Современные представления о механизмах действия ферментов.

Первая теория ферментативного катализа была выдвинута в начале 20 века Варбургом и Бейлисом. Эта теория предлагала считать, что фермент адсорбирует на себе субстрат, и называлась адсорбционной, но развития она не получила.

В основу современной теории положена теория Михаэлеса и Ментена. Ведущую роль в механизме ферментативного катализа играет образование фермент-субстратного комплекса. По этой теории весь процесс катализа можно разделить на 3 этапа:

1 этап: образование фермент-субстратного комплекса (на рис. до ES включительно). Происходит диффузия субстрата к ферменту и субстрат, в соответствии с принципом комплиментарности, связывается с активным центром фермента – образуется фермент-субстратный комплекс. Реагенты связаны слабыми связями, т.е. водородными, ионными, гидрофобными, в некоторых случаях и ковалентными. Эта стадия непродолжительна, зависит от концентрации субстрата и от скорости диффузии его к активному центру. Энергия активации исходных веществ при этом изменяется незначительно. На этой стадии проявляется эффект концентрирования субстрата на поверхности фермента – эффект ориентации.

2 этап: (на рис. от ES до EP включительно) происходит последовательное преобразование первичного фермент-субстратного комплекса в 1 или несколько активированных. Эта стадия наиболее медленна, ее длительность зависит от величины энергии активации данной реакции. В эту стадию происходит разрыв старых связей и образование новых, при этом энергия активации значительно снижается. По продолжительности эта стадия является лимитирующей для всего процесса. На этой стадии проявляется эффект вынужденного соответствия – эффект «дыбы»: субстрат под действием фермента претерпевает изменения, делающие его более доступным для воздействия каталитического участка активного центра фермента. Одновременно с этим происходит изменение конформации фермента в большей степени в активном центре.

3 этап: отделение продуктов от активного центра фермента и диффузия их в окружающую среду. Эта стадия непродолжительна, ее скорость определяется скоростью диффузии продуктов в окружающую среду.

56. Типы фотохимических реакций

Реакции, протекающие под воздействием светового излучения, называются фотохимическими, а раздел, изучающий фотохимические превращения, – фотохимией.

Основной закон фотохимии – закон квантовой эквивалентности (А. Эйнштейн, 1912 г): каждый поглощенный квант света hν вызывает изменение одной молекулы.

Важнейшим параметром фотохимической реакции служит квантовый выход γ:

В зависимости от типа фотохимической реакции квантовый выход может меняться в широких пределах. Это связано с возможностью потери поглощенной энергии до фотопревращения. Если время существования фотовозбужденной молекулы и скорость фотодиссоциации совпадают, то γ ~ 1. При γ >> 1 фотореакция идет по цепному механизму. В частности, для реакции H₂ + Cl₂ = 2HCl γ = 10⁵.

Типы фотохимических реакций:

1. Фотодиссоциация (фотолиз) приводит к разложению исходного вещества, поглотившего световую энергию. Примерами реакции фоторазложения служат такие: разложение галогенидов серебра (основа серебряной фотографии), фотолиз паров ацетонаCH₃CO CH₃ → CO + другие продукты.

2. Фотосинтез приводит к образованию более сложных соединений. Примерами реакций фотосинтеза служат:

o фотосинтез озона в верхних слоях атмосферы, создающий защитный озоновый слой:

· фотосинтез органических соединений из углекислого газа, воды, минеральных веществ зелеными растениями. В частности, синтез глюкозы может быть описан уравнением:

Фотохромизм – явление обратимого изменения пространственного или электронного строения молекул под действием света, сопровождающееся изменением окраски вещества. На основе фотохромных материалов изготовляются линзы с переменным светопропусканием, оконные стекла, фотохромные системы на основе некоторых органических и координационных соединений.

 

Люминесценцией называют свечение тел, которое не может быть объяснено их тепловым излучением. Так, например, в видимой области спектра тепловое излучение становится заметным только при температуре ~10³-10⁴ К, а люминесцировать тело может при любой температуре. Поэтому люминесценцию часто называют холодным свечением. Одной из причин, вызывающих люминесценцию, является внешнее излучение, которое возбуждает молекулы тела. Например, падающий свет. После прекращения процесса облучения люминесцентное свечение не прекращается тотчас же, а продолжается еще некоторое время. Это последействие отличает люминесценцию от таких явлений, как отражение и рассеяние света.

