Катализ гомогенный и гетерогенный. Ферментативный катализ. Уравнение Михаэлиса-Ментен.

Катализ – явление повышения скорости химического процес­са с помощью катализаторов.

Катализаторы - это вещества, которые увеличивают скорость химических процессов, не изменяясь при этом ни качественно (химический состав), ни количественно.

Катализатор может изменять не только скорость химического процесса, но и его направление.

В зависимости от природы катализатора из одних и тех же ве­ществ образуются различные продукты:

(ZnO, Сг₂О₃)

СН₃ОН

(ZnO, Сг₂О₃, КОН)

СО + Н₂ С₂Н₅-ОН

(Ni)

СН₄ + Н₂О

Существует явление автокатализа, когда катализатором является один из продуктов реакции.

Каталитические реакции - это процессы, в которых принимают участие катализаторы.

Биохимические процессы - это каталитические реакции, в которых в качестве катализаторов принимают участие специфические вещества - ферменты, или энзимы, и потому эти процессы част называют ферментативными.

Исследование ферментативных процессов как в норме, так и
при патологии необходимо для более глубокого понимания особен­ностей специфики обменных процессов в организме с целью на­учиться управлять ими. Достижения энзимологии- учения о фер­ментах - нашли практическое применение в различных областях
народного хозяйства - пищевой, легкой промышленности, сельском хозяйстве и, в особенности, в медицине.

Возникла новая область медицины - медицинская энзимология, включающая следующие разделы: энзимодиагностику (исследование ферментов в биологических жидкостях и тканях с диагностической и прогностической целью); энзимопатологию (использование фер­ментов для изучения патогенеза ряда заболеваний); энзимотерапию (применение ферментов, их активаторов и ингибиторов с лечебной целью).

Новым направлением энзимотерапии является системная энзи-мотерапия- применение комбинированных ферментов животного и растительного происхождения перорально.

В зависимости от того, в какой фазе находится катализатор, различают гетерогенный и гомогенный катализ. В случае гомогенно­го катализа катализатор и вещества, принимающие участие в реак­ции, образуют одну фазу. Например, разложение раствора пероксида водорода при наличии ионов меди (II) как катализатора:

Cu²⁺

2H₂O₂ 2H₂O + O₂

В случае гетерогенного катализа катализатор находится в систе­ме в виде самостоятельной фазы:

V₂O₅ или Pt

2SO₂ (г) + O₂ (г) 2SO₃ (г)

Ферменты относят к микрогетерогенным катализаторам. Мик-рогетерогенный- это такой тип катализа, когда катализатор и реагенты находятся в коллоидно-дисперсном состоянии. Размеры частичек ферментов близки к размерам мицелл коллоидных растворов – 1-100 нм. По отношению к субстратам, частички которых часто намного меньше, катализаторы являются гетерогенными.

Действие катализатора связано с тем, что он снижает энергию активации реакции. При наличии катализатора реакция проходит через другие промежуточные стадии, чем в его отсутствие, причем эти стадии энергетически более доступны. При наличии катализатора возникают другие активированные комплексы; при этом для их образования нужно меньше энергии, чем для образования активированных комплексов, возникающих в отсутствие катализатора.

Механизмы действия катализаторов исключительно сложны, почти каждому катализатору соответствует свой механизм, хотя присущи и общие черты:

А + В → А... В → АВ

активированный

комплекс

Введем в эту систему катализатор К:

А + К → А... К → АК,

активированный

комплекс

АК + В → АК... В → АВ + К

Наличие катализатора в обратимом процессе не смещает равно­весие. В этом случае катализатор в равной степени повышает ско­рость как прямой, так и обратной реакций.

Существуют вещества, которые, в отличие от катализаторов, за­медляют или вообще прекращают ход химических реакций, - это ингибиторы. К ингибиторам можно отнести: вещества, выделяю­щиеся организмом и замедляющие развитие особей того или друго­го вида; естественные или синтетические соединения, угнетающие активность ферментов или полностью прекращающие их деятель­ность; любой реагент, тормозящий какой-либо биологический про­цесс. Например, пространственно экранированные фенолы ингибируют развитие злокачественных опухолей, а уротропин - корро­зию металлов.

В настоящее время известно много лекарственных препаратов, действующих как ингибиторы.

Вещества, активизирующие действие катализаторов, в частное биокатализаторов, называют активаторами. Некоторые вещества замедляют или прекращают действие катализаторов. Это ингибиторы катализаторов, каталитические яды. Есть вещества, восстанавливающие действие катализаторов, - реактиваторы катализаторов.

Активация и ингибирование проявляются и в ферментативных процессах. Так, наличие в реакционной среде примесей NaCl способствует быстрому гидролизу крахмала до глюкозы ферментами слюны - амилазой и мальтазой. Наличие в такой среде, например, CuSO₄ ингибирует каталитический процесс расщепления крахмала ферментами слюны, так как их молекулы денатурируют и гидролиз не происходит.

Катализаторы, действующие в биосистемах, специфичны. Роль биокатализаторов (ферментов) часто выполняют белки, содержащие в активных центрах ионы металлов (металлоферменты). Например, в состав инсулина входит ион цинка, а витамина В₁₂ - ион кобальта (III).

Уравнение Михаэлиса-Ментен:

V = Vmax×[S]/(Km+[S])