Реакція

S₁+ S₂ → Р₁+Р₂ (1)

має назву бімолекулярної, тому що в хімічному перетворенні одночасно беруть участь дві різні молекули (S₁ і S₂). Швидкістю реакції називають зміну концентрації реагуючих молекул в одиницю часу:

d[S₁] d[S₂] d[P₁] d[P₂] . (2)

V= - dt = dt = dt = dt

При розгляді простих гомогенних реакцій звичайно користуються статистичною моделлю активних зіткнень реагуючих молекул. При цьому думають, що поведінка молекул у розведеному розчині в першому наближенні може бути описана законами для ідеальних газів. У цьому випадку швидкість перетворення речовини пропорційна концентрації реагуючих молекул (S₁ і S₂):

V= - = k[S₁] [S₂] . (3)

Коефіцієнт пропорційності k називають константою швидкості реакції. Якщо концентрація однієї з реагуючих речовин (наприклад, S₂) багато більше іншої (S₁), то зміною S₂ у ході реакції можна зневажити. Тоді:

- = k`[S₁], при [S₂]>>[S₁],

(4)

де k = до[S₂ ] і [S₂] = const.

У цьому випадку говорять, що бімолекулярна реакція (1) підкоряється кінетичному рівнянню псевдомолекулярної реакції (4).

Фізичний зміст константи швидкості хімічної реакції стає ясним, якщо врахувати, що для хімічного перетворення необхідне одночасне виконання наступних умов:

1) молекули S₁ і S₂ повинні зустрітися в одній крапці простору.

2) кінетична енергія молекул у момент зіткнення повинна бути достатньою для перебудови хімічних зв'язків у молекулах S₁ і S₂

3) молекули, що зустрілися, які володіють достатньою кінетичною енергією, повинні бути орієнтовані в просторі таким чином, щоб відбувалося зближення їх реакційних центрів.

Таким чином,

К’ = Q*A*B, (5)

де Q – характеризує частоту зіткнень молекул S₁ і S₂ при даній температурі; А – характеризує кінетичну енергію молекул S₁ і S₂ у момент зіткнення, В – характеризує просторову орієнтацію молекул при зустрічі.

Величина Q - залежить від відстані між центрами реагуючих молекул, необхідної для реакції, їх молекулярної маси й температури:

Q ~ r²* , (6)

де Т - абсолютна температура;

k - константа Больцмана;

М_S1 і М_S2 – молекулярна маса для S₁ і S₂ відповідно. Імовірність володіння необхідною енергією Е ⁺⁺ визначається величиною

^, (7)

A ~ e

де R - універсальна газова постійна,

Т - абсолютна температура,

е - основа натуральних логарифмів.

Величина Е⁺⁺ називається енергією активації реакції.

У свою чергу, імовірність належної орієнтації молекул у момент активного зіткнення (Б) визначається ентропією активації Е ⁺⁺ :

 , (8)

B = e

Таким чином, для реакції (1), що протікає в умовах, характерних для псевдомономолекулярних реакцій:

V= - = k`*[S₁] = r²* 8 п k T ( + ) * e^ * e^ * [S₁] . (9)

Видно, що два параметри реакції – частота зіткнень і кінетична енергія молекули – залежать від температури. Оскільки температура входить у показник експоненти, її вплив на швидкість реакції, в основному, визначається впливом на кінетичну енергію реагуючих часток. Для звичайних хімічних реакцій, що мають енергію активації близько 10-20 ккал/моль, швидкість перетворення міняється в 2-3 рази при зміні температури на 10°С.

Після розгляду закономірностей хімічних перетворень студент повинен познайомитися з основними поданнями про каталіз.

Каталізаторами називають речовини, що збільшують швидкість хімічних реакцій і не впливають на положення їх рівноваги. Тому як концентрація каталізатора звичайно буває багато меншою концентрації перетворюючих молекул, вплив каталізатора зводиться до зміни константи швидкості реакції. При цьому каталізатор, залежно від конкретного механізму його дії, може збільшувати константу швидкості реакції як зменшуючи енергію активації (Е ⁺⁺ ), так і збільшуючи ймовірність необхідної орієнтації молекул (вплив на Е ⁺⁺). Останній випадок часто зустрічається при розгляді реакцій, у яких каталізатором служить велика молекула полімеру (ферментативний каталіз). У присутності каталізатора реакція одночасно протікає за двома механізмами:

S k

P

k_кат

P

Співвідношення між к_кат і  у випадку біологічних каталізаторів (ферментів) звичайно таке, що швидкість реакції "некаталітичного" перетворення пренебрежимо мале, тому протікання реакції з константою швидкості й звичайно не розглядають. Формально, для будь-якої каталітичної реакції за участю каталізатора послідовність перетворень може бути описана наступною схемою:

_{k+1 k2}

S + E ↔ ES→E+P

^k-1

Зміна шляху реакції тягне утворення комплексу Е'S, забезпечує зниження енергії активації або необхідну орієнтацію реагуючих молекул.

