Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Ферментативная кинетика изучает влияние различных факторов (концентрация S и E, рН, температура, давление, ингибиторы и активаторы) на скорость ферментативных реакций. Главной целью изучения кинетики ферментативных реакций является получение информации, позволяющей глубже понять механизм действия ферментов.

Кинетическая кривая позволяет определить начальную скорость реакции V 0 .

Кривая субстратного насыщения.

Зависимость скорости реакции от концентрации фермента.

Зависимость скорости реакции от температуры.

Зависимость скорости реакции от рН.

Математическое описание кривой субстратного насыщения, константа Михаэлиса .

Оценки Km имеют практическую ценность. При концентрациях субстрата в 100 раз превышающих Km, фермент будет работать практически с максимальной скоростью, поэтому максимальная скорость V MAX будет отражать количество присутствующего активного фермента. Это обстоятельство используют для оценки содержания фермента в препарате. Кроме того, Km является характеристикой фермента, что используется для диагностики энзимопатий.

Ингибирование активности ферментов.

Чрезвычайно характеристикой и важной особенностью ферментов является их инактивация под влиянием определенных ингибиторов.

Ингибиторы – это вещества, вызывающие частичное или полное торможение реакций, катализируемых ферментами.

Ингибирование ферментативной активности может быть необратимым или обратимым, конкурентным или неконкрентным.

Необратимое ингибирование – это стойкая инактивация фермента, возникающая в результате ковалентного связывания молекулы ингибитора в активном центре или в другом особом центре, изменяющим конформацию фермента. Диссоциация столь устойчивых комплексов с регенерацией свободного фермента практически исключена. Для преодоления последствий такого ингибирования организм должен синтезировать новые молекулы фермента.

Обратимое ингибирование – характеризуется равновесным комплексообразованием ингибитора с ферментом за счет нековалентных связей, вследствие чего такие комплексы способны к диссоциации с восстановлением активности фермента.

Классификация ингибиторов на конкурентные и неконкурентные основана на том, ослабляется (конкурентное ингибирование ) или не ослабляется (неконкурентное ингибирование ) их ингибирующие действие при повышении концентрации субстрата.

Конкурентные ингибиторы – это, как правило, соединения, структура которых сходна со структурой субстрата. Это позволяет им связываться в том же активном центре, что и субстраты, препятствуя взаимодействию фермента с субстратом уже на стадии связывания. После связывания ингибитор может быть превращен в некий продукт или остается в активном центре, пока не произойдет диссоциация.

Обратимое конкурентное ингибирование можно представить в виде схемы:

E↔ E-I → E + P 1

S (неакт)

Степень ингибирования фермента определяется соотношением концентраций субстрата и фермента.

Классическим примером подобного типа ингибирования является торможение активности сукцинатдегидрогеназы (СДГ) малатом, который вытесняет сукцинат из субстратного участка и препятствует его превращению в фумарат:

Ковалентное связывание ингибитора в активном центре приводит к инактивации фермента (необратимое ингибирование). Примером необратимого конкурентного ингибирования может служить инактивация триозофосфатизомеразы 3-хлорацетолфосфатом. Этот ингибитор является структурным аналогом субстрата – диоксиацетонфосфата и необратимо присоединяется к остатку глутаминовой кислоты в активном центре:

Некоторые ингибиторы действуют менее избирательно, взаимодействуя с определенной функциональной группой в составе активного центра разных ферментов. Так, связывание йодацетата или его амида с SH-группой аминокислоты цистеина, находящийся в активном центре фермента и принемающей участие в катализе, приводит к полной утрате активности фермента:

R-SH + JCH 2 COOH → HJ + R-S-CH 2 COOH

Поэтому эти ингибиторы инактивируют все ферменты, которые имеют SH-группы, участвующие в катализе.

Необратимое ингибирование гидролаз при действии нервно-паралитических газов (зарин, зоман) обусловлено их ковалентным связыванием с остатком серина в активном центре.

Метод конкурентного ингибирования нашел широкое применение в медицинской практике. Сульфаниламидные препараты – антагонисты п-аминобензойной кислоты, могут служить примером метаболизируемых конкурентных ингибиторов. Они связываются с дигидроптератсинтетазой – бактериальным ферментом, осуществляющим превращение п-аминобензоата в фолиевую кислоту, необходимую для роста бактерий. Бактерия погибает в результате того, что связавшийся сульфаниламид превращается в другое соединение и фолиевая кислота не образуется.

Неконкурентные ингибиторы обычно связываются с молекулой фермента в участке, отличном от места связывания субстрата, и субстрат непосредственно не конкурирует с ингибитором. Поскольку ингибитор и субстрат связываются с разными центрами возможно образование как комплекса E-I, так и комплекса S-E-I. Комплекс S-E-I тоже распадается с образованием продукта, однако с меньшей скоростью, чем E-S, поэтому реакция будет замедляться, но не остановится. Таким образом, могут протекать следующие параллельные реакции:

E↔ E-I ↔ S-E-I → E-I + P

Обратимое неконкурентное ингибирование встречается сравнительно редко.

Неконкурентные ингибиторы называют аллостерическими в отличие от конкурентных (изостерических ).

