Иммобилизованные ферменты - Березин И.В.
Скачать (прямая ссылка):
Учет диффузионных факторов является одним из наиболее сложных вопросов в
катализе иммобилизованными ферментами. В рамках уравнения Михаэлиса-
Ментен [уравнение (1)] будет проанализировано влияние диффузионных
факторов на эффективные кинетические параметры ферментативной реакции.
Внешнедиффузионное торможение. К поверхности частицы носителя примыкает
неперемешиваемый слой жидкости, в пределах которого перенос молекул
происходит исключительно за счет молекулярной диффузии. Поскольку
молекулярная диффузия в жидкостях проходит очень медленно (с
коэффициентом диффузии 10~5-10-6см2/с), массоперенос может стать
лимитирующей стадией процесса, катализируемого иммобилизованным
ферментом.
Согласно первому закону Фика диффузионная скорость подачи субстрата /,
отнесенная к единице площади поверхности частицы носителя,
пропорциональна градиенту концентрации субстрата.. При наиболее часто
распространенном случае линейного градиента концентрации
где р - коэффициент массопереноса; So и S - концентрации субстрата в
растворе и в частице с иммобилизованным ферментом соответственно.
При достижёнии стационарного состояния в системе, т. е. когда скорость
диффузионного потока субстрата равна скорости его расходования в
ферментативной реакции, справедливо следующее уравнение:
где буквенные символы обозначают те же параметры системы, что и в
уравнениях (1) - (5).
Проанализируем частные случаи уравнения (6). В условиях насыщения
фермента субстратом (Ам.каж <С [S]) кинетика ферментативной реакции
описывается нулевым порядком по кои-
j=P[S0-S],
(5)
Р [So - S] =
(6)
102
цеитрации субстрата и ферментативный процесс не может лимитироваться
диффузией, т. е. всегда протекает в кинетическом режиме.
В случае, когда См.каж [S], т. е. когда кинетика ферментативной реакции
подчиняется уравнению первого порядка, имеем следующее выражение для
стационарной скорости ферментативной реакции:
?кат[?] г el _____ [So]
V-~K^r[S' - ' , 1 • (7)
Р &кат [Щ/Км , каж
Анализ выражения (7) показывает, что возможны два крайних случая. Если р"
&кат[ Е]//См, каж, т. е. массоперенос осуществляется намного быстрее, чем
идет ферментативная реакция, то v - k*aT ^[ So] ¦ В этом случае реакция
проходит в ки-
Ам. каж
нетическом режиме. Если же ферментативная реакция идет намного быстрее
массопереноса, т. е. р <С ^каТ[Е]/Ам , каж" ТО V - = Р [S] и
ферментативный процесс протекает в диффузионном режиме.
В общем случае, когда /См.каж ~[S], т. е. кинетика ферментативной реакции
характеризуется дробным порядком по субстрату, несмотря иа существенно
более громоздкие выражения, по-прежнему справедлив вывод о двух режимах
протекания ферментативного процесса - кинетическом и диффузионном.
Можно ли решить заранее, в каком режиме, кинетическом или диффузионном,
будет протекать ферментативная реакция? Для этого прежде всего необходимо
оценить параметр р. Сравнив его со значением &кат[?]//См.каж, можно, в
принципе, сделать вывод о режиме (кинетическом или диффузионном)
протекания ферментативной реакции [см. уравнение (6)].
Этот путь, однако, дает слишком приближенные оценки, поэтому им
относительно редко пользуются на практике. Чаще используют
экспериментальные критерии. Рассмотрим основные из них.
Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.
Как уже отмечалось, в условиях насыщения иммобилизованного фермента
субстратом, т. е. при достаточно высоких его концентрациях,
ферментативный процесс, в принципе, не может контролироваться диффузией
субстрата, и, следовательно, реакция протекает в кинетической области.
Однако по мере уменьшения концентрации субстрата повышается вероятность
перехода реакционной системы в диффузионную область. Поэтому по
экспериментальной зависимости о от S в координатах Лайнуивера - Берка
(рис. 15) наблюдается четко выраженный излом: при концентрациях субстрата
выше значения в точке излома (т. е. при низких значениях 1/[S]) реакция
проходит в кинетическом режиме - прямая 1, а при низких концентрациях
субстрата (высоких значениях 1/[S]) в диффузионном режиме-прямая 2. Таким
103
ф
1/[S]
Рис. 15. Гипотетическая зависимость скорости реакции, катализируемой
иммобилизованным ферментом, от концентрации субстрата в ко1 ординатах
Лайнуивера-Берка, осложненная внешнеднффузионными ограничениями
образом, если для иммобилизованного фермента в координатах Лайнуивера -
Берка получена зависимость, аналогичная представленной на рис. 15, это
является существенным указанием на то, что диффузия играет в процессе
важную роль.
Температурные зависимости. Ферментативные реакции характеризуются обычно
энергиями активации порядка 40-120 кДж/моль. В то же время скорость
процессов, протекающих в диффузионной области, должна слабо зависеть от
температуры-, поскольку единственный чувствительный к тем.пературе
параметр D характеризуется энергией активации порядка 15-20 кДж/моль.
Следовательно, слабая зависимость скорости реакции, катализируемой
