекса.
В общем случае реакция может идти от исходных веществ к конечным продуктам различными путями, т.е. через различные перевалы(величины энергии активации). Однако, реакция, как правило, идет по одному из путей, такому, где энергетические затраты будут наименьшими.
Ускорение химических реакций с помощью кислот и оснований – наиболее распространенный прием из используемых химиками в повседневной работе. Мы рассмотрим только катализ «протонными» кислотами. В этом случае каталитически действующим началом является ион гидроксония образующийся при диссоциации кислоты в водных растворах
При умеренной концентрации соляная кислота полностью распадается на ионы. Карбоновые кислоты, в частности уксусная (б), диссоциируют не полностью: устанавливается определенное равновесие между ионами и недиссоциированными формами кислоты. В качестве меры диссоциации слабых кислот выбирают константу диссоциации, которая для уксусной кислоты равна 1,75*10^-15 моль/литр;
В чистом виде протон H+ в растворе не существует, так как ему выгоднее соединиться с молекулой воды. (Однако для краткости записывают просто H+, подразумевая под этим символом ион гидроксония.)
удобно выражать концентрацию водородных ионов в единицах рН=-lg, т. е. в единицах показателя степени (эту единицу измерения впервые ввел Сёренсен).
Чем выше концентрация кислоты (или кислотность среды), тем больше скорость реакции, но лишь до определенного значения pH. Исходя из этого попробуем разобраться в двух вопросах:
1) почему растет скорость с увеличением концентрации Н+ионов (т. е. с уменьшением рН);
2) почему реакция замедляется при добавке кислоты сверх определенной нормы;
Существует твердая уверенность в том, что все начинается с атаки атома азота на углерод карбонильной группы. Азот располагает двумя неспаренными электронами, а углерод не только их не имеет, но даже обладает некоторым дефицитом электронной плотности. Говорят, что карбонильная группа поляризована – часть внешнего электронного облака смещена в сторону кислородного атома.
Когда мы вводим в реакционную смесь кислоту, то образовавшиеся водородные ионы начинают атаковать молекулы обоих партнеров, но только один вид атаки будет способствовать химическому взаимодействию их – атака на карбонильный кислород. Почему же именно так? Да потому, что координация протона с атомом кислорода приведет к смещению электронной плотности от атома углерода в сторону протона. Произойдет оголение углерода, и он сможет легко принять электроны атома азота. В этом, собственно, и заключена природа кислотного катализа. Нетрудно сообразить, что чем больше концентрация H+ ионов (повторяем – чем меньше рН), тем больше концентрация протонизованных (по кислороду) молекул альдегида, тем выше должна быть скорость реакции.
Мы рассмотрели, конечно, упрощенную схему кислотного катализа, но она является хорошей иллюстрацией того, как изучают явление и к каким выводам можно прийти в результате знания зависимости скорости реакции от концентрации водородных ионов. Анализ явлений катализа под действием ионов ОН- (основной катализ) принципиально мало отличается от только что рассмотренного анализа кислотного катализа.
При изучении катализа органических реакций в сильно кислых средах встречаются с трудностями, которые обычно легко преодолеваются, когда работают с разбавленными кислотами. Но не будем заострять на этом внимание, обратим его лишь на то, какого рода информацию получают, изучая концентрационные зависимости.
Гомогенный катализ
Среди многочисленных каталитических реакций особое место занимает катализ в цепных реакциях.
«Цепными реакциями, как известно, называются такие химические и физические процессы, в которых образование в веществе или в смеси веществ некоторых активных частиц (активных центров) приводит к тому, что каждая из активных частиц вызывает целый ряд (цепь) последовательных превращений вещества» (Эмануэль, 1957).
Такой механизм развития процесса возможен благодаря тому, что активная частица взаимодействует с веществом, образуя не только продукты реакции, но и новую активную частицу (одну, две или более), способную к новой реакции превращения вещества, и т. д. Возникающая при этом цепь превращений вещества продолжается до тех пор, пока активная частица не исчезает из системы (происходит «гибель» активной частицы и обрыв цепи). Наиболее трудная стадия при этом – зарождение активных частиц (например, свободных радикалов), после же зарождения цепь превращений осуществляется легко.
Цепные реакции широко распространены в природе. Полимеризация, хлорирование, окисление и многие другие химические процессы идут по цепному, а точнее – по радикально-цепному (с участием радикалов) механизму.
Механизм окисления органических соединений (на ранних стадрях) в настоящее время установлен достаточно тщательно. Если обозначить окисляющееся вещество R-H (где Н – атом водорода, имеющий наименьшую прочность связи с остальной молекулой R), то этот механизм можно записать в следующем виде:
Катализаторы, например соединения металлов переменной валентности, могут оказывать влияние на любую из рассмотренных стадий процесса.