Обратимое ингибирование может быть количественно изучено на основе уравнения Михаэлиса-Ментен.

При конкурентном ингибировании V MAX остается постоянной, а Km возрастает.

При неконкурентном ингибировании снижается V MAX при неизменном Km.

Если продукт реакции ингибирует фермент, катализирующий его образование, такой способ ингибирования называется ретроингибированием или ингибированием по принципу обратной связи . Например, глюкоза тормозит глюкозо-6-фосфатазу, которая катализирует гидролиз глюкозо-6-фосфата.

Биологическое значение такого ингибирования – регуляция определенных метаболических путей (см. следующее занятие).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Задание студентам

1. Изучить денатурацию белков под действием растворов минеральных и органических кислот и при нагревании.

2. Обнаружить кофермент НАД в дрожжах.

3. Определить амилазную активность в моче (сыворотке крови).

9. ЭТАЛОНЫ ОТВЕТОВ НА ЗАДАЧИ , тестовые вопросы, используемые при контроле знаний на занятии (можно в виде приложения)

10. ХАРАКТЕР И ОБЪЕМ ВОЗМОЖНОЙ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ

(Указать конкретно характер и форму УИРС: подготовка реферативных выступлений, проведение самостоятельных исследований, имитационная игра, оформление истории болезни с использованием монографической литературы и др. формы)

Скорость ферментативной реакции

Мерой скорости ферментативной реакции служит количество субстрата, подвергшегося превращению в единицу времени, или количество образовавшегося продукта. Скорость определяют по углу наклона касательной к кривой на начальной стадии реакции.

Рис. 2 Скорость ферментативной реакции.

Чем круче наклон, тем больше скорость. Со временем скорость реакции обычно снижается, по большей части в результате снижения концентрации субстрата.

Факторы, влияющие на ферментативную активность

Действие Ф. зависит от ряда факторов: температуры, реакции среды (pH), концентрации фермента, концентрации субстрата, от присутствия специфических активаторов и неспецифических или специфических ингибиторов.

Концентрация фермента

При высокой концентрации субстрата и при постоянстве других факторов скорость ферментативной реакции пропорциональна концентрации фермента.

Рис. 3 Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента.

Катализ осуществляется всегда в условиях, когда концентрация фермента гораздо ниже концентрации субстрата. Поэтому с возрастанием концентрации фермента растет и скорость ферментативной реакции.

Температура

Влияние температуры на скорость ферментативной реакции может быть выражено через температурный коэффициент Q 10: Q 10 = (скорость реакции при (х + 10)°C) / (скорость реакции при х °C)

В пределах 0-40°C Q 10 ферментативной реакции равен 2. Иными словами, при каждом повышении температуры на 10°C скорость ферментативной реакции удваивается.

Рис. 4 Влияние температуры на активность такого фермента, как амилаза слюны.

С повышением температуры движение молекул ускоряется, и у молекул реагирующих веществ больше шансов столкнуться друг с другом. Увеличивается, следовательно, и вероятность того, что реакция между ними произойдет. Температура, обеспечивающая наибольшую активность, называется оптимальной. За пределами этого уровня скорость ферментативной реакции снижается, несмотря на увеличение частоты столкновений. Происходит это вследствие разрушения вторичной и третичной структур фермента, иными словами, вследствие того, что фермент претерпевает денатурацию.

Рис. 5 Ход ферментативной реакции при разных температурах.

Когда температура приближается к точке замерзания или оказывается ниже ее, ферменты инактивируются, но денатурации при этом не происходит. С повышением температуры их каталитическая активность вновь восстанавливается.

Поскольку белки в сухом состоянии денатурируются значительно медленнее, чем белки оводненные (в виде белкового геля или раствора), инактивирование Ф. в сухом состоянии происходит гораздо медленнее, чем в присутствии влаги. Поэтому сухие споры бактерий или сухие семена могут выдержать нагревание до гораздо более высоких температур, чем те же споры или семена в увлажненном состоянии.

Концентрация субстрата

При данной концентрации фермента скорость ферментативной реакции возрастает с увеличением концентрации субстрата.

Рис. 6 Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.

Теоретическая максимальная скорость реакции V max никогда не достигается, но наступает момент, когда дальнейшее увеличение концентрации субстрата уже не влечет за собой сколько-нибудь заметного изменения скорости реакции. Это следует объяснить тем, что при высоких концентрациях субстрата активные центры молекул Ф. в любой данный момент оказываются практически насыщенными. Таким образом, сколько бы ни было в наличии избыточного субстрата, он может соединиться с Ф. лишь после того, как образовавшийся ранее фермент-субстратный комплекс диссоциирует на продукт и свободный Ф. Поэтому при высоких концентрациях субстрата скорость ферментативной реакции лимитируется и концентрацией субстрата, и временем, которое требуется для диссоциации фермент-субстратного комплекса.

При постоянной температуре любой Ф. работает наиболее эффективно в узких пределах pH. Оптимальным считается то значение pH, при котором реакция протекает с максимальной скоростью.

Рис. 7 Зависимость активности фермента от pH.

