Практический курс химической и ферментативной кинетики - Березин И.В.
Скачать (прямая ссылка):
U - , (12.14)
где гА и — заряды взаимодействующих ионов; е — заряд электрона; е — диэлектрическая проницаемость среды; г — межионное расстояние (г>а). В этом случае из уравнения (12.13) нетрудно получить выражение, описывающее влияние диффузии на эффективную скорость реакции между двумя ионами:
,_______________________k________________
ЭФФ kekB Т {[ехр (zA гв e2JeckB /')]_!} '
1 + -
4*D*а гв,
Если реакция диффузионно-контролируемая, то
4r.D zAzBe2
к*ФФ = tkB Т {[exp (zA e'leck,, Т)] - 1} • <
Выражение (12.15) можно записать в виде
Азфф-^Da-^, (12.16)
где
(12.17)
ЕЙВ Т О
Если хотя бы один из двух реагентов не является ионом, то zAzB=0, 6 = 0 и выражение (12.16) переходит в (12.12), справедливое для незаряженных реагентов.
В заключение отметим, что для некоторых реакций переноса протона экспериментальные значения &Эфф значительно превышают теоретически предсказанные. Это можно объяснить наличием туннельного эффекта. Поскольку, согласно де Бройлю, частица с массой т является в то же время волной длины h/mv, где v — скорость частицы, то представление о движении частицы, преодолевающей энергетический барьер, можно заменить представлением о волне, падающей на энергетический барьер. Из квантовомеханических расчетов следует, что даже для системы, энергия которой меньше величины энергетического барьера, имеется конечная вероятность проникновения через барьер. Эта вероятность тем больше, чем меньше масса частицы и ее энергия. При обычных температурах'туннельный эффект имеет место, пс-видимому, лишь в некоторых окислительно-восстановительных реакциях (туннелирование электрона) и в некоторых реакциях переноса протона или дейтерия. Можно полагать, что роль туннельного эффекта в кинетике химических реакций является значительной лишь при сверхнизких температурах, когда энергия частиц мала.
§ 3. Роль диффузии в реакциях, катализируемых иммобилизованными ферментами
Иммобилизованными ферментами называются ферменты, переведенные в нерастворимое состояние с сохранением (частичным или полным) их каталитической активности. Для иммобилизации ферментов применяют следующие методы:
1. Ковалентное присоединение фермента к водонерастворимому носителю (целлюлоза, стекло, бумага, ткань, пластмассы и т. д.).
2. Захват фермента в сетку геля или полимера.
3. Адсорбция фермента на твердой поверхности.
4. Ковалентная сшивка молекул фермента друг с другом при помощи какого-либо полифункционального реагента (например, глутарсвого альдегида).
5. Микрокапсулирование фермента (помещение раствора фермента в полупроницаемые капсулы размером 5-—300 мкм).
Рассмотрим гранулу иммобилизованного фермента, помещенную в раствор субстрата. Для осуществления ферментативной реакции субстрату необходимо, во-первых, подойти к грануле. Это перемещение молекулы субстрата происходит обычно не за счет молекулярной диффузии, а за счет конвективного движения, скорость которого намного выше скорости диффузии. Во-вторых, молекуле субстрата необходимо продиффупдировать через неперемешиваю-щийся слой жидкости (слой Нернста), прилегающий к поверхности в любой гетерогенной системе. В этом слое происходит лишь молекулярная диффузия при отсутствии конвективного движения, что значительно замедляет общий процесс. Толщина слоя Нернста
(несколько долей миллиметра в водных растворах) уменьшается при перемешивании. Наконец, молекулам субстрата необходимо продиффундировать через поры гетерогенного носителя (или через пространственную сетку геля) для подхода непосредственно к молекулам фермента.
Рассмотрение первых двух процессов входит в круг вопросов, решаемых не физической химией, а гидродинамикой. Мы проанализируем здесь третью проблему, а именно: влияние диффузии субстрата в гранулу иммобилизованного фермента на кинетические параметры ферментативной реакции.
Рассмотрим следующую модель. Имеется плоская мембрана, толщина которой равна / и площадь поверхности А, содержащая иммобилизованный фермент с концентрацией в мембране [Е]0. Мембрана погружена в раствор субстрата, концентрация которого равна [S]o. Коэффициент распределения субстрата между раствором и мембраной равен Р. Требуется найти зависимость между скоростью появления продукта в растворе и кинетическими параметрами (йКат и Кт(каж)) ферментативной реакции. Подробный анализ этой модели приводится в работах [4, 5]. Если скорость ферментативной реакции мала по сравнению со скоростью диффузии и концентрация фермента мала по сравнению с концентрацией субстрата, начальная скорость ферментативной реакции на единицу объема мембраны будет равна
^ __ ^кат [Е0] [SJq
Кт (каж) г<;, р Т PJo
