Определение кинетических параметров ферментативного окисления глюкозы кислородом (Лабораторная работа К-32)

Новосибирский государственный университет

Кафедра физической химии

Лабораторная работа К-32

Определение кинетических параметров ферментативного окисления глюкозы кислородом под действием глюкозооксидазы

Выполнили: А.Е. Арзамасцев

Р.А. Бредихин

Проверил: к.х.н М.В.Лузгин

Новосибирск, 2006

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Если термодинамика ставит вопрос о теоретической осуществимости химической реакции, то химическая кинетика занимается исследованием особенностей и закономерностей тех превращений, которые возможно осуществить на практике. Химическая реакция может представлять собой самопроизвольный процесс с точки зрения термодинамики, но протекать с ничтожной скоростью. Как правило, причиной низкой скорости является высокий энергетический барьер, который необходимо преодолеть для запуска превращения. Так, например, алмаз существует в стандартных условиях, хотя термодинамически более стабилен графит. Поэтому для кинетики становится важным понятие скорости превращения вещества. Скорость химической реакции определяют как число актов превращения в единице объёма в единицу времени [1].

На скорость химической реакции можно воздействовать. Катализатор – вещество, которое, будучи добавлено в реакционную массу, сокращает время, необходимое для достижения равновесного состояния. Для уменьшения скорости реакции используют ингибиторы.

Следует отметить, что в физиологических условиях (pH≈6,5-7,0, T≈40°С) большинство реакций протекают с ничтожной скоростью. В организме их скорость должна быть намного выше. Для их осуществления необходимы ферменты. Ферменты представляют собой уникальные природные катализаторы. Главная их особенность – высокая специфичность по отношению к субстрату и высокая эффективность. Следовые концентрации ферментов способны ускорять реакции в сотни тысяч раз (вплоть до 10⁸-10¹²) [2]. Такой результат объясняется взаимодействием фермента с субстратом с образованием фермент-субстратного комплекса, что приводит к значительному понижению энергии активации, а значит, к ускорению химической реакции.

Скорость ферментативной реакции зависит от многих параметров. Во-первых, от концентрации фермента и его активности (способности ускорять реакцию), во-вторых, от концентрации субстрата. Кроме того, значительное влияние оказывают состав буферной среды и pH. Например, для функционирования многих ферментов необходим кофермент (кофактор) в виде катиона некоторого металла (Mg²⁺, Ca²⁺ и др.). С ростом температуры скорость ферментативной реакции увеличивается, но при этом растёт и скорость дезактивации. Значит, существует температурный оптимум для ферментативной реакции.

Кинетика ферментативных реакций.

Первыми исследователями стали Леонор Михаэлис и Мод Ментен в 1913 году [3]. Они предложили способ определения скорости ферментативной реакции, введя следующие допущения:

1.  Реакция образования фермент-субстратного комплекса обратима.

2.  Фермент в активном состоянии связывает только 1 молекулу субстрата.

3.  Фермент-субстратный комплекс необратимо превращается в продукт реакции

4.  Лимитирующей является стадия  образования продукта (k₂<<k_-1), т.е.

5.  Квазистационарные условия

6.  Принято считать, что

Тогда легко получить выражение для скорости ферментативной реакции:

Константы скоростей можно выделить в виде одного постоянного множителя.

1

Величина K_M получила название константы Михаэлиса. Константа Михаэлиса равна концентрации субстрата, при которой скорость ферментативной реакции составляет половину максимальной. Пусть аналитическая концентрация фермента равна . Фермент присутствует в свободном и связанном состояниях:

На практике используют разные способы определения константы Михаэлиса.

1. Координаты Лайнуивера-Берка. График отображает зависимость  от величины  и представляет собой прямую. Пересечение графика с осью ординат даёт , а пересечение с осью абсцисс – значение . При малых значениях концентрации субстрата этот способ даёт большую погрешность, поэтому на практике данный метод используют для приблизительных оценок. Уравнение, таким образом, имеет следующий вид: .
2. Метод Иди (Эди) – Хофсти. Проводят построение графика .
3. Метод Эйзеншталя – Корниш – Боудена. Предполагает собой построение графика . Для каждой концентрации субстрата отмечают точки с координатами (-[S], 0) и (0, V₀). По этим двум точкам строят графики, которые представляют собой прямые. Точка пересечения графиков для разных концентраций субстрата имеет координаты (К_М,V_max). Этот способ определения константы Михаэлиса считается наиболее точным. Уравнение может быть записано так: .