При более высоких и более низких pH активность Ф. снижается. Сдвиг pH меняет заряд ионизированных кислотных и основных групп, от которого зависит специфичная форма молекул Ф. В результате изменяется форма молекул Ф., и в первую очередь форма его активного центра. При слишком резких сдвигах pH Ф. денатурирует. Свойственный данному Ф. оптимум pH не всегда совпадает с pH его непосредственного внутриклеточного окружения. Это позволяет предположить, что среда, в которой находится Ф., в какой-то мере регулирует его активность.

КИНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ

Vфр определяется количеством вещества, которое превращается в единицу времени. V этих реакций зависит от влияния внешних факторов (температура, рН, воздействие природных и чужеродных соединений и т.д.).

Vфр является мерой каталитической активности и обозначается просто как активность ферментов.
Измерить активность ферментов можно только косвенно:
1) по количеству превращаемого S;
2) нарастанию концентрации Р в единицу времени.
Для выражения концентрации фермента пользуются:
а) единица измерения ферментов – это то количество фермента, которое катализирует превращение 1 мкмоля S в мин. [мкмоль/мин];
б) 1 катал (кат) – количество ферментов, способное вызывать превращение 1 моля S в Р в 1 сек. [моль/с].
1 кат = 6×107Е; 1Е = 16,67 (н кат)
Для выражения активности ферментов пользуются:
а) удельная активность ферментов – это число ферментов на 1 мг или число кат. на 1 кг белка;
б) молекулярная активность или число оборотов – это число молекул S, подвергающихся превращению одной молекулой Е в 1 мин.
Одна молекула каталазы эритроцитов расщепляет в 1 мин 5×106 молекул Н2О2.

Специфичность действия ферментов
Понятие Е S комплекса и АЦФ тесно взаимосвязаны с особым свойством ферментов – их специфичностью. По степени специфичности (в порядке ее снижения) различают:
I. Стереохимическую субстратную специфичность – в этом случае ферменты катализируют только 1 форму S (1 изомер). Например, фумаратгидратаза катализирует только превращение фумаровой кислоты, но не катализирует превращение ее изомера – малеиновую кислоту.
II. Абсолютную субстратную специфичность – Е превращает только 1S. Например, уреаза превращает только мочевину.
III. Абсолютная групповая S-ную специфичность. Ферменты действуют на группу сходных S-в. Например, алкоголь ДГ превращает не только этанол, но и другие алифатические спирты.
IV. Относительную групповую S-ную специфичность. Фермент воздействует не на группу молекул S, а на определенные связи определенных групп S-в. Например, пепсин и трипсин специфичны по отношению к пептидным связям в различных белках.
V. Относительную S-ную специфичность. Фермент катализирует, превращаясь в S-в, относящимся к различным группам химических соединений. Например, фермент цитохром-450 катализирует реакции гидроксилирования до 7000 разных S-в. Это наименее специфичная ферментная система.

Существует две теории объяснения специфичности ферментов.
Гипотеза Э. Фишера – гипотеза «ключа и замка» или гипотеза «шаблона». По Фишеру, фермент – это жесткая структура, АЦФ которого - точный «слепок» S-та. Если S подходит к Е как ключ к замку, то реакция произойдет. Если же S немного изменен («ключ»), то он не соответствует АЦФ («замку»), и реакция становится невозможной. Несмотря на логичность такого объяснения, гипотеза Фишера не объясняет, на чем тогда основаны абсолютная и относительная групповая специфичность. Например, цитохром-450 соединяется с таким большим количеством S-в, различных по строению.
Эти внешние противоречия объясняет гипотеза Кошленда, или гипотеза вынужденного соответствия. По мнению Кошленда, молекула фермента не «жесткая», а гибкая структура и конфигурация фермента и его АЦФ начинают изменяться в момент присоединения фермента к S или другим лигандам. При образовании Е-S комплекса кроме геометрической комплементарности имеет место и электростатическая, которая осуществляется благодаря спариванию противоположно заряженных молекул Е и S. В действительности, видимо, имеют место оба варианта присоединения.

Гипотеза Кошленда позволяет объяснить, почему происходит превращение близких аналогов S-в. Если «ложный» субстрат (квази-S) отличается от природного и АЦФ принимает конформацию близкую к истинному субстрату, то расстановка каталитических групп в таком Е-S комплексе позволит осуществить реакцию. Этот «обман» фермент как бы не замечает, хотя реакция идет и не так быстро, как с истинным субстратом. Если конфигурация квази субстрата не позволяет правильно расположиться каталитической группе, то в этом случае реакция не пойдет. Т.е. если диапазон конформационных перестроек ограничен до одной единственно возможной, то фермент высокоспецифичен, а если возможности перестройки АЦФ велики, то фермент срабатывает и на квази субстраты.

Зависимость Vфр от рН-среды
Для каждого фермента имеется свой оптимум рН, при котором Vфр максимальна. Отклонение рН в ту или другую сторону ведет к снижению активности фермента. Большая часть ферментов имеет рН~7,0 то есть он совпадает с физиологическими значениями рН.
При оптимальном значении рН функциональные группы АЦФ и сам S находятся в наиболее предпочтительной для связи форме. Некоторые ферменты имеют оптимальную рН, резко отличающиеся от физиологических значений, пепсин на 100% активен при рН = 1,5-2,5; аргиназа – при рН = 10.