люминесценция - излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний (10¹⁵ с).

ещества, способные превращать поглощаемую ими энергию в люминесцентное свечение, называют люминофорами.

Люминесценция - результат квантовых переходов в возбужденных атомах, молекулах, кристаллах. По виду возбуждения различают следующие типы люминесценции:

• фотолюминесценция - возникает при возбуждении атомов светом (ультрафиолетовые лучи и коротковолновая часть видимого света);

• рентгенолюминесценция - возникает при возбуждении атомов рентгеновским и γ -излучением (экраны рентгеновских аппаратов, индикаторы радиации);

• катодолюминесценция - возникает при возбуждении атомов электронами (кинескопы, экраны осциллографов, мониторов);

• радиолюминесценция - возникает при возбуждении атомов продуктами радиоактивного распада;

• электролюминесценция - возникает при возбуждении атомов под действием электрического поля (возбуждение молекул газа электрическим разрядом - газоразрядные лампы);

• хемилюминесценция - возникает при возбуждении молекул в процессе химических реакций;

• биолюминесценция - возникает в биологических объектах в результате определенных биохимических реакций;

• сонолюминесценция - возникает под действием ультразвука.

Как уже отмечалось выше, люминесценция продолжается и после прекращения внешнего возбуждения люминофора. По длительности остаточного свечения различают флуоресценцию и фосфоресценцию:

• флуоресценция - кратковременное остаточное свечение, длительность которого составляет 10^-9-10^-8с;

• фосфоресценция - продолжительное остаточное свечение, длительность которого составляет 10^-4 -10⁴ с.

 

57. Основные стадии фотобиологического процесса

Фотобиологические процессы – все процессы в биологических системах, происходящие при поглощении энергии света и приводящие к изменению структуры и функций этих систем.

Фотобиологические процессы весьма разнообразны. Каждый из них состоит из многих стадий, начиная с акта поглощения кванта света и кончая физиологическими реакциями на уровне целого организма. Специфику фотобиологических процессов составляют их первичные (световые) стадии: фотофизические и фотохимические – а последующие темновые стадии являются обычными биохимическими.

Условно всякий фотобиологический процесс можно разбить на несколько стадий:

· поглощение кванта света,

· внутримолекулярные процессы размена энергией (фотофизические процессы);

· межмолекулярные процессы переноса энергии возбужденного состояния;

· первичный фотохимический акт;

· темновые реакции, заканчивающиеся образованием стабильных продуктов;

· биохимические реакции с участием фотопродуктов;

· общефизиологический ответ на действие света.

Первые три стадии фотохимического процесса одинаковы для процессов фотохимии и люминесценции; поэтому законы фотохимии имеют свои аналоги с законами люминесценции. Первичный фотохимический акт – это химическая реакция, в которую вступает поглотившая квант света молекула из возбужденного синглетного или триплетного состояния.

Важнейшей характеристикой фотобиологического процесса в целом и его первичной стадии, в частности, служит квантовый выход фотохимической реакции. Квантовый выход Q – это отношение числа прореагировавших молекул к числу поглощенных фотонов. В случае первичных стадий фотохимических реакций квантовый выход равен отношению числа возбужденные молекул вещества, вступающих в фотохимический процесс, к общему числу возбужденных молекул

Первичные стадии в целом представляют собой трансформацию энергии фотона в энергию химических связей первых устойчивых фотопродуктов.

Молекулярный механизм первичных стадий:

Фотофизика: RH + hv → RH* (S или Т - возбуждение)

Фотохимия: RH* → (R*H)+ + e- (R*H)+ → R* + H+ R* + O2 → ROO

(фотоионизация и образование свободных радикалов)

Эффективность преобразования поглощённой световой энергии в первичной фотохимической реакции оценивается её квантовым выходом.

Обычно квантовый выход значительно меньше единицы, так как часть поглощённых квантов растрачивается в тепло или идёт на люминесценцию.

Спектр действия фотохимической реакции – зависимость относительной скорости реакции от длины волны действующего света:

Сравнение спектров действия со спектрами поглощения позволяет выяснить, какие вещества участвуют в реакции