Химическое равновесие. Катализ и катализаторы. Ферменты как биологические катализаторы

1.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Тема: «Химическое равновесие.
Катализ и катализаторы.
Ферменты как
биологические катализаторы.»
Дисциплина: Физическая и коллоидная химия
Специальность: Фармация , Технология
фармацевтического производства
Лектор: ассоциированный профессор МАМБЕТЕРЗИНА
Г.К.

2. ПЛАН

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
ПЛАН
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Химическое равновесие. Математическое
выражение законов термодинамики для
равновесия химических процессов.
Принцип Ле Шателье
Классификация каталитических процессов
Механизм действия катализатора
Особенности и механизм действия ферментов
Показатель эффективности ферментативного
действия

3. Состояние химического равновесия

СОСТОЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО
РАВНОВЕСИЯ
Большинство химических реакций обратимо, что означает
возможность протекания обратной реакции.
Химическое равновесие – это состояние, когда скорость
прямой и обратной реакции равны:
аА+вВ dD+cC
V V
Термодинамическими признаками равновесия являются:
Энергетическая выгодность (минимальная энергия и
максимальная энтропия).
Отсутствие изменения параметров и функций состояния
системы: ∆С=0; ∆H=0; ∆S=0; ∆G=0

4.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Закон действующих масс (К. Гульдберг и П. Вааге
1867 г): для обратимого процесса отношение
произведения равновесных концентраций
продуктов реакции к произведению концентраций
реагирующих веществ, есть величина постоянная.
Она называется константой химического
равновесия.
аА+вВ dD+cC
Для процессов, протекающих в газовой фазе
константа равновесия (Кр) записывается с
использованием парциальных давлений:
с
d
p p
K p С a Db
p A pB
Для реакций в растворах (Кс) – с использованием
равновесных концентраций:
c
d
сC с D
Kс
a
b
с A сB

5.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Изменение концентраций реагентов и продуктов в реакции
синтеза аммиака по мере достижения равновесия.
N2 + 3H2 2NH3 + 92 кДж
5

6.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Константа равновесия и
энергия Гиббса.
Константа
химического
связана с изменением
энергии
Гиббса
ΔG°
реакции уравнением
равновесия
стандартной
химической
ΔG°= -RT ln Kр
Если ΔG° < 0 в равновесной смеси
преобладают продукты взаимодействия.
Если же ΔG° > 0, то в равновесной
смеси преобладают исходные вещества.

7.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Влияние различных факторов на
состояние химического равновесия
определяется принципом Ле Шателье:
Если на систему находящуюся в
состоянии равновесия оказано
внешнее воздействие (путем
изменения температуры, давления
или концентрации), то в системе
происходит такое смещение
равновесия, которое ослабляет это
воздействие.

8.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Фармацевтическое значение:
• Прогнозирование направления реакций
синтеза лекарственных веществ
• Оценка стабильности лекарственных
препаратов при различных температурах
• Расчет оптимальных условий хранения
медикаментов
• Определение условий максимального выхода
целевого продукта

9.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Студенты Сорбонны, слушавшие лекции Ле-Шателье в 19071908 годах, так записывали в своих конспектах: "Изменение
любого фактора, могущего влиять на состояние химического
равновесия системы веществ, вызывает в ней реакцию,
стремящуюся противодействовать производимому
изменению. Повышение температуры вызывает реакцию,
стремящуюся понизить температуру, то есть идущую с
поглощением тепла. Увеличение давления вызывает реакцию,
стремящуюся вызвать уменьшение давления, то есть
сопровождающуюся уменьшением объема...".
К сожалению, Ле-Шателье не был удостоен Нобелевской
премии. Причина заключалась в том, что первоначально
премия присуждалась только авторам работ, выполненных
или получивших признание в год получения премии.
Важнейшие работы Ле Шателье были выполнены задолго
до 1901 года, когда состоялось первое присуждение
Нобелевских премий.