Зависимость Vфр от температуры
С повышением температуры среды Vфр увеличивается, достигает оптимальных величин ~ 20-40ºС для большинства ферментов.
Термолабильность ферментов связана с их белковым строением: при повышении температуры до 40-50ºС и выше, происходит их денатурация.
Для некоторых ферментов денатурации наступает при 0ºС.
Для любых химических реакций при повышении температуры на каждые 10ºС V реакции увеличивается в 2-3 раза, для ферментативных реакций этот коэффициент ниже – 2 и даже меньше. Исключение: термостабильный фермент адениматциклаза выдерживает температуру 100ºС, а фермент каталаза активен при 0ºС.

Зависимость Vфр от конц. S.
Механизм действия ферментов описывается уравнением Михаэлиса-Ментен. Установить зависимость Vфр от [S] можно графически.
а) по кривой Михаэлиса: чем меньше Km, тем больше Vm и тем выше сродство E к S.
Vmax соответствует состоянию полного насыщения фермента S-том.

в растворе избыток Е (3 мол S, 5 мол Е) это участок насыщения фермента S-том.
б) методом обратных величин Лайнцивера-Берка, где зависимостьVфр от [S] рассчитывают в обратных величинах.

Регуляция активности ферментов.
Ферменты являются катализаторами с регулируемой активностью, поэтому через ферменты можно контролировать Vфр. Регуляция активности может осуществляться путем взаимодействия ферментов с различными биологическими компонентами или же чужеродными соединениями (лекарствами, ядами), которые называются модификаторами. Если в присутствии модификатора Vфр возрастает, то такие модификаторы называют активаторами, а если падает ингибиторами.

Активирование ферментов.
Существует несколько видов активации ферментов.
1. Активирование путем воздействия на субъединицы молекул фермента. Некоторые ферменты имеют ЧС в виде 2-х субъединиц: каталитической и регуляторной. При сохранении ЧС АЦФ скрыт.

Например, многие ферменты в организме вырабатываются в виде проферментов или зимогенов, то есть в неактивном состоянии. По мере необходимости определенное их количество активируется. Например, неактивный трипсиноген под действием фермента энтерокиназы превращается в активный трипсин.
2. На активирование ферментов влияют ионы:
а) катионы – их воздействие более специфично, чем анионов. Катионы могут сами выступать в виде простетических групп в ферментах (Fe в цитохроме) или своим присутствием воздействовать на фермент, активируя его. Например, угольная ангидраза активируется в присутствии Zn+2.
б) анионы – действуют менее специфично и обычно виляют на 2-й этап ф.р. – распад ES-комплекса. Однако иногда и анионы являются непосредственными активаторами ферментов. Например, Cl– активирует неактивный пепсиноген и превращает его в активный пепсин.
3. Активация путем защиты ферментов от инактивирующего влияния различных воздействий. Обеспечивается специфическими веществами, предупреждающими отрицательное влияние на ферменты.

Ингибирование ферментов.
Вещества, вызывающие частичное или полное торможение ферментов называются ингибиторами(I). Ингибиторы обладают свойством прочно связываться с ферментом. По этому признаку различают ингибирование: обратимое и необратимое.
При обратимом ингибировании I и Е вступают во взаимодействием. Если каким-нибудь образом ингибитор нейтрализовать (например, диализом), то активность Е восстанавливается. Если этого не удается достигнуть, то речь идет о необратимом ингибировании.
Обратимое ингибирование

конкурентное неконкурентное
Конкурентное ингибирование может быть вызвано веществами со структурой, сходной со структурой истинного S.

I и S конкурируют за АЦФ, комплекс с ферментом образует то соединение, молекул которого больше. С ферментом связывается либо I, либо S, для такого ингибирования справедливо уравнение: .
НИКОГДА при конкурентном ингибировании не образуется тройной комплекс E S I, чем этот вид ингибирования отличается от других.
Например, сукцинат ДГ входит в состав ферм. системы ЦТК. Его природный S – сукцинат. Ингибиторами могут быть оксалоацетат, малонат (квази-субстраты).

При избытке ингибитор связывается поляризованными группами с АЦФ сукцинат ДГ.
При конкурентном ингибировании Vmax никогда не меняется, но меняется Km. Наклон кривых в присутствии I увеличивается, в результате Km увеличивается

По результатам эксперимента по кривой Михаэлиса-Ментен можно установить конкурентную природу I (по увеличению Km и стабильности Vmax). Характер этой кривой свидетельствует и об обратимости процесса, то есть увеличивая [S], можно сократить время достижения Vmax.
Метод конкурентного ингибирования нашел широкое применение в медицинской практике.

Пара-аминобензойная кислота и сульфаниламид имеют сходную структуру. п-АБК-ту бактериальная клетка использует для синтеза фолиевой кислоты, являющейся составляющей частью ферментов бактерий. С/а блокирует действие ферментов, синтезирующих фолиевую кислоту, в результате рост бактерий останавливается.

Неконкурентное ингибирование – это обратимое торможение, когда I взаимодействует не с АЦФ, а с другими функциональными группами ферментов, то есть в данном случае I не имеет структурного сходства с S. Присоединение такого ингибитора снижает активность фермента, а не его сродство к S, то есть ингибитор не изменяет Km, а снижает макс. Vфр.

