1.7.6. Ферментативный катализ

Практически все биохимические реакции как у простейших одноклеточных, так и у высших – животных и растений, носят каталитический характер. В качестве катализаторов этих биохимический реакций выступают вещества белковой природы, вырабатываемые клетками живых организмов, – ферменты (от лат. fermentum – закваска). Регуляция обмена веществ на клеточном уровне осуществляется путем регуляции скорости синтеза, концентрации и каталитической активности ферментов, выполняемой при участии генов.

Следует отметить две характерные особенности ферментов в сравнении с обычными катализаторами:

• они проявляют каталитическую активность в нормальных условиях температур, давлений и кислотности среды;

• обладают высокой специфичностью, избирательно ускоряя только вполне определенные биохимические реакции.

Ферменты часто называют биологическими катализаторами. Высокая организованность процессов ферментативного катализа определяется особенностью взаимодействия в живом организме, связанной с особым сочетанием молекулярного строения ферментов и субстрата – реагирующей молекулы.

Молекула фермента имеет полярные группы COOH, NH₂, NH, OH, SH, а также гидрофобные группы. Первичная структура фермента обусловливается порядком чередования различных аминокислотных остатков. В результате теплового хаотического движения макромолекула фермента изгибается и свертывается в рыхлые клубки. Между отдельными участками полипептидной цепи возникает межмолекулярное взаимодействие, приводящее к образованию водородных связей. Возникает вторичная рыхлая структура фермента. Для каждого фермента вторичная структура индивидуальна. В активный каталитический центр фермента входят группы, которые ориентируют молекулы субстрата в определенном положении. Механизм ферментативного катализа состоит во взаимодействии активных центров фермента с субстратом с образованием фермент-субстратного комплекса, который претерпевает затем несколько превращений, в результате которых появляются продукты реакции. Простейшая схема ферментативного катализа описывается реакцией:

(;k2;(;k1 ,

где k_i – константы скоростей реакций.

Начальная скорость в этой простейшей кинетической схеме ферментативной реакции зависит от концентраций фермента и субстрата в соответствии с уравнением Михаэлиса – Ментен:

,

(289)

где – начальная скорость ферментативной реакции, рассчитываемая по скорости образования продукта Р, моль/(л∙мин)); [E]₀ и [S]₀ – исходные концентрации фермента и субстрата, моль/л; k₂ – константа скорости реакции образования продуктов при диссоциации фермент-субстратного комплекса, мин^–1; K_М – константа Михаэлиса, моль/л; – максимальная скорость реакции (при бесконечно большой концентрации субстрата).

Константа Михаэлиса равна концентрации субстрата, при которой начальная скорость реакции равна половине максимальной скорости:

(290)

Константы скорости реакции и константа Михаэлиса зависят от природы веществ, участвующих в ферментативной реакции, и от температуры.

Константа Михаэлиса характеризует специфичность фермента по отношению к субстрату (чем меньше, тем фермент специфичнее). Типичные значения K_М – от 10^–6 до 10^–1 моль/л.

Уравнение (289) можно линеаризировать и записать в других координатах, удобных для обработки экспериментальных данных:

.

(291)