Розгляд завдання про залежність швидкості реакції від концентрацій S і Е в загальному виді досить складний. За звичаєм при рішенні цього завдання користуються наступними наближеннями.

1) Реакція розглядається в стаціонарному стані (не плутати зі станом термодинамічної рівноваги), коли швидкості утворення й розпаду комплексу ES рівні, а концентрація ЕS постійна в ході реакції.

2) Вважають, що [E]>>[S], так що в стаціонарному стані зміною концентрації [S] за рахунок утворення ES зневажають.

3) Реакцію розглядають удалині від положення рівноваги, так що утворення продукту реакції Р можна вважати незворотним. Швидкість витрати речовини S (або утворення продукту Р) забезпечується мономолекулярною реакцією з константою швидкості ₂ :

 = ₂[S] . (10)

Концентрація ЕS може бути визначена як функція S і E з рівняння, яке описує стаціонарний стан:

= 0 . (11)

Концентрація комплексу ES постійна, отже її зміна в часі дорівнює нулю. З іншої сторони:

= k₊₁[S] [E] – k_-1[ES] – k₂[ES] . (12)

Комбінуючи (11) і (12), отримуємо:

k₊₁[S] [E] – k_-1[ES] – k₂[ES] = 0 (13)

Концентрації E і S пов'язані із загальними концентраціями компонентів E₀ і S₀ у такий спосіб:

[E₀] = [E] + [ES], (14)

[S₀] = [S] + [ES] . (15)

Тому як за умовою завдання [E₀] « [S₀] , можна вважати, що [S₀] ~ [S] Тоді, використовуючи рівняння (14), рівняння (13) можна записати у вигляді:

k₊₁[S₀] {[E₀] – [ES]} – k_-1[ES] – k₂[ES] = 0 (16)

або

k₊₁[S₀] [E₀] – k₊₁[S₀][ES] – k_-1[ES] – k₂[ES] = 0 , (17)

звідки після спрощення отримаємо:

[ES] = . (18)

Постійний член у знаменнику за звичаєм позначають як Km (константа Міхаеліса):

Km = . (19)

Рівняння (18) тоді можна записати у вигляді:

[ES] = . (20)

Підставляючи рівняння для стаціонарної концентрації ES у вихідне рівняння для швидкості каталітичної реакції (10) , одержуємо:

V = k₂ . (21)

Рівняння (21) показує, що при [S₀] « Km швидкість реакції лінійно зростає при збільшенні концентрації [S]. При [S₀] > Km швидкість реакції при збільшенні концентрації реагенту асимптотично наближається до постійної величини. Останню часто позначають Vmax.

Vmax = k₂[Е₀].

Важливо розуміти, що K_m відрізняється від константи дисоціації комплексу ES на величину k₂. Для деяких реакцій, коли k₂<<k₊₁, можна вважати, що Кm ~ Кs , де Ks – константа дисоціації комплексу ES . Але у загальному випадку це невірно, і величина Кm, легко обумовлена експериментально, не може служити критерієм "спорідненості" каталізатора Е до реагуючої сполуки S.

Для вивчення процесів обміну речовин велике значення має знання хімічної природи, властивостей і механізму дії ферментів.

За своєю хімічною природою ферменти можуть бути як простими, так і складними білками. Білкова частина ферменту одержала назву апофермент, небілкова - кофермент. Хімічна будова коферментів, їх функції і механізм дії дуже різноманітні. У побудові коферментів беруть участь похідні ряду вітамінів, нуклеотиди, залізопорфіринові структури та інші органічні сполуки.

Коферменти за їхніми функціями у ферментативному каталізі прийнято ділити на 3 основні групи:

1. Коферменти - переносники водню і електронів.

2. Коферменти - переносники угруповань.

3. Коферменти синтезу, ізомеризації й розщеплення вуглець-вуглецевих зв'язків ( - С - С - ).