При этом виде ингибирования образуется неактивные малодиссоциирующие комплексы E I или E I S. Например, действие HCN, других химических соединений, связывающих ионы Ме или других функциональных групп в молекуле фермента.

Смешанное ингибирование (или частично неконкурентный тип) - снижение Vmax сочетается с увеличением Km.

При этом образуется Е I S-комплекс, а S в нем подвергается медленному каталитическому превращению.

Субстратное ингибирование – это снижение Vфр при значительном повышении [S]. Первоначально, с увеличением [S] Vфр растет, достигая своего максимума, но при дальнейшем увеличении [S] Vфр начинает падать.
Механизм ингибирующего действия избытка S разнообразен. Чаще всего это взаимодействие промежуточных соединений E S с еще одной иди несколькими молекулами S, в результате чего образуется неактивное соединение, то
есть комплекс, не дающий продуктов реакции.

Методы регуляции активности ферментов
В живом организме одновременно происходят реакции синтеза, распада и взаимопревращений тысяч разнообразных веществ. Все эти множества реакций регулируются в организме посредством различных механизмов, наиболее важными из которых являются:
а) регуляция по типу обратной связи; характерна обычно для реакций синтеза. Накопление продуктов реакции свыше допустимого уровня оказывает сильное ингибирующее действие на первую стадию процесса:

б) аллостерическая регуляция активности ферментов – характерна только для особой группы ферментов с ЧС, имеющих регуляторные центры для связывания аллостерических эффекторов. Отрицательные эффекторы тормозят превращение S и выступают в роли аллостерических ингибиторов. Положительные эффекторы, напротив, ускоряют Vфр, поэтому их относят к к аллостерическим активаторам.

Механизм действия аллостерических ингибиторов на фермент заключается в изменении АЦФ этого фермента. Уменьшение Vфр является либо следствием увеличения Km, либо результатом уменьшенияVmax, при тех же насыщающих концентрациях S. Аллостерические активаторы напротив облегчают превращение S в АЦФ, что сопровождается либо уменьшением Km, либо увеличением Vmax.

Компартментализация – явление, при котором с помощью мембран пространственно разъединяется
а) фермент от своих S (например, лизомальные ферменты от веществ, на которые они действуют в цитоплазме);
б) взаимно несовместимые в одно и тоже время процессы. Синтез жк происходит в растворимой части цитоплазмы, а распад жк – в митохондриях.

Скорость ферментативных реакций зависит от концентрации суб-

страта. Эта зависимость носит сложный характер, который для определенных ферментов описывается параболической кривой (рис. 29).

Рисунок 29 – Зависимость скорости ферментативной реакции

от концентрации субстрата

Параболический характер зависимости объясняется тем, что при взаимодействии фермента с субстратом происходит образование фермент-субстратного комплекса. Первоначально при увеличении концентрации субстрата происходит возрастание концентрации фермент-субстратных комплексов в реакционной смеси, что проявляется в параллельном повышении скорости реакции. При определенной концентрации субстрата (насыщающей) возникает своеобразное “насышение” всех активных центров молекул ферментов в реакционной смеси. Скорость ферментативной реакции при насыщающей концентрации становится максимальной. При дальнейшем повышении содержания субстрата в реакционной смеси она не изменяется.

Из графика зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата вычисляются два важных показателя:

1. Максимальная скорость реакции (V max). Она определяется как скорость реакции при насыщающей концентрации субстрата. Величина макси-мальной скорости отражает каталитическую мощность фермента. Ферменты, обладающие большей величиной V max , являются более мощными катализаторами. В единицу времени они катализируют превращение большего количества молекул субстрата. Величина максимальной скорос-ти выражается числом оборотов фермента. Число оборотов оценивается количеством молекул субстрата, превращаемых ферментом в единицу времени (с -1). Для большинства ферментов число оборотов находится в пределах 10 4 . В тоже время существуют ферменты, для которых число оборотов значительно больше (600000 – для карбангидразы) или меньше этой величины (100 – для химотрипсина).

2. Константа Михаэлиса (К м). Константа Михаэлиса представляет собой концентрацию субстрата, при которой скорость реакции составляет половину максимальной. Величина К м отражает сродство фермента к суб-страту. Чем больше эта величина, тем меньшее сродство к субстрату имеет фермент. К м выражается в молях субстрата. Так, величина К м по отношению к глюкозе у фермента глюкокиназы составляет 10 ммоль, а для гексокиназы – 0,01 ммоль. Гексокиназа проявляет большее сродство к глюкозе, чем глюкокиназа, при одинаковой концентрации субстрата она с большей скоростью катализирует фосфорилирование глюкозы.

На основании математического анализа кривой зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата Л. Михаэлисом и М. Ментен (1913) была выведена формула, позволяющая оценить взаимоотношение между скоростью реакции, максимальной скоростью и константой Михаэлиса. В настоящее время она определяется как уравнение Михаэлиса – Ментен.

V o = V max [S ]/K м + [S ],

где V o – скорость реакции, S – концентрация субстрата.

Общие свойства ферментов

Несмотря на существование определенных различий в строении, функции и внутриклеточной локализации, для ферментов характерен целый ряд общих свойств. К таковым относятся зависимость проявления их каталитической активности от температуры (термолабильность) и рН среды, а также субстратная специфичность.

