3.4. Кинетика ферментативных реакций

Ферментативная кинетика занимается исследованием закономерностей влияния химической природы реагирующих веществ (ферментов, субстратов) и условий их взаимодействия (концентрация, рН среды, температуры, присутствие активаторов или ингибиторов) на скорость ферментативной реакции.

Общие принципы кинетики химических реакций применимы и к ферментативным реакциям. Любая химическая реакция характеризуется константой термодинамического равновесия, достигаемой системой, и обозначается К_р. Так, например, для реакции:

А+В С+Д, К_р= .

Константы равновесия обычно находят из соотношения констант скоростей прямой и обратной реакций: К_р= к ₊₁ / к _–1.

В состоянии равновесия скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции, а константа равновесия равна отшению констант скоростей прямой и обратной реакций. Величину, обратную константе равновесия, принято называть субстратной константой или, в случае ферментативной реакции, константой диссоциации фермент-субстратного комплекса, и обозначать символом К_s.

Так, в реакции E+ S ES, К_s= = константа К_s зависит от химической природы субстрата и определяет степень их родства. Чем ниже значение К_s, тем выше сродство фермента к субстрату.

Для ферментативных реакций характерна особенность, связанная с явлением насыщения фермента субстратом. При низких концентрациях субстрата зависимость скорости реакции от концентрации субстрата является почти линейной и подчиняется кинетике первого порядка (скорость реакции S → P прямо пропорциональна концентрации субстрата). При высоких концентрациях субстрата скорость реакции максимальна, становится постоянной и не зависящей от концентрации субстрата. Реакция подчиняется кинетике нулевого порядка и целиком определяется концентрацией фермента. Возможны также реакции второго порядка, скорость которых пропорциональна произведению концентраций двух реагирующих веществ. В определенных условиях при нарушении пропорциональности говорят иногда о реакциях смешанного порядка.

Изучая явление насыщения, Л.Михаэлис и М.Ментен разработали общую теорию ферментативной кинетики. Они исходили из предположения, что ферментативный процесс протекает в виде следующей химической реакции:

E+ S ES ,

т.е. фермент E вступает во взаимодействие с субстратом S с образованием промежуточного комплекса ES, который далее распадается на свободный фермент и продукт реакции Р. Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата описывается уравнением, названным в честь ученых уравнением Михаэлиса-Ментен:

,

где v – наблюдаемая скорость реакции при данной концентрации субстрата [S]; K_s – константа диссоциации фермент-субстратного комплекса, моль/л; V_max – максимальная скорость реакции при полном насыщении фермента субстратом.

Уравнение Михаэлиса-Ментен в классическом виде не учитывало влияния на скорость ферментативного процесса продуктов реакции. Поэтому было предложено уравнение Бриггса-Холдейна:

,

где К_m представляет собой константу Михаэлиса.

К_m = K_s+

Для определения численного значения К_m обычно находят ту концентрацию субстрата, при которой скорость ферментативной реакции v составляет половину от максимальной V_max , т.е. если v = ½ V_max. Подставляя в уравнение Бриггса-Холдейна, получаем

,

разделив обе части уравнение на V_max

или К_m+S=2S, откуда К_m= S.

Таким образом, константа Михаэлиса численно равна конценрации субстрата (моль/л), при которой скорость данной ферментативной реакции составляет половину от максимальной.

Определение величины К_m имеет важное значение при выяснение механизма действия эффектов на активность ферментов и др.