3.5.6. Кофакторы

 

Как мы уже отмечали, некоторые ферменты проявляют свою каталитическую активность лишь совместно с малыми молекулами небелковой природы, называемыми кофакторами. В этом случае белковую часть фермента называют апоферментом. Один класс кофакторов составляют малые органические молекулы – коферменты, которые активируют соответствующие апоферменты, акцептируя атомы водорода или протоны от ES. Например, ферменту глутаматдегидрогеназе требуется кофермент NAD (никотинамидадениндинуклеотид),который отщепляет атом водорода от глутамата:

 

Глутамат + NAD    –Кетоглутарат + NADH + NН₃.

 

Многие коферменты являются производными витаминов. Поскольку апоферменты не функционируют без своих коферментов, неудивительно, что недостаток витаминов может приводить к серьезным последствиям.

Другим ферментам в качестве кофакторов требуются одно– или двухвалентные ионы металлов; при этом обычно наблюдается высокая ионная избирательность. Некоторые ферменты, активируемые ионами, указаны в табл. 3–4 вместе со своими ионами–кофакторами. Особого упоминания заслуживает ион кальция, который отличается от большинства других распространенных и важных в физиологическом отношении ионов тем, что его концентрация в клетке очень мала (менее 10^–6 М). Другие ионы, например Mg^2 + , Na ⁺ , К ⁺ и Cl¯, обычно присутствуют в клетке в избыточных концентрациях, а содержание Са²⁺ относительно некоторых ферментов является лимитирующим. Концентрация Са²⁺ в цитоплазме регулируется наружной мембраной и внутриклеточными органеллами, в том числе митохондриями (см. гл. 9). Таким способом клетка может регулировать активность Са²⁺ –зависимых ферментов. К физиологическим процессам, регулируемым ионами кальция, относятся мышечное сокращение, секреция нейромедиаторов и гормонов, активность ресничек, самосборка микротрубочек и амебоидное движение.

 

Т а б л и ц а 3–4. Некоторые ферменты и эффекторы, требующие или содержащие в качестве кофакторов ионы металлов (Lehninger, 1975)

 

Zn2 + Алкогольдегидрогеназа Карбонат–дегидратаза Карбоксипептидаза Са2 + Протеинкиназа С Тропонин Фосфодиэстераза Mg2 + Фосфогидролазы Фосфотрансферазы Мn2 + Аргиназа Фосфотрансферазы Fe2+ или Fe3 + Цитохромы Пероксидаза Каталаза Ферредоксин Cu2 + (Cu+) Тирозиназа Цитохромоксидаза K+ Пируватфосфокиназа (нуждается также в Mg2 + ) Na+ АТРаза плазматической мембраны (нуждается также в К+ и Mg2 + )

 

 

 

 

3.5.7. Кинетика ферментативных реакций

 

Скорость ферментативной реакции зависит от концентраций субстрата, продукта реакции и активного фермента. Для простоты предположим, что продукт выводится из системы сразу после его образования. Скорость реакции будет лимитироваться концентрацией фермента или субстрата. Допустим далее, что фермент в системе присутствует в избытке, так что скорость, с которой субстрат А превращается в продукт Р, в реакции

     

k

A   P

 

определяется концентрацией субстрата:

d A / dt = k A                                           (3–5)

 

где [А] – текущая концентрация субстрата, k– константа скорости реакции, a d[A]/dt–скорость превращения А в Р. Кинетические кривые расходования А и накопления Р представлены на рис. 3–18. Можно видеть, что [А] падает по экспоненциальному закону, а [Р] растет также по экспоненте. Экспоненциальная временная зависимость имеет место всегда, когда скорость изменения какой–либо величины (в данном случае d[A]/dt) прямо пропорциональна текущему значению той же величины (в данном случае [А]). О кинетике такой реакции говорят, что это кинетика первого порядка (рис. 3–19, Б). Константа скорости реакции первого порядка имеет размерность обратного времени, т. е. с^–1. Величина, обратная константе скорости, называется постоянной времени и имеет размерность времени. Таким образом, для реакции первого порядка с константой скорости 10с^–1 постоянная времени составляет 0,1 с.

 

Рис. 3.18. Кинетические кривые изменения концентраций субстрата S  и продукта Р  в реакции  S P

 

Рис. 3.19. Кинетические кривые нулевого (А) и первого (Б) порядков в координатах, дающих линейную зависимость от времени. Здесь х — количество субстрата А, прореагировавшего за время t, a – исходное количество А в момент времени t = 0. Обратите внимание на то, что график кинетики первого порядка представлен в полулогарифмических координатах, в которых прямая линия отвечает экспоненциальной временной зависимости

 

 

В ферментативной реакции с двумя субстратами, А и В,

	k
А + В		Р,

 

скорость расходования А прямо пропорциональна произведению [А] [В]:

 

d A / dt = kA B                                        (3–6)

 

Такая реакция протекает согласно кинетике второго порядка.

Следует отметить, что порядок реакции не определяется числом разновидностей субстрата, участвующих в реакции, а лишь теми из них, концентрация которых лимитирует скорость реакции. Так, если концентрация компонента В много больше концентрации А, реакция А + В  Р превратится в реакцию первого порядка, поскольку скорость реакции лимитируется концентрацией лишь одного субстрата.

Скорость реакции не будет зависеть от концентрации субстрата, если лимитирующей является концентрация фермента и все молекулы фермента находятся в комплексе с субстратом (т. е. если произошло насыщение фермента). Такие реакции протекают согласно кинетике нулевого порядка (рис. 3–19, А).

Если построить график зависимости начальной скорости v₀ реакции S  Р от концентрации субстрата [S] при постоянной концентрации фермента, то мы увидим, что в области малых концентраций имеет место реакция первого порядка (т. е. v₀  [S]). При более высоких концентрациях субстрата, однако, она переходит постепенно в реакцию нулевого порядка, поскольку весь фермент насыщается субстратом и v₀ лимитируется в конечном счете концентрацией фермента, а не субстрата (рис. 3–20). В живой клетке протекают самые разные в кинетическом отношении реакции, в том числе реакции смешанного порядка.

 

Рис. 3.20. При постоянной концентрации фермента начальная скорость v0 реакции S  Р линейно возрастает с увеличением концентрации субстрата; далее происходит насыщение фермента субстратом, и, начиная с какого–то значения [S], скорость реакции лимитируется величиной E]