Характерным свойством ферментов является термолабильность . Это явление может быть проиллюстрировано графиком зависимости скорости ферментативной реакции от температуры реакционной смеси (рис. 30).

Рисунок 30 – Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры

реакционной среды (t опт – оптимальная температура; V – скорость реакции)

Как видно из представленного графика при температуре, близкой к 4 о С ферментативные реакции практически не идут. По этой причине биологические объекты могут определенное время храниться перед проведением биохимических исследований на холоде. Именно холод позволяет сохранять пищевые продукты от аутолиза (самопереваривания).

Повышение температуры сопровождается повышением скорости ферментативной реакции. Причиной этого является повышение кинетичес-кой энергии молекул субстрата и фермента, способствующее повышению скорости взаимодействия между ними. Подобное явление наблюдается до температуры, которая соответствует температурному оптимуму фермента. Температурный оптимум фермента соответствует той температуре, при которой скорость ферментативной реакции максимальна. Для ферментов теплокровных животных оно обычно составляет 28 о С или 37 о С.

Дальнейшее повышение температуры реакционной смеси приводит к постепенному понижению скорости ферментативной реакции. Это явление обусловлено процессом термоденатурации полипептидной цепи белка. Денатурация сопровождается изменением структуры активного центра фермента, следствием чего и становится понижение сродства фермента к суб-страту. При температуре выше 55 о С большинство ферментов полностью утрачивает каталитические свойства (инактивируется). В этой связи прогревание до 55–56 о С широко используется для процедуры пастеризации, которая повышает срок хранения пищевых продуктов (молока и др.).

Большое влияние на скорость ферментативной реакции оказывает рН среды. Как видно из представленного на рис. 31 графика, он напоминает по форме график зависимости скорости ферментативной реакции от температуры.

Рисунок 31 – Зависимость скорости (V ) ферментативной реакции

от рН среды (рН опт – рН оптимум фермента)

Резкое снижение скорости ферментативной реакции при экстремальных значениях рН связано с явлением денатурации полипептидной цепи белковой молекулы под действием кислот и щелочей. Фермент проявляет максимальную каталитическую мощность при величине рН, которая определяется термином рН-оптимум фермента. Большинство известных ферментов имеет оптимум рН в области от 5,0 до 7,5. Вместе с тем существует немало примеров ферментов, у которых величина рН-оптимума смещена в область кислых или щелочных значений рН. К таким ферментам относятся:

Причина существования зависимости скорости ферментативных реакций от рН связана с тем, что величина рН среды оказывает выраженное влияние на степень ионизации функциональных групп субстрата. Особенности ионизации молекулы янтарной кислоты при различной кислотности среды (рН):

Одновременно рН среды оказывает влияние и на степень ионизации аминокислотных радикалов, входящих в состав активного центра фермента:

Если образование фермент-субстратного комплекса стабилизируется за счет электростатических взаимодействий, то становится понятной роль рН в обеспечении оптимальных условий для течения ферментативной реакции (рис. 24).

Скорость реакций катализируемых ферментами, во взаимодействии которых с субстратами не имеют существенного значения электростали-ческие взаимодействия, в меньшей мере зависит от рН среды. На рис. 32 представлена зависимость скорости гидролиза белков папаином. Во взаимодействии этого фермента с субстратом основное значение приобретают гидрофобные взаимодействия. Как видно из представленного графика, у папаина вообще отсутствует четко выраженный рН-оптимум.

Рисунок 32 – Влияние рН на скорость гидролиза белка папаином.

Ферменты обладают определенной специфичностью в отношении субстратов. Под специфичностью подразумевается свойство ферментов катализировать превращение одного или группы сходных по строению субстратов. Существует несколько видов специфичности ферментов.

· Абсолютная специфичность. Под ней подразумевается способность фермента катализировать превращение только одного субстрата. К ферментам, обладающим абсолютной специфичностью, относятся аргиназа, уриказа рестриктазы и др.

· Относительная специфичность . Под ней подразумевается способность фермента катализировать превращение группы сходных по строению субстратов (т.н. протеолитические ферменты гидролизуют различные белки, липаза сложные эфиры глицерина и высших жирных кис-лот, гексокиназа фосфорилирует разные моносахариды). При этом специфичность определяется тем, что фермент оказывает влияние только на определенный тип связи (протеолитические ферменты гидролизуют пептидную связь, липаза гидролизует сложную эфирную связь и т.д.).

· Стереоспецифичность. Под этим термином подразумевается свойство фермента катализировать превращение одного стереоизомера субстрата. Так, ферменты, участвующие в превращении моносахаридов, проявляют специфичность по отношению к их D -стереоизомерам, а ферменты, участвующие в превращении аминокислот, – к их L -стерео-изомерам.

Активность ферментов

Особенностью ферментов как катализаторов является то, что они под действием разных внешних факторов способны изменять свои каталитические свойства. Мерой проявления силы каталитического действия ферментов является их активность . Способность ферментов менять свою активность в различных условиях имеет большой биологический смысл. Это свойство позволяет живой клетке приспосабливать состояние обменных процессов под сиюминутные потребности клеток, которые могут существенно изменяться под влиянием различных внешний факторов.