Ферменти мають фізико-хімічні властивості, характерні для білків. Особливостями структури білкової молекули ферментів, гнучкістю їх третинної й четвертинної структур пояснюються такі властивості ферментів, як залежність активності від температури, від величини рН і висока специфічність дії. На активність ферментів впливає наявність у навколишньому середовищі різних хімічних сполук, які можуть або підвищувати (активатори), або знижувати (інгібітори) активність ферментів. Для позначення активаторів і інгібіторів часто користуються термінами ефектори або модифікатори.

В утворенні фермент-субстратного комплексу бере участь невелика частина молекули ферменту, яка має назву активний центр. Функціональні групи активного центра вступають у сполучання із субстратом і беруть участь у каталізі. Теорія "ключа і замка", запропонована Е. Фішером, пояснює специфічність ферменту стосовно певного субстрату тим, що активний центр ферменту має жорстку структуру, суворо комплементарну молекулярній структурі субстрату. Останнім часом широке визнання одержала гіпотеза рухливого активного центра Д. Кошланда: взаємодія субстрату з ферментом приводить до зміни конформацій активного центра й утворенню комплементарної структури між активним центром і субстратом.

Багато ферментів крім активного (каталітичного центра) містять ще один або декілька регуляторних, або алостеричних центрів, просторово віддалених від активного. Каталітична активність ферментів залежить від різних впливів, які викликають конформаційні зміни як в активному, так і в алостеричних центрах. Пов'язування ефектора з алостеричним центром може викликати конформаційні зміни в молекулі ферменту, які приводять до змін у структурі активного центра; у результаті активність ферменту або збільшується (активація), або зменшується (інгібірування). Алостерична регуляція є найбільш широко розповсюдженим і швидким (секунди) механізмом регуляції ферментативної активності. Прикладом може служити регуляція активності ключового алостеричного ферменту гліколізу - фосфофруктокінази. Найбільш важливий регулятор активності цього ферменту - один із субстратів реакції, а саме АТФ, здатний в умовах високої його концентрації зв'язуватися не тільки з активним центром, але й з алостеричним, що приводить до інгібірування ферменту. Іншим алостеричним інгібітором фосфофруктокінази є цитрат. До активаторів фосфофруктокінази відносяться АДФ, АМФ, а також другий субстрат реакції – фруктозо-6-фосфат. Прикладом дуже розповсюдженої регуляції активності ферменту продуктом реакції служить глікозо-6-фосфатаза печінки, яка забезпечує надходження глюкози в кров. Цей фермент інгібірується надлишком глюкози.

До швидких механізмів регуляції ферментативної активності відноситься ковалентна або хімічна модифікація ферментів. Так, наприклад, активність глікогенфосфорилази і глікогенсинтази - ключових ферментів обміну глікогену - регулюється шляхом фосфорилювання за рахунок АТФ при участі відповідних протеїнкіназ. При цьому глікогенфосфорилаза перетворюється в активну форму, а глікогенсинтаза - у неактивну. Дефосфорилювання цих ферментів каталізується специфічними протеїнфосфатазами. Ковалентна модифікація глютамінсинтетази - фермент синтезу глютаміну із глютамінової кислоти й аміаку - здійснюється шляхом переносу аденільной групи з АТФ на гідроксили залишків тирозину, що входять до складу 12-ти ідентичних субодиниць ферменту.

Регуляція активності деяких ферментів, зокрема протеолітичних, здійснюється шляхом обмеженого протеолізу. Відщеплення пептиду від неактивного проферменту приводить до зміни конформації молекули ферменту таким чином, що зближаються амінокислоти активного центра, і утворюється активна форма ферменту.

Більшість внутрішньоклітинних ферментів має олігомірну структуру. Одним з механізмів регуляції їх активності може бути процес дисоціації ферменту на неактивні субодиниці і реасоціації в активний олігомер. У деяких випадках дисоціація неактивного олігомірного ферменту супроводжується утворенням каталітично активних субодиниць.

Існують відносно повільний (години, дні) механізм регуляції, що реалізується на рівні синтезу ферментів, який приводить до зміни кількості ферменту в клітині. За цим механізмом діють деякі гормони – потужні регулятори метаболізму. Так, наприклад, стероїдні гормони, синтезовані корою наднирників, проникають у вигляді комплексу з білками в цитоплазму і ядро клітин-мішеней, де регулюють процеси транскрипції й трансляції – основні стадії біосинтезу білків, у тому числі й ферментів.