10.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
1. Влияние изменения температуры на смещение
равновесия
N2 + 3H2 2NH3 + 92 кдж
Экзотермическим реакциям благоприятствует
понижение температуры
+Q
экзотермическая
реакция
o
t
o
t

11.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Эндотермическим реакциям благоприятствует
повышение температуры
Со(Н2О)62+ + 4СI- ↔ СоСI42- + 6Н2О
розовый
голубой
-Q
эндотермическая
реакция
o
t
to
-Q

12.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
2. Влияние изменения концентрации.
N2 + 3H2 2NH3
C исх
C конечн
C исх
C конечн

13.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
3. Влияние изменения давления. N2+3H2 2NH3
Влияние давления для равновесных газовых
реакций определяется числом моль до реакции и
после:
P
n исх > n прод
P
P
nпрод > n исх
P
n кон=n исх - не влияет

14.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
4. Влияние кислотности среды на примере
гидролиза:
NH 4 H 2O
NH 4OH H
: OH
: H
OHщелочная среда
+HCl
+NaOH
H
+
кислая среда
+HCl
+NaOH

15.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
5. Катализ – это явление изменения
скорости реакции под влиянием веществ,
называемых катализаторами.
Катализаторы
это
вещества,
изменяющие скорость химической реакции, но
не изменяющиеся в ходе процесса ни
качественно, ни количественно.
Они не входят в состав продуктов реакции.

16. Классификация каталитических процессов

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
КЛАССИФИКАЦИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
По фазовому составу каталитические реакции
делятся:
- Гомогенный катализ (Исходные вещества и
катализатор находятся в одной фазе)
- Гетерогенный катализ (Реакционная смесь
и катализатор находятся в разных фазах).
Реакция протекает на границе двух фаз,
например, газ – твердый катализатор
- Ферментативный катализ ( Занимает
промежуточное положение между гомогенным
и гетерогенным катализом, часто относят к
микрогетерогенному)

17.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Гомогенный катализ - реакционная смесь
и
катализатор
образуют
одну
фазу
(газообразную или жидкую).
Пример: нитрозный способ получения Н2SО4
SО2 + NО2 = SО3 + NО
2NО + О2 = 2NО2
46

18.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Гетерогенный катализ - реакционная
смесь и катализатор образуют разные фазы.
Пример: контактный способ получения Н2SО4.
Очень большое значение в этом случае имеет
поверхность соприкосновения реакционной
массы с катализатором (площадь контакта).
Контактный способ получения Н2SО4
SO2+V2O5 → SO3 + 2VO2
4VO2 + O2 → 2V2O5
V2O5
53

19.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Практически
все
биохимические
реакции являются ферментативными.
Ферменты (биокатализаторы) –
это вещества белковой природы,
активированные катионами металлов.
Известно около 2000 различных ферментов,
~150 из них выделены, причем некоторые
используются в качестве лекарственных препаратов.

20.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Катализаторы
положительные
отрицательные
увеличивают
скорость
реакции
уменьшают
скорость
реакции

21.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Вещества, усиливающие действие
катализаторов, называются промоторами, а
ослабляющие - каталитическими ядами.
Ингибиторы
–
вещества,
уменьшающие скорость реакции, но
расходующиеся при этом сами.
С точки
зрения
теории
активированного
комплекса
механизм
действия
катализаторов в том, что они изменяют
высоту энергетического барьера химической
реакции.

22.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Без катализатора:
А + В ↔ А...В → АВ
В присутствии катализатора:
А + В + К↔ А...К...В → → АВ + К

23.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Механизм действия
катализатора
А + Кат→ [ А∙∙∙Кат ] → [ АКат ∙∙∙В] → D + Кат
Катализатор
вновь готов к работе

24.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Положительный катализатор снижает энергетический
барьер реакции
Энергия, кДж/моль
Без катализатора
С положительным
катализатором
Координата реакции

25.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Энергия, кДж/моль
Отрицательный катализатор повышает
энергетический барьер реакции
С отрицательным катализатором
Без катализатора
Координата реакции

26.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Под воздействием положительного
катализатора
в
реакционной
смеси
возрастает доля активных молекул при
данной температуре. Скорость реакции
увеличивается.
Под воздействием отрицательного
катализатора
в
реакционной
смеси
снижается доля активных молекул при
данной температуре. Скорость реакции
уменьшается.

