Кинетика ферментативного катализа

Скорость ферментативных реакций существенно зависит от многих факторов. К ним относятся концентрации участников ферментативного катализа (фермента и субстрата) и условия среды, в которой протекает ферментативная реакция (температура, рН, присутствие ингибиторов и активаторов).

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента

Для большинства ферментов зависимость скорости реакции от кон­центрации фермента (при постоянной концентрации субстрата) носит прямолинейный характер (рис.). Такой характер зависимости скорости от концентрации фермента объясняется тем, что концентрация любого фермента на несколько по­рядков ниже концентрации субстрата. Поэтому практически при любом увеличении количества фермента субстрата всегда будет достаточно для взаимодействия с ферментом.

V

[E]

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата

Пропорциональная зависимость скорости реакции от концентрации субстрата наблюдается лишь при его низких концентрациях, затем по­степенно прирост скорости реакции начинает отставать от роста кон­центрации субстрата, и в конце концов увеличение концентрации суб­страта перестает вызывать возрастание скорости реакции. Скорость ферментативных реакций при высоких концентрациях субстрата при­ближается к определенному пределу, который называется максималь­ной скоростью – V_мах (рис.).

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата

Физический смысл этого явления заключается в следующем: при очень низких концентрациях субстрата скорость реакции зависит от скорости поступления молекул субстрата на активный центр фермента. По мере роста концентрации субстрата количество свободных актив­ных центров уменьшается, так как фермент переходит в фермент-субстратный комплекс и лимитирующей стадией катализа теперь будет не присоединение субстрата к активному центру фермента, а дальней­шие превращения фермент-субстратного комплекса. При очень высо­ких концентрациях субстрата свободного фермента больше не будет, он весь находится в составе фермент-субстратного комплекса. В этом случае скорость ферментативной реакции станет максимальной и будет обусловлена концентрацией фермент-субстратного комплекса, т. е. концентрацией фермента.

Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры

График зависимости скорости ферментативной реакции от темпера­туры имеет колоколообразный характер (рис.). Вначале повышение температуры вызывает возрастание скорости ферментативной реакции затем скорость реакции достигает максимума, и при дальнейшем уве­личении температуры скорость реакции снижается вплоть до ее пре­кращения. Температура, при которой отмечается наибольшая скорость реакции, называется температурным оптимумом реакции - 1°_ор(.

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t°С

Рис. Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры

Возрастание ферментативной активности при повышении темпера­туры от низких величин до температурного оптимума (левая ветвь кри­вой на рис.) объясняется увеличением среднего энергетического уровня и числа столкновений реагирующих молекул с ростом темпера­туры. Согласно правилу Вант-Гоффа, повышение температуры на 10 °С вызывает увеличение скорости химической реакции в 2-4 раза. Это правило относится ко всем химическим реакциям, в том числе к фер­ментативным.

Снижение активности ферментов при повышении температуры вы­ше температурного оптимума (правая ветвь кривой на рис) объясня­ется тепловой денатурацией ферментного белка, которая при высоких температурах (80-100 °С) вызывает полную потерю каталитической ак­тивности фермента.

Для большинства ферментов температурный оптимум равен 37-40°С, т. е. соответствует температуре тела. В очень коротких опытах темпера­турный оптимум может быть более высоким, так как за очень малое время денатурация фермента произойти не успевает.

Как видно на рис. при очень низких (ниже О °С) и высоких (80-100 °С) температурах активность ферментов равна нулю. Однако при низких температурах ферменты сохраняют свою нативность и при по­вышении температуры у них вновь появляется каталитическая актив­ность.

В настоящее время ферменты выделяют из растворов путем лиофильной сушки, т. е. сушки в замороженном состоянии при очень низком давлении. Полученные таким образом лиофилизированные ферментные препараты хорошо сохраняются в течение длительного времени даже при комнатной температуре.

Действие же высоких температур приводит к необратимой потере ферментами способности ускорять химические реакции, так как в этом случае происходит их необратимая денатурация. Поэтому на практике для подавления ферментативной активности (например, ферментов микробов, вызывающих порчу пищевых продуктов) обычно использу­ется термическая обработка.