Остановимся теперь на роли катализаторов в процессах вырожденного разветвления цепей. Взаимодействие гидроперекиси с металлом может приводить как к ускорению так и к торможению реакции окисления органических веществ соединениями металлов переменной валентности в зависимости от характера продуктов, образующихся при распаде гидроперекиси. Соединения металлов образуют с гидроперекисями комплекс, который распадается в «клетке» растворителя среды, если обра-зующиеся при распаде комплекса радикалы успеют выйти из клетки, то они инициируют процесс (положительный катализ). Если же эти радикалы не успеют выйти и рекомбинируют в клетке в молекулярные неактивные продукты, то это приведет к замедлению радикально-цепного процесса (отрицательный катализ), поскольку в этом случае гидроперекись – потенциальный поставщик новых радикалов- расходуется вхолостую.
До сих пор мы рассматривали лишь неглубокие стадии процессов окисления; на более глубоких стадиях например в случае окисления углеводородов, образуются кислоты, спирты, кетоны, альдегиды, которые также могут реагировать с катализатором и служить дополнительным источником свободных радикалов в реакции, т. е. в этом случае будет налицо дополнительное вырожденное разветвление цепей.
Гетерогенный катализ
К сожалению, до сих пор, несмотря на достаточно большое число теорий и гипотез в области катализа, многие основополагающие открытия были сделаны случайно или в результате простого эмпирического подхода. Как известно, случайно был найден ртутный катализатор сульфирования ароматических углеводородов М. А. Ильинским, который нечаянно разбил ртутный термометр: ртуть попала в реактор, и реакция пошла. Аналогичным образом были обнаружены теперь всем хорошо известные, а в свое время открывшие новую эру в процессе полимеризации катализаторы стереоспецифической полимеризации Циглера.
Естественно, что такой путь развития учения о катализе не соответствует современному уровню науки, и именно этим объясняется повышенный интерес к изучению элементарных стадий процессов в гетерогенно-каталитических реакциях. Эти исследования – прелюдия для создания строго научных основ подбора высокоэффективных катализаторов.
Во многих случаях роль гетерогенных катализаторов в процессе окисления сводится к адсорбции органического соединения и кислорода с образованием на поверхности катализатора адсорбированного комплекса этих веществ. Такой комплекс разрыхляет связи компонентов и делает их более реакционноспособными. В некоторых случаях катализатор адсорбирует лишь один компонент, который диссоциирует на радикалы. Например, пропилен на закиси меди диссоциирует с образованием аллильного радикала 
, легко вступающего затем в реакцию с кислородом.
Выяснилось, что каталитическая активность металлов переменной валентности в значительной мере зависит от заполнения d-орбиталей в катионах окислов металлов.
По каталитической- активности в реакции разложения многих гидроперекисей соединения металлов располагаются следующим ря-
Мы рассмотрели один из возмжных путей инициирования процесса – взаимодействие гидроперекиси с катализатором. Однако в случае окисления реакция гетерогенного инциирования цепей может протекать как путем распада на радикалы гидроперекиси, так и путем взаимодействия углеводорода с кислородом, активированным поверхностью катализатора. Инициирование цепей может быть обусловлено участием заряженной формы органического соединения RH+, образующегося при взаимодействии RH с катализатором. Так обстоит дело с катализом в реакциях инициирования (зарождения и разветвления) цепей. Роль гетерогенных катализаторов в реакциях продолжения цепи особенно четко подчеркивается изменением скорости и направления изомеризации перекисных радикалов.
Катализ в биохимии
Ферментативный катализ неразрывно связан с жизнедеятельностью организмов растительного и животного мира. Многие жизненно важные химические реакции, протекающие в клетке (что-то около десяти тысяч), управляются особыми органическими катализаторами, именуемыми ферментами или энзимами. Термину «особый» не следует уделять пристального внимания, так как уже известно, из чего построены эти ферменты. Природа избрала для этого один единственный строительный материал – аминокислоты и соединила их в полипептидные цепи различной длины и в разной последовательности
Это так называемая первичная структура фермента, где R – боковые остатки, или важнейшие функциональные группы белков, возможно, выступающие в качестве активных центров ферментов. На эти боковые группы и ложится основная нагрузка при работе фермента, пептидная же цепь играет роль опорного скелета. Согласно структурной модели Полинга – Кори, она свернута в спираль, которая в обычном состоянии стабилизирована водродными связями между кислотными и основными центрами:
Для некоторых ферментов установлены полный аминокислотный состав и последовательность расположения их в цепи, а также сложная пространственная структура. Но это все же очень часто не может помочь нам ответить на два главных вопроса:
1) почему ферменты так избирательны и ускоряют химические превращения молекул только вполне определеyyой структуры (которая нам тоже известна);
2) каким образом фермент снижает энергетический барьер, т. е. выбирает энергетически более выгодный путь, благодаря чему реакции могут протекать при обычной температуре.
