Bài 4 TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC
7. Phản ứng xúc tác enzyme
Phương trình động học của phản ứng enzyme
Một phản ứng enzyme đơn giản gồm ít nhất 2 giai đoạn như sau: S +E ⇄ ES k2 P + E
Giai đoạn thuận nghịch diễn ra nhanh tạo ra ES, còn giai đoạn phân hủy ES diễn ra chậm.
Trong đó: S: Chất phản ứng hay còn gọi là cơ chất. E: enzyme
ES: Sản phẩm trung gian hay còn gọi là phức enzyme – cơ chất. P: Sản phẩm phản ứng.
k+1, k-1, k2: là các hằng số tốc độ tương ứng.
Như vậy phản ứng enzym là một phản ứng phức tạp (thuận nghịch và nối tiếp). Phương trình động học có dạng:
v = V
[S],KM+[S] [S]: Nồng độ cơ chất.
V: Tốc độ cực đại của phản ứng enzyme.
KM: Hằng số đặc trưng cho khả năng phản ứng giữa enzyme và cơ chất còn được gọi là hằng số Michaelis (Mikelix).
1 2 1 M k k K k
Theo cơ chế trên thì giai đoạn phân huỷ phức chất ES là giai đoạn chậm vì vậy tốc độ của phản ứng enzyme được quyết định bởi giai đoạn này:
106
Áp dụng trạng thái dừng ta có thể tính được nồng độ của ES như sau: Tại trạng thái dừng tốc độ hình thành ES sẽ bằng tốc độ phân huỷ nó, nghĩa là: k+1[E][S] = k-1[ES] + k2[ES]
Thay [E] = [E0] – [ES], trong đó [E0] là nồng độ ban đầu của enzyme từ đó ta có: 1 0 1 2 1 k [ ][ ] [ES] E S k k k
Chia cả tử và mẫu cho k+1 ta có: 1 0 0 1 2 1 k [ ][ ] [ ][ ] [ES] [ ] M E S E S k k K S k Và tốc độ của phản ứng: 2 0 2 k [ ][ ] v [ES] [ ] M E S k K S
Tốc độ phản ứng đạt được cực đại v khi toàn bộ enzyme chuyển thành phức ES tức là khi [ES] = [E0]
Thay V = k2[ES] = k2[E0] ta có phương trình
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc tốc độ phản ứng vào nồng độ cơ chất cho ở hình Từ phương trình tốc độ và đồ thị cho thấy phản ứng xúc tác enzyme không tương ứng với một phản ứng bậc đơn giản nào. Tuy nhiên trong những điều kiện giới hạn thì nó có bậc xác định.
VM ↑ v B.……………C
O → KM [S]
Hình 4.8: Đồ thị sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng enzyme vào nồng độ cơ chất Khi [S] >> KM thì v = V tốc độ phản ứng khơng phụ thuộc vào [S] và khi đó phản ứng là bậc 0 (đoạn BC). Khi [S] << KM thì 1 2 1 1 1 M k k k K k k
107
Trên đường cong thực nghiệm hình (4.13) có thể xác định được giá trị của KM. Đó là hằng số đặc trưng của mỗi enzyme. Nếu coi:
Thì KM chính là hằng số cân bằng của phản ứng ES ⇄ E + S.
Như vậy, enzyme nào có KM càng lớn thì phức ES càng khơng bền hay như người ta thường nói ái lực của enzyme đó đối với cơ chất càng nhỏ.
CÂU HỎI LƯỢNG GIÁ 4.1: Phản ứng giữa FeCl3 và KCNS xảy ra theo phương trình. FeCl3 + 3 KCNS ⇄ Fe(CNS)3 + 3KCl Màu vàng không màu đỏ máu không màu
Cường độ màu của dung dịch sẽ thay đổi như thế nào khi thêm vào hỗn hợp phản ứng các dung dịch sau? Giải thích.
a. FeCl3
b. KCNS
c. KCl ĐS: a,b: màu nhạt c: màu đậm
4.2: Phản ứng tổng hợp NH3 xảy ra theo phương trình: 3H2 + N2 ⇄ 2NH3 H< 0
Nhiệt độ, áp suất có ảnh hưởng như thế nào đến sự dịch chuyển cân bằng của phản ứng này? Giải thích.
ĐS: Khi nhiệt độ tăng cân bằng dịch chuyển theo chiều nghịch và ngược lại. Khi áp suất tăng cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận và ngược lại
4.3: Áp suất có ảnh hưởng như thế nào đến sự dịch chuyển cân bằng của các phản ứng sau:
a. H2(k) + I2(h) ⇄ 2HI(h) b. 2NO(k) + O2(k) ⇄ 2 NO2(k)
c. CaCO3(r) ⇄ CaO(r) + CO2(k) Hãy giải thích
ĐS: a. Cân bằng không dịch chuyển khi thay đổi áp suất
b. Khi tăng áp suất cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận và ngược lại
1 2 1 1 1 M k k k K k k
108
c. Khi tăng áp suất cân bằng dịch chuyển theo chiều nghịch và ngược lại 4.5. Cho phản ứng 2A + B → C + D
Tốc độ phản ứng tăng bao nhiêu lần khi tăng nhiệt độ phản ứng từ 200C đến 600C? Biết hệ số nhiệt độ của phản ứng là 3.
ĐS: Tăng 81 lần
4.6. Biết hệ số nhiệt độ của 1 phản ứng hóa học thực hiện ở 270C và 170C là 2,8. Hãy xác định năng lượng hoạt hóa của phản ứng.
ĐS: E = 17736,2 cal
4.7: Ở 1500C một phản ứng kết thúc trong 16 phút. Tính xem ở 2000C và 800C phản ứng này kết thúc trong bao lâu. Cho hệ số nhiệt độ phản ứng là 2,5.
ĐS.: ở 200 0C. Phản ứng kết thúc sau 0,1634 phút ở 800C phản ứng kết thúc sau 9765,62 phút
4.8. Một phản ứng tiến hành với tốc độ v ở 300C. Hỏi phải tăng nhiệt độ lên tới bao nhiêu để tốc độ của phản ứng tăng lên 1024 lần. Biết hệ số nhiệt độ của phản ứng là 2.
ĐS: Tăng nhiệt độ đến 130 0C
4.9 Phản ứng hóa học làm cho sữa chua có năng lượng hoạt hóa bằng 43,05KJ/mol. Hãy so sánh tốc độ của phản ứng này ở 300C và 50C
109