22. Ферментативный катализ.

Ферментативный катализ – каталитические реакции, протекающие с участием ферментов – биологических катализаторов белковой природы.

Ферментативный катализ имеет характерные особенности:

1. Высокая активность.

2. Высокая специфичность.

3. Характерной особенностью действия ферментов является также высокая чувствительность активности ферментов к внешним условиям – рН среды и температуре.

По своей каталитической активности биологические катализаторы в тысячи раз превышают неорганические.

Согласно общепринятым представлениям о механизме ферментативного катализа, субстрат S и фермент Е находятся в равновесии с очень быстро образующимся фермент-субстратным комплексом ЕS, который сравнительно медленно распадается на продукт реакции P с выделением свободного фермента; таким образом, стадия распада фермент-субстратного комплекса на продукты реакции является лимитирующей:

где E, S – фермент и субстрат; P – продукт реакции; ES – фермент-субстратный комплекс.

Такой химический механизм иногда называют механизмом «замок- ключ», так как он требует точного геометрического соответствия между молекулой субстрата и активным центром.

Скорость ферментативного процесса можно рассчитать по уравнению Михаэлиса-Ментен:

где С(S) – концентрация субстрата; v _max – максимальная скорость реакции, то есть скорость, когда весь фермент находится в составе фермент-субстратного комплекса.

Здесь kS – константа Михаэлиса, по физическому смыслу численно равная концентрации субстрата, при которой стационарная скорость равна половине максимальной

Константа Михаэлиса служит мерой сродства между субстратом и ферментом: чем меньше k_S, тем больше их способность к образованию фермент-субстратного комплекса.

Ферментативный катализ играет огромную роль в жизнедеятельности организма. Широкое применение получили ферментные препараты при нарушениях функции желудочно-кишечного тракта, связанных с недостаточной выработкой пищеварительных ферментов (пепсин, панкреатин). При ожогах, гнойных ранах, гнойно-воспалительных заболеваниях легких, когда необходимо разрушить накопившиеся в большом количестве белковые образования, применяются протолитические ферменты, приводящие к быстрому гидролизу белков и способствующие рассасыванию гнойных скоплений.

Для лечения инфекционных заболеваний используются препараты лизоцина, которые разрушают оболочку некоторых болезнетворных бактерий. Очень важные ферменты, которые рассасывают тромбы (сгустки крови внутри кровеносных сосудов) – плазмин, трипсин, химотрипсин, на их основе с разными добавками созданы различные лекарственные препараты – стрептокиназа, стрептаза и т.п., широко применяемые в медицине.

23. Электродные потенциалы и механизм их возникновения. Строение двойного электрического слоя.

Электрод – система, состоящая из контактирующих проводников первого рода и второго рода, на межфазной границе которых возникает двойной электрический слой.

Потенциалы, возникающие на металлах, погруженных в растворы собственных солей, называются электродными потенциалами.

Причиной возникновения электродного потенциала является переход некоторого количества металла в раствор в виде положительно заряженных ионов как результат взаимодействия металла с диполями воды:

Величина электродного потенциала металлического электрода зависит от температуры и активности (концентрации) иона металла в растворе, в который опущен электрод; математически эта зависимсть выражается уравнением Нернста (здесь F – постоянная Фарадея, Кл/моль, n – заряд иона, – активность потенциалопределяющих ионов металла в растворе, моль/л):

В уравнении Нернста φ0 – стандартный электродный потенциал, равный потенциалу электрода при активности иона металла, равной 1 моль/л. Стандартные электродные потенциалы электродов в водных растворах составляют ряд напряжений. Величина φ0 есть мера способности окисленной формы элемента или иона принимать электроны, то есть восстанавливаться. Иногда различием между концентрацией и активностью иона в растворе пренебрегают, и в уравнении Нернста под знаком логарифма находится концентрация ионов в растворе.

Для того чтобы, можно было сравнить электродные потенциалы, возникающие в различных электродах, необходимо выбрать точку отсчета. За такую точку приняли потенциал водородного электрода, величину которого считают равной 0. На основе этого, построен ряд стандартных электродных потенциалов металлов (ряд активности металлов).

В качестве условно-нулевого потенциала выбран потенциал стандартного водородного электрода: Н⁺ | (H₂)Pt, в котором давление продуваемого водорода равно 1 атм, а активность ионов водорода в растворе равна 1.

Электродная реакция:

Строение ЭДС

Если две фазы имеют заряженные частицы, то при контакте этих двух фаз на границе раздела происходит переход или перераспределение заряженных частиц. В результате каждая из фаз приобретает заряд определенного знака или свой электрический потенциал φ, а на границе раздела фаз возникает двойной электрический слой – ДЭС, в котором есть две обкладки из противоположных зарядов. Появление ДЭС характеризуется наличием определенного скачка, или разности, электрических потенциалов в двух фазах.

Двойной электрический слой образуется в результате обмена ионами при погружении металлов и других материалов в воду или водные растворы.

Согласно современной теории структуру ДЭС составляют два слоя:

• Слой Гельмгольца или адсорбционный слой имеет толщину δ. Ионы, переход которых через границу раздела фаз обеспечивает образование двойного электрического слоя, называются потенциалопределяющими ионами.

• Диффузный слой или слой Гуи содержит противоионы. Диффузный слой имеет толщину λ. Возникновение двойного электрического слоя приводит к тому, что поверхностные слои каждой из соприкасающихся фаз приобретают определенный заряд. Он характеризуется некоторым электрическим потенциалом φ.

Существует несколько характеристических потенциалов:

• Потенциал диффузного слоя φδ, соответствующий границе адсорбционного и диффузного слоёв.

• Потенциал φx=λ, меньший, чем φδ в e раз и характеризующий толщину диффузного слоя.

• Электрокинетический потенциал или дзета-потенциал ζ. Этот потенциал соответствует плоскости скольжения и является частью потенциала диффузного слоя. Дзета-потенциал является одной из важнейших характеристик двойного электрического слоя.