Строгая избирательность и высокая скорость – два основных признака ферментативного катализа, отличающие его от лабораторного и производственного катализа. Ни один из созданных руками человека катализаторов (за исключением, пожалуй, 2-оксипиридина) не может сравниться с ферментами по силе и избирательности воздействия на органические молекулы.
Активность фермента, как и любого другого катализатора, тоже зависит от температуры: с повышением температуры возрастает и скорость ферментативной реакции. При этом обращает на себя внимание резкое снижение энергии активации Е по сравнению к некаталитической реакцией. Правда, это происходит не всегда. Известно много случаев, когда скорость возрастает благодаря увеличению независящего от температуры предэкспоненциального множителя в уравнении Аррениуса.
Для иллюстрации необычайно высокой эффективности ферментов приведем два примера и сравним действие обычного кислотного катализатора с ферментативными. В качестве меры активности приведем все три параметра уравнения Аррениуса – константу скорости (k, л/моль*сек), предэкспоненциальный множитель А и энергию активации (Е, ккал/моль).
Гидролиз мочевины:
Эти примеры особенно интересны в том отношении, что в первом случае увеличение константы скорости в присутствии уреазы обусловлено главным образом снижением энергии активации (на 17-18 ккал/моль), тогда как во втором – влияние миозина на константу скорости осуществляется за счет увеличения предэкспонциального множителя.
Активность ферментам зависет также от кислотности среды, в которой протекает химическая реакция. Примечательно, что кривая этой зависимости от рН среды апоминает колоколообразные кривые кислотно-основного катализа.(см рис 3)
Создается впечатление, что ферментам предоставлено право решать, что в данном конкретном случае им выгодно – организовать более прочную связь активного центра с молекулой субстрата или произвести разупорядочение своей структуры.
Трудно сказать, какими соображениями руководствуется фермент при выборе пути активации субстрата. Во всяком случае, изучение кинетики ферментативной реакции и термодинамики образования промежуточных комплексов, хотя и дает ценную количественную информацию, не позволяет полностью раскрыть молекулярный и электронный механизм работы фермента. Здесь, как и при изучении обычных химических реакций, приходится идти по пути моделирования – грубо говоря, придумывания таких молекулярных механизмов, которые по крайней мере не противоречили бы данным эксперимента и элементарной логике химических реакций. Беда в том, что при достаточно развитом воображении таких «хороших» механизмов можно придумать довольно много. Ниже мы познакомимся с некоторыми из таких модельных представлений, а теперь посмотрим, как исследователи устанавливают природу активные центров ферментов.
Увеличение кислотности среды будет благодриятно для одних элементарных стадий и неблагоприятно для других. При наличии таких конкурирующих фактов, как нетрудно догадаться, должна существовать некоторая оптимальная кислотность среды, при которой фермент может работать с максимальной эффективностью.
Итак, анализ зависимостей скорости от рН является весьма эффективным средством идентификации функциональных групп белковой молекулы фермента, участвующих в процессе активации молекул субстрата. Зная природу активных центров, можно представить себе, как они работают. Конечно, при этом приходится пользоваться теми же представлениями о механизме элементарных актов, которые сложились при изучении обычных реакций органической химии. Вводить какие-то особые механизмы нет никакой необходимости. Существует твердое убеждение в том, что работа фермента сводится в конечном счете к совокупности простых операций, аналогичных тем, которые совершаются при взаимодействии органических молекул в обычных пробирочных условиях.
Итак мы знаем:
1) В ферментативном катализе принимают участие по крайней мере две функциональные группы, и механизм ферментативной реакции включает в себя определенную последовательность элементарных актов, которая обеспечивает энергетически более выгодный маршрут, чем неферментативная реакция;
2) активные центры на полипептидной цепи расположены так, чтобы в определенный момент и в определенном месте они могли взаимодействовать с молекулой субстрата и осушествить серию согласованных химических актов.
Белки - строительные материалы. Некоторые бактерии и все растения способны синтезировать все аминокислоты, из которых строятся белки, используя для этого неорганические вещества: азот и углекислый газ воздуха, водород, полученный при расщеплении воды (за счет энергии света), неорганические вещества почвы. Животные в процессе эволюции утратили способность осуществлять синтез десяти особенно сложных аминокислот, называемых незаменимыми. Они получают их в готовом виде с растительной и животной пищей. Такие аминокислоты содержатся в белках молочных продуктов (молоко, сыр, творог), в яйцах, рыбе, мясе, а также в сое, бобах и некоторых других растениях. В пищеварительном тракте белки расщепляются до аминокислот, которые всасываются в кровь и попадают в клетки. В клетках из готовых аминокислот строятся собственные белки, характерные для данного организма. Белки являются обязательным компонентом всех клеточных структур, и в этом состоит их важная структурная роль.