27.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Реакция
С2Н4 +H2→
→С2Н6
2H2O2→2H2O
+O2
Еак, кДж/моль
без
с катализакаталитором
затора
180
40
750
55
Катализ
а-тор
Pt
I2

28.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Частным случаем катализа является
автокатализ: катализатором служит один из
продуктов реакции.
Пример автокаталитической реакции:
2 KMnO4 + 5 H2C2O4 +
+3 H2SO4 → 2 MnSO4 +
+10 CO2 + K2SO4 + 8 H2O
Катализатор: Mn2+

29.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Концентрация, моль/л
Кинетическая кривая автокаталитической
реакции
время

30.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Катализаторы широко применяются в
химической промышленности. В США рынок
катализаторов составляет ~2 млрд. $.
Однако
некоторые
каталитические
процессы
в
природе
оказываются
разрушительными для ОС.
Разрушение озонового слоя Земли
–
пример
гомогенного
катализа,
протекающего в атмосфере под воздействием
фреонов.

31.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Фреоны – это фторо-хлороуглеводороды
(СF2Cl2), применяемые как хладагенты. При
обычных условиях они отличаются высокой
устойчивостью к разложению.
В атмосфере происходит разложение
фреонов под воздействием ультрафиолетового
излучения солнца:
CF2Cl2 CF2Cl• + Cl
Cl• - катализатор разложения озона

32.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Без катализатора процесс протекает по
схеме:
O3 + O • 2 O2
Eак = 17,1 кДж/моль
В присутствии катализатора:
O3 + Cl• ClO• +O2 Eак= 2,1 кДж/моль
ClO• + O• Cl • + O2 Eак = 0,4 кДж/моль
Cl
O3 + O• 2 O2

33.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Присутствие катализатора существенно снижает
энергетический барьер реакции, увеличивая скорость
разложения озона.
О3+ О
2О2
Координата реакции

34.

Ферменты отличаются от обычных
катализаторов:
а) более высокой каталитической
активностью;
б) высокой специфичностью, т.е.
избирательностью действия.

35.

36.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»

37.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Основные стадии биокатализа
1. Присоединение субстрата (S) к ферменту (Е) с
образованием фермент –субстратного комплекса
ЕS.
2. Преобразование фермент – субстратного
комплекса в один или несколько переходных
комплексов (Е-Х) за одну или несколько стадий
3. Превращение переходного комплекса в
комплекс фермент – продукт (Е-Р)
4. Отделение конечных продуктов от фермента.

38.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»

39.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Влияние кислотности среды на активность ферментов
Оптимальные значения рН для некоторых ферментов
Фермент
Субстрат
рН
-фруктофуранозидаза
Сахароза
4,5-6,6
Уреаза
Мочевина
6,7
Попаин
Белок
5,0
Пепсин
Белок
1,5-2,0
Аргиназа
Аргинин
9,5-9,9

40.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Влияние температуры на скорость ферментативных
реакций

41.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Влияние концентрации фермента на скорость
реакций
Схема ферментативного процесса
E S
k1
k2
ES
E P
k3
Е – фермент (энзим)
S – субстрат
ES – фермент-субстратный комплекс
P – продукт реакции
k1 , k2 , k3 – константы скоростей реакций

42.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Число оборотов фермента
Эффективность
ферментативного
действия
определяется константой k3 - числом оборотов фермента
– количеством моль субстрата, превращаемых в продукт
в единицу времени.
k1
E S
k2
ES
k3
E P
Для карбоангидразы К3 = 6·105 сек -1

43.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
E S
k1
k2
ES
E P
k3
43

44.

Уравнение Михаэлиса и Ментен
Vmax ·[S ]
V
K m [S ]
Кm - константа Михаэлиса
- численно равна концентрации субстрата, при которой скорость
реакции составляет половину от максимальной
k2 k3
Km
k1
Кm- зависит от рН, температуры и природы субстрата.

45.

