КИНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА

Любая ферментативная реакция протекает через ряд промежуточных стадий. Различают три основных этапа ферментативного катализа:

 

 

1 этап. ОРИЕНТИРОВАННАЯ СОРБЦИЯ СУБСТРАТА НА АКТИВНОМ ЦЕНТРЕ ФЕРМЕНТА С ОБРАЗОВАНИЕМ ОБРАТИМОГО E-S КОМПЛЕКСА (ФЕРМЕНТ-СУБСТРАТНОГО). На этом этапе происходит взаимодействие адсорбционного центра фермента с молекулой субстрата. При этом и субстрат подвергается конформационной перестройке. Все это происходит за счет возникновения слабых типов связей между субстратом и адсорбционным центром фермента. В результате этого молекула субстрата подается на каталитический центр в наиболее удобном для него положении. Этот этап является легко обратимым, потому что здесь участвуют только слабые типы связей. Кинетическая характеристика 1-го этапа ферментативного катализа - константа Михаэлиса (Км).

2 этап. ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ СУБСТРАТА В СОСТАВЕ ФЕРМЕНТ-СУБСТРАТНОГО КОМПЛЕКСА С ОБРАЗОВАНИЕМ КОМПЛЕКСА ФЕРМЕНТА С ХИМИЧЕСКИ ПРЕОБРАЗОВАННЫМ СУБСТРАТОМ. На этом этапе разрываются одни ковалентные связи и возникают новые. Поэтому этот этап протекает значительно медленнее, чем 1-й и 3-й этапы. Именно скорость второго этапа определяет скорость всей ферментативной реакции в целом. Значит, скорость ферментативного процесса в целом характеризуется величиной k₊₂, которая является почти всегда самой маленькой из всех частных констант скоростей. Кинетическая характеристика 2-го этапа - максимальная скорость (Vmax).

3 этап. ДЕСОРБЦИЯ ГОТОВОГО ПРОДУКТА ИЗ ЕГО КОМПЛЕКСА С ФЕРМЕНТОМ. Этот этап протекает легче, чем 2-й. Он, как и 2-й этап, тоже необратим. Исключение - обратимые ферментативные реакции.

 

Учение о скоростях. Любая химическая реакция характеризуется, кроме принципиальной возможности ее протекания (обусловленной законами термодинамики), скоростью процесса. Скорость ферментативной реакции - изменение [S] или [P] в единицу времени. Измерив ее скорость, то есть скорость в присутствии фермента, мы должны измерить скорость реакции и в отсутствии фермента (спонтанно протекающая реакция). Именно эта разность и характеризует работу фермента.

ИЗМЕРЯЯ СКОРОСТЬ РЕАКЦИИ, ВСЕГДА НАДО ИЗМЕРЯТЬ НАЧАЛЬНУЮ СКОРОСТЬ ПРОЦЕССА, то есть скорость ферментативной реакции, в достаточно короткий промежуток времени, когда концентрация субстрата меняется, не настолько значительно, чтобы это отразилось на скорости процесса. Единицы измерения скорости реакции могут быть разными. Лучше пользоваться молярными единицами, а время - это минуты или секунды, реже часы. Поэтому скорость реакции может выражаться, например, в мкмоль/мин или ммоль/час. Величина скорости определяется законом действующих масс. В общем случае скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ. В случае ферментативной кинетики - одно из реагирующих веществ - фермент, концентрация которого на много порядков МЕНЬШЕ, чем концентрация субстрата. Это определяет некоторые особенности кинетики ферментативного катализа.

V = k₊₂^. [E]^.[S]

1. ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ РЕАКЦИИ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ ФЕРМЕНТА ([E]) при постоянной и довольно большой концентрации субстрата ([S]>>[E], [S]=const) имеет такой вид:

Отклонение от линейности графика при очень высокой концентрации фермента возникает из-за нехватки субстрата, поэтому снижается скорость поступления субстрата на активный центр фермента. Определять скорость ферментативной реакции надо только в том диапазоне концентраций фермента, в котором график линеен.

Линейность этого графика позволяет выразить его одной цифрой - тангенс угла наклона к оси абсцисс. Этот тангенс представляет собой величину активности фермента. Именно работа (эффективность) каждого фермента количественно характеризуется величиной его активности, то есть величиной скорости ферментативной реакции в расчете на единицу количества фермента. Единицы активности могут быть различными: мкмоль S/мин^.мг или мкмоль S/мин^.мл сыворотки крови.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ АКТИВНОСТЬ - это количество молекул субстрата, которые превращаются одной молекулой фермента за одну минуту при 30^оС и прочих оптимальных условиях. Преимущество этой единицы - в том, что можно сравнивать не только активность ферментов из разных источников, но и эффективность разных ферментов. Например, молекулярная активность фермента каталазы составляет 5*10⁶, а карбоангидразы - 36*10^6­­.

Из линейности графика следует, что по скорости реакции можно судить о количестве фермента.

КАТАЛ - это количество фермента, которое обеспечивает превращение 1 моля субстрата за 1 секунду.

ЮНИТ - это количество фермента, которое превращает 1 мкмоль субстрата за 1 минуту. 1 Юнит = 16,67 нкатал

 

ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ РЕАКЦИИ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ СУБСТРАТА ПРИ [E] = const и [S] >> [E].

Чем выше концентрация субстрата, тем выше скорость реакции. Эта зависимость гиперболическая.

Предельное значение, к которому стремится гипербола - V_max данной реакции - характеризует максимальную работоспособность фермента:

 

V_max=k₊₂^.[E]

 

Таким образом, V_max - это предел, к которому стремится скорость реакции при бесконечном повышении концентрации субстрата.

К_м - это КОНСТАНТА МИХАЭЛИСА. Она численно равна той концентрации субстрата, при которой скорость реакции составляет половину от максимального значения.

Эта кривая описывается уравнением Михаэлиса-Ментен:

 

ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ К_м заключается в том, что она представляет собой константу равновесия между двумя реакциями, приводящими к распаду фермент-субстратного комплекса и той реакцией, которая ведет к образованию этого комплекса.

 

Поскольку значение k₊₂ всегда намного ниже, чем k_-1, то

 

K_s - субстратная константа. Характеризует константу равновесия 1-го этапа ферментативной реакции. Следовательно, К_м обычно тоже довольно близка к К_s. Следовательно, К_м, как и К_s, характеризует сродство субстрата к данному ферменту. Но экспериментально определить k_-1 и k₊₂ очень трудно, поэтому трудно определить и К_s. А вот К_м можно просто определить, используя координаты Лайнуивера-Бэрка ("Ферменты" стр. 26-27).

С помощью К_м можно характеризовать сродство данного фермента к данному субстрату. Чем меньше К_м, тем больше сродство фермента к данному субстрату, а значит тем больше равновесие первого этапа ферментативной реакции сдвинуто вправо - в сторону образования фермент-субстратного комплекса. Значит, будут созданы наилучшие условия для протекания и второго этапа ферментативного процесса. При таких условиях для достижения эффективного превращения субстрата требуется малая концентрация субстрата. Значит, и V_max теоретически может быть достигнута при малых количествах субстрата.

Если К_м высока, то это означает, что сродство фермента к такому субстрату низкое и реакция при небольших концентрациях субстрата протекает неэффективно.

К_м и V_max - это две кинетические константы, с помощью которых можно характеризовать эффективность работы фермента, в том числе и in vivo.