Определение активности ферментов играет важную роль их характеристике. Существуют некоторые общие принципы количественного определения активности ферментов. Активность ферментов можно определять так:

· либо по скорости накопления в реакционной смеси, где находится фермент продукта реакции;

· либо по скорости исчезновения из реакционной смеси субстрата ферментативной реакции.

Оба эти подхода равнозначны и могут быть использованы на практике. Однако при определении активности фермента необходимо соблюдать следующие условия: в реакционной смеси, в которой проводится определение активности фермента,

· температура должна соответствовать температурному оптимуму данного фермента;

· рН среды должна соответствовать рН-оптимуму данного фермента;

· концентрация субстрата должна быть не меньше насыщающей;

· должны присутствовать кофакторы, если таковые у этого фермента существуют;

· должны присутствовать активаторы фермента.

Таким образом, активность фермента определяется в оптимальных для него условиях. В этих условиях активность фермента пропорциональна его содержанию в исследуемом образце и поэтому может использоваться для косвенной оценки его концентрации.

Активность фермента количественно выражается в единицах активности . За одну единицу активности фермента (ЕД) принимается активность фермента, при которой под его влиянием происходит образование 1 мкмоль продукта реакции (или исчезновение 1 мкмоль суб-страта) в минуту . В системе СИ за единицу ферментативной активности принят катал (кат). 1 катал соответствует активности фермента, при которой происходит образование одного моля продукта реакции (исчезновение одного моля субстрата) за секунду.

Для характеристики ферментов используют также величину удельной активности. Эта единица отражает активность фермента в расчете на единицу его массы и выражается в мкмоль/мин мг белка. Единицы удельной активности используют для оценки чистоты ферментных препаратов. Чем выше величина удельной активности, тем чище ферментный препарат.

Кинетика ферментативных реакций рассматривается в работах Ментен и Михаэлиса. Подробно ученые описали данный вопрос в уравнении фермент-субстратного комплекса.

Определение

Особенности кинетики ферментативных реакций рассматриваются в науке о ферментах, которая изучает зависимость скорости такого процесса от химических особенностей субстрата, среды, инородных факторов, воздействующих на ход химической реакции.

При существенной концентрации субстрата, она не будет оказывать влияния на скорость процесса.

Специфика протекания

Анализ активности ферментов осуществляется при значительных концентрациях субстратов (нулевом порядке химического процесса). В подобных условиях на изменение скорости процесса будет влиять лишь количество фермента.

Кинетика ферментативных реакций в живых клетках имеет некоторые отличительные характеристики. Ферменты в них применяют не во всю силу. При избыточном количестве субстрата, что возможно в условиях эксперимента, скорость реакции будет пропорциональная количеству фермента. При существенном увеличении этого показателя, наблюдается нарушение подобной пропорциональности.

Действие модуляторов на ферменты

Кинетика ферментативных реакций объясняет линейное возрастание скорости процесса с повышением содержания субстрата. При чрезмерном росте его концентрации наблюдается уменьшение субстрата, снижается быстрота протекания химического процесса.

Кинетика ферментативных реакций подтверждает зависимость активности ферментов от рН среды, специфики фермента, его количества. Вещества, которые влияют на ход подобной реакции, именуют модуляторами либо эффекторами. Их принято подразделять на ингибиторы и активаторы, способствующие замедлению либо ускорению определенного процесса.

Основы кинетики ферментативных реакций дают возможность в полной мере понимать суть воздействия этих веществ. Часть из них считается натуральными регуляторами процесса метаболизма. Есть разные типы модуляторов активности ферментов, которые отличаются друг от друга по механизму воздействия и строению.

Варианты активаторов

Чем характеризуется кинетика ферментативных реакций? Биохимия рассматривает в качестве активаторов желчные кислоты, ионы металлов, анионы. Бывают такие ситуации, когда одно вещество в отношении одного фермента будет выступать активатором, а в ином случае является ингибитором. Специфическими активаторами для выявления ферментов выступают ионы металлов.

Они могут стимулировать процесс присоединения к ферменту субстрата, участвуют в образовании его третичной структуры либо могут выступать в качестве части активного центра.

Какова кинетика ферментативных реакций? Кратко можно отметить, что катионы многих металлов - это обязательные компоненты, необходимые для полноценной работы многих ферментов. Для некоторых из них требуется сразу несколько разных ионов. К примеру, для АТФазы, которая производит транспорт ионов через плазматическую мембрану, требуются ионы магния, натрия, калия.

Металлы могут находиться в составе простетической группы ферментов. К примеру, железо считается важным компонентом каталазы в составе порфириновых соединений. Кобальт есть в составе простетической группы метилмалонилизомеразы и гомоцистеинтрансметилазы, а марганец необходим для активации изоцитратдегидрогеназы. Есть группа ферментов, которая активируется с помощью цАМФ. Подобные ферменты именуются протеинкиназы. Она состоит из двух субъединиц:

• каталитической, которая содержит активный центр;
• регуляторная, где располагается центр связывания цАМФ.

Только при взаимодействии регуляторного центра фермента и ц-АМФ, он приобретает активность.