Vmax ·[S]
V
K m [S]
При [ S ] = Кm
Vmax
V
2
При [ S ]<< Кm
Vmax ·[S]
V
Km
При [ S ] >> Кm
V0 Vmax
Vmax соответствует концентрации субстрата, когда активные
центры всех молекул фермента насыщены молекулами субстрата.

46.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Физический смысл константы Михаэлиса
E S
k1
k2
Vmax ·[S]
V
K m [S]
ES
E P
k3
k2 k3
Km
k1
Константа Михаэлиса – Кm характеризует сродство фермента к
субстрату!
Высокое сродство достигается, когда k1>>k2, при этом
Кm – минимальна, а скорость реакции наибольшая.
Сравнивая значения Кm, можно определить, какой тип молекул
наиболее прочно связывается с ферментом.
Как правило, к таким молекулам относятся природные субстраты.

47.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
1) При низкой
KM >> S ,
поэтому
=
концентрации
max
KM
субстрата
S
Кинетическое уравнение
реакции 1-го порядка

48.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
2) При высокой концентрации субстрата
Км << [S], поэтому
= max
Кинетическое уравнение реакции
0-го порядка

49.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Кинетическая кривая ферментативной реакции
Реакция
нулевого
порядка
Реакция
первого
порядка
[S]

50.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
3) Если
=
[S] = КМ, то
max
2
,
что позволяет графически
определять Км

51.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Для
большинства
ферментов
оптимальные значения рН совпадают с
физиологическими значениями (7,3-7,4).
Однако существуют ферменты, для
нормального функционирования которых
нужна сильнокислая (пепсин – 1,5-2,5) или
достаточно щелочная среда (аргиназа – 9,59,9).

52.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Значение ферментативных реакций
Применение
ферментов
лекарственных препаратов;
в
качестве
Разработка методов диагностики с помощью
ферментов;
Производство антибиотиков;
Синтез окси- и аминокислот, гидролиз крахмала;
Изготовление кисломолочных продуктов, сыра,
алкогольных напитков, обработка фруктов и
овощей;

53.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Применение ферментов в фармацевтическом производстве
Готовые лекарственные формы
Синтез лекарственных субстанций
Заместительная терапия: панкреатин,
Асимметрический синтез: получение
хиральных интермедиатов для антибиотиков, лактаза, гиалуронидаза
противовирусных препаратов
Противоопухолевые препараты: LМодификация антибиотиков:
аспарагиназа, коллагеназа
ацилирование/деацилирование βТромболитики: стрептокиназа, урокиназа
лактамов
Противовоспалительные: трипсин,
Гидролиз/этерификация: получение
химотрипсин, бромелаин
противовоспалительных средств
Энзимотерапия: системные ферментные
Аналитические методы
препараты (вобэнзим)
Ферментные иммуноанализы:
Биотехнологические процессы
количественное определение лекарств
Иммобилизованные ферменты:
Биосенсоры: мониторинг процессов в
непрерывные процессы синтеза
реальном времени
Биокатализ в неводных средах:
расширение спектра реакций
Определение стереочистоты:
энантиоселективные ферменты

54.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Современные тенденции в использовании ферментов
Белковая инженерия
Направленная эволюция: создание
ферментов с новыми свойствами
Рациональный дизайн: изменение
структуры активного центра
De novo дизайн: создание ферментов с
нуля
Химерные ферменты:
комбинирование функциональных
доменов
Расширение условий применения
Органические растворители:
неводный биокатализ
Сверхкритические флюиды:
экологичная альтернатива
Ионные жидкости: новые реакционные
Технологии иммобилизации
Ковалентная иммобилизация: на
различных носителях
Кросс-сшивание: образование
нерастворимых агрегатов (CLEA)
Инкапсуляция: в полимерные капсулы
и липосомы
Магнитные наночастицы:
упрощение выделения из
реакционной смеси
Новые подходы
Каскадные реакции:
мультиферментные процессы без
выделения промежуточных продуктов
Компьютерный дизайн:
моделирование и оптимизация
структуры

55.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Спасибо за внимание!