Белки-ферменты. В каждой живой клетке происходят непрерывно тысячи биохимических реакций. В ходе этих реакций идут расщепление и окисление поступающих извне питательных веществ. Полученную вследствие окисления энергию питательных веществ и продукты их расщепления клетка использует для синтеза необходимых ей разнообразных органических соединений. Быстрое протекание таких реакций обеспечивают биологические катализаторы, или ускорители реакций, - ферменты. Известно более тысячи разных ферментов. Все они белки.
Каждый фермент обеспечивает одну реакцию или несколько реакций одного типа. Например, жиры в пищеварительном тракте (а также внутри клеток) расщепляются специальным ферментом, который не действует на полисахариды (крахмал, гликоген) или на белки. В свою очередь, фермент, расщепляющий только крахмал или гликоген, не действует на жиры. Каждая молекула фермента способна осуществлять от нескольких тысяч до нескольких миллионов одинаковых операций в минуту. В ходе этих реакций фермент не расходуется. Он соединяется с реагирующими веществами, ускоряет их превращения и выходит из реакции неизмененным.
Ферменты выполняют работу наилучшим образом только при оптимальной температуре (например, у человека и теплокровных животных при 37°С) и определенной концентрации ионов водорода в среде.
Процесс расщепления или синтеза любого вещества в клетке, как правило, разделен на ряд химических операций. Каждую операцию выполняет отдельный фермент. Группа таких ферментов составляет своего рода биохимический конвейер.
Регуляторные белки. Известно, что в специализированных клетках животных и растений производятся специальные регуляторы физиологических процессов - гормоны. Часть гормонов (но не все) животных и человека являются белками. Так, белковый гормон инсулин (гормон поджелудочной железы) активирует захват клетками молекул глюкозы и расщепление или запасание их внутри клетки. Если не хватает инсулина, то глюкоза накапливается в крови в избытке. Клетки без помощи инсулина не способны ее захватить - они голодают. Именно в этом причина развития диабета - болезни, вызываемой недостатком инсулина в организме.
Гормоны выполняют важнейшую функцию в организме, управляя активностью ферментов. Так, инсулин активирует в клетках печени фермент, синтезирующий из глюкозы другое органическое вещество - гликоген, и ряд других ферментов.
Белки - средства защиты. На попадание бактерий или вирусов в кровь животных и человека организм реагирует выработкой специальных защитных белков - антител. Эти белки связываются с чужеродными для организма белками возбудителей заболеваний, чем подавляется их жизнедеятельность. На каждый чужеродный белок - антиген организм вырабатывает специальные «антибелки» - антитела.
ИЛЬЯ ИЛЬИЧ МЕЧНИКОВ (1845-1916) - русский биолог, один из основоположников сравнительной патологии, эволюционной эмбриологии. Открыл явление фагоцитоза. Создал клеточную теорию иммунитета. Лауреат Нобелевской премии.
Антитела обладают удивительным свойством: среди тысяч разнообразных белков они узнают только свой антиген и только с ним реагируют. Такой механизм сопротивления возбудителям заболеваний называют иммунитетом. Помимо антител, растворенных в крови, имеются антитела на поверхности специальных клеток, которые узнают и захватывают чужеродные клетки. Это клеточный иммунитет, обеспечивающий в большинстве случаев и уничтожение вновь возникающих раковых клеток.
Чтобы предупредить заболевание, людям и животным вводят ослабленные или убитые бактерии либо вирусы (вакцины), которые не вызывают болезнь, но заставляют специальные клетки организма производить антитела против этих возбудителей. Если через некоторое время болезнетворная неослабленная бактерия или вирус попадают в такой организм, они встречают прочный защитный барьер из антител. Миллионы человеческих жизней спасены вакцинацией против оспы, бешенства, полиомиелита, желтой лихорадки и других болезней.
Белки - источник энергии. Белки могут служить источником энергии для клетки. При недостатке углеводов или жиров окисляются молекулы аминокислот. Освободившаяся при этом энергия используется на поддержание процессов жизнедеятельности организма.
- Охарактеризуйте строение молекул белков в связи с их функциями в клетке.
- Объясните, почему реакции, катализируемые ферментами, за висят от pH и от температуры.
- Объясните биологическое значение вакцинации.