Кинетика ферментативных реакций: константа Михаэлиса, условия протекания, все это подробно рассматривается в физической химии.

Особенности ферментов

Они являются компактными молекулами, имеют относительную молекулярную массу от 104, диаметр от 20А. Ферменты, которые входят в состав глобулярных белков, образуются при определенном соединении пептидными связями 20 аминокислотных остатков.

Внутреннее строение ферментов в биохимии характеризуется четырьмя типами структур:

• первичная связана с генетическим кодом;
• вторичная структура характеризует спирализацию цепи;
• третичная определяет пространственное укладывание спирали полипептидной цепи;
• четверичная связана с объединением глобул в активный олигомерный фермент.

Специфика процессов с одним субстратом

Кинетика ферментативных реакций уравнения Михаэлиса - Ментен объясняет связь между скоростью и концентрациями субстрата.

В 1903 году Л. Анри допустил, что фермент с субстратом образует некое промежуточное соединение. Если сам фермент считать Е, субстрат S, в таком случае интермедиат будет иметь вид ES.
Л. Михаэлис взял для анализа кинетики данного процесса механизм, который включает в себя две стадии: обратимую, необратимую.

Кинетические уравнения двух этих процессов имеют достаточно сложный вид. Для их решения используют стационарные концентрации. Скорость получения промежуточного соединения описывается законом действующих масс, связывает между собой начальные концентрации субстрата и фермента, текущие показатели, а также концентрации промежуточного вещества и продукта взаимодействия.

Особенности решения

Каковы основные кинетики ферментативных реакций? Таблица, используемая в физической химии, позволяет решать систему уравнений в следующих случаях:

• при уменьшении концентрации исходных веществ;
• при превышении количества продукта в сравнении с промежуточным комплексом.

Для ферментативных процессов выполняется соотношение скоростей, при котором вторая константа существенно превышает величину первой. Причина в неустойчивости промежуточного соединения, его несущественной концентрации.

По решению ИЮПАК константа, позволяющая описывать кинетику химического процесса, была названа константой Михаэлиса.

Экспериментальным путем была подтверждена линейная зависимость начальной скорости от концентрации субстрата.

Физический смысл константы Михаэлиса

Для того чтобы ответить на этот вопрос, принимают концентрацию субстрата, при которой фермент проявляет половину своей активности. Константа Михаэлиса имеет такую же размерность, что и первоначальная концентрация субстрата: моль\л.

Численные параметры данной постоянной величины располагаются в пределах 10 -2-10-8 М. В ходе экспериментальных исследований было установлено, что константа Михаэлиса является функцией температуры. Она зависит от наличия иных веществ, которые выполняют в процессе роль активатора либо ингибитора.

Частный случай

Если в ходе процесса достигается состояние, при котором наблюдается равенство констант, в системе устанавливается равновесие. Это дает возможность применять в ходе анализа ферментативных процессов приближение квазиравновесных концентраций.

В итоге существенно упрощается выражение для константы Михаэлиса, она характеризует сродство фермента к используемому субстрату.

Ингибирование ферментативных процессов

В качестве таких веществ выступают реактивы, которые при введении их в реакционную систему, существенно уменьшают скорость взаимодействия. Для ферментативного катализа требуется предварительна адсорбция субстрата, его четкое ориентирование относительно активных групп каталитического центра, а для ингибирования можно ограничиться только обычного связывания ингибитора с некоторыми фрагментами адсорбционного участка.

Проявлять свойства ингибиторов соединения могут из-за образования прочных комплексов (цианиды), а также при действии на карбонильную группу с денатурацией белков.

Типы ингибирования

Эффект замедления химического взаимодействия наблюдается по нескольким причинам:

• Ингибитор конкурирует за активный центр с субстратом, создавая с ферментом неактивный центр. В случае роста концентрации субстрата, восстанавливается активность в растворе самого фермента.
• Ингибитор присоединяется к иной части молекулы белка, формируя при этом неактивный комплекс. Фермент восстанавливает свою первоначальную активность под воздействием иных веществ, не затрагивая субстрата.

Скорость процесса связана со скоростью формирования конечного продукта через концентрации, константу Михаэлиса. Последнюю величину можно определять графически, а также выражать математическим путем из формулы. При неактивном комплексе ингибитор не мешает реакции между ферментом и субстратом, но существенно снижает скорость процесса.

При статистической обработке экспериментальных данных удалось для неконкурентного ингибирования выявить основные параметры, доказать связь между величиной скорости и показателями концентраций.

Кинетика химических процессов предполагает описание особенностей всех стадий используя постоянные величины, уравнение Михаэлиса-Ментен. В ходе экспериментальных исследований была выявлена зависимость между скоростью ферментативного процесса и изменением концентрации продукта взаимодействия или исходного субстрата.

Кроме того, установлена связь скорости с природой фермента. Именно от его особенностей напрямую зависит активность, особенности поведения в ходе взаимодействия. Мерой активности фермента считается одна стандартная единиц, характеризующая количество фермента, катализирующее превращение к мкмоль исходного субстрата за минуту.

Ферменты широко применяются в современной медицине, от их активности напрямую зависит быстрота определения проблемы, а также качество постановки медицинского диагноза пациенту.