9. Кинетика ферментативных реакций. Особенности механизма ферментативных процессов.

Кинетика ферментативных реакций – наука о скоростях ферментативных реакций, их зависимости от различных факторов. Скорость ферментативной реакции определяется химическим количеством прореагировавшего субстрата или образовавшегося  продукта реакции в единицу времени в единице объема при определенных условиях:

,

где v – скорость ферментативной реакции,  – изменение концентрации субстрата или продукта реакции, t – время. 

Скорость ферментативной реакции зависит от природы фермента, которая определяет его активность. Чем выше активность фермента, тем выше скорость реакции. Активность фермента определяют по скорости реакции, катализируемой ферментом. Мерой активности фермента является одна стандартная единица активности фермента. Одна стандартная единица активности фермента – это такое количество фермента, которое катализирует превращение 1 мкмоль субстрата за 1 минуту.

В процессе ферментативной реакции фермент (Е) взаимодействует с субстратом (S), в результате образуется фермент-субстратный комплекс, который затем распадается с высвобождением фермента и продукта (Р) реакции:

Скорость ферментативной реакции зависит от многих факторов: от концентрации субстрата и фермента, температуры, рН среды, наличия различных регуляторных веществ, способных увеличивать или снижать активность ферментов.

Влияние концентрации субстрата и фермента на скорость ферментативной реакции

Рассмотрим влияние концентрации субстрата на скорость ферментативной реакции (рис. 30.). При низких концентрациях субстрата скорость прямо пропорциональна его концентрации, далее с ростом концентрации скорость реакции увеличивается медленнее, а при очень высоких концентрациях субстрата скорость практически не зависит от его концентрации и достигает своего максимального значения (V_max). При таких концентрациях субстрата все молекулы фермента находятся в составе фермент-субстратного комплекса, и достигается полное насыщение активных центров фермента, именно поэтому скорость реакции в этом случае практически не зависит от концентрации субстрата.

Рис. 30. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата

 

График зависимости активности фермента от концентрации субстрата описывается уравнением Михаэлиса – Ментен, которое получило свое название в честь выдающихся ученых Л.Михаэлиса и М.Ментен, внесших большой вклад в исследование кинетики ферментативных реакций,

где v – скорость ферментативной реакции; [S] – концентрация субстрата; K_M – константа Михаэлиса.

Рассмотрим физический смысл константы Михаэлиса. При условии, что v = ½ V_max, получаем K_M = [S]. Таким образом, константа Михаэлиса равна концентрации субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной.

Скорость ферментативной реакции зависит и от концентрации фермента (рис. 31). Эта зависимость носит прямолинейный характер.

Рис. 31. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента

Влияние температуры на скорость ферментативной реакции

Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры представлена на рис. 32.

Рис. 32. Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры.

 

При низких температурах (приблизительно до 40 – 50 ^оС) повышение температуры на каждые 10 ^оС в соответствии с правилом Вант-Гоффа сопровождается увеличением скорости химической реакции  в  2 – 4  раза. При  высоких  температурах   более 55 – 60  ^оС активность фермента резко снижается из-за его тепловой денатурации, и, как следствие этого, наблюдается резкое снижение скорости ферментативной реакции. Максимальная активность ферментов наблюдается обычно в пределах 40 – 60 ^оС. Температура, при которой активность фермента максимальна, называется температурным оптимумом. Температурный оптимум ферментов термофильных микроорганизмов находится в области более высоких температур.

 

Влияние рН на скорость ферментативной реакции

График зависимости ферментативной активности от рН представлен на рис. 33.

Рис. 33. Влияние рН на скорость ферментативной реакции

 

График зависимости от рН имеет колоколообразную форму. Значение рН, при котором активность фермента  максимальна, называется рН-оптимумом фермента. Значения рН-оптимума для различных ферментов колеблются в широких пределах.

 

Фермент	рН-оптимум
Пепсин	1,5
Фосфатаза	5,8
Уреаза	6,7
Трипсин	7,7
Каталаза	7,6
Аргиназа	9,7

 

Характер зависимости ферментативной реакции от рН определяется тем, что этот показатель оказывает влияние на:

a) ионизацию аминокислотных остатков, участвующих в катализе,

b) ионизацию субстрата,

c) конформацию фермента и его активного центра. Особенностью ферментативных реакций является очень малое количество фермента по сравнению с большим количеством веществ, на которые он действует.     Исторически асимметрические реакции связывались с живыми системами (например, с ферментативными реакциями) и объяснялись они с точки зрения довольно неопределенных концепций. Действительно, стереохимические особенности ферментативных реакций, в особенности в отношении правильного выбора субстрата и точного пути образования продукта, рассматривались до некоторой степени как биологическая загадка. Поэтому характер реакций объяснялся с точки зрения, несколько отличной от принятой в общей органической химии     Другая важная особенность ферментативных реакций (их отличие от модельных гомогенно-каталитических бимолекулярных процессов) заключается в том, что сорбированная молекула субстрата подвергается синхронному воздействию со стороны большого числа компонентов (электро-фильных и нуклеофильных групп) активного центра. Фактически речь идет о внутримолекулярном полифункциональном катализе, представ-     Особенностью ферментативных реакций является наличие механизмов регуляции их скорости. Благодаря регуляторным механизмам ферментативные реакции протекают со скоростями, соответствующими потребностям организма. Например, при выполнении мышечной работы резко повышается скорость реакций окисления, сопровождающихся выделением энергии, и одновременным снижением скорости реакций синтеза, потребляющих энергию. Во время отдыха после работы наблюдается возрастание скорости реакций синтеза химических соединений, использованных при выполнении физических нагрузок