Ферментативный катализ

Подавляющее большинство реакций, протекающих в организмах, осуществляется при помощи биологических катализаторов, которые имеют общее название "ферменты".

Ферменты – белки, входящие в состав клеток и тканей, катализирующие хим. реакции, протекающие в организме.

Характерная особенность ферментов - их специфичность

(свойство изменять скорость реакции одного типа и не влиять на многие другие реакции, протекающие в клетке)

Специфичность ферментов подразделяется на:

• Абсолютная специфичность (химическая) – действие каждого фермента на вещества строго определенного состава. Например, уреаза катализирует гидролиз мочевины, пепсин - расщепление белков, каталаза действует только на пероксид водорода.

• Стереохимическая специфичность заключается в том, что ферменты действуют только на определенные стереоизомеры органических соединений.

Причины высокой специфичности:

• Теория Фишера "замок-ключ" – молекула субстрата (ключ) точно соответствует по своей форме некоторому участку на молекуле фермента. При этом не происходит нарушения формы обеих молекул.

• Теория Кошланда (рука-перчатка) – он несколько видоизменил модель "ключ-замок". Согласно его гипотезе, субстрат присоединяется к активному центру, изменяет его форму, обеспечивая таким образом идеальное их соответствие.

Образование Ф-S комплекса может происходить за счет электрически заряженных группировок как на ферменте, так и на субстрате.

• Такими группировками могут быть RCOO^- или R-NH3⁺.

В результате такого взаимодействия в субстрате могут происходить определенные химические изменения, выражающиеся в образовании новых функциональных групп с совершенно иными полярными свойствами.

Т.о. специфичность фермента обусловлена его конфигурацией, строением и электрическими свойствами активной группы фермента.

Инактивация – явление разрушения фермента и утраты его активности в процессе протекания каталитической реакции.

Чем активнее фермент, тем он сильнее разрушается и значительная чувствительность к изменению внешних условий, температуры и рН среды.

Влияние рН на активность фермента объясняется изменением состояния ионизации не только фермента и субстрата в отдельности, но и фермент-субстратного комплекса.

Ферментативная реакция в целом протекает по схеме:

E - фермент, S - субстрат

ES - субстрат-ферментный комплекс,

P - продукт реакции

k₁, k_-1, k₂ - константы скоростей W₁, W_-1 и W₂.

• Наиболее медленной стадией является распад фермент-субстратного комплекса на продукты реакции и фермент. Значит, эта стадия будет определять скорость ферментативной реакции

W₂=K₂[ES];

• Эта скорость достигает max значения, когда весь фермент [E0] окажется связанным в виде фермент-субстратного комплекса:

W_max=k₂[E₀]

Согласно закону действующих масс

- скорость образования субстрат-ферментного комплекса будет равна:

W₁=k₁[S][E]

- скорость распада субстрат-ферментного комплекса W_-1 будет равна:

W_-1=k_-1[SE].

• При достижении стационарного состояния скорость образования субстрат-ферментного комплекса W₁ будет равна скорости его распада по обоим направлениям:

W₁=W_-1+W₂

k₁[S]{[E₀⁺]-[ES]}=k_-1[ES]+k₂[ES].

Преобразуем:

k₁[S][E₀]=k₁[S][ES]+k_-1[ES]+k₂[ES]

или

k₁[S][E₀]=[ES]{k₁[S]+(k_-1+k₂)};

Разделим на k₁

[S][E₀]=[ES]{[S]+ (k_-1+k₂)/k₁}.

(k_-1+k₂)/k₁=K_m

Выразим [ES]:

[ES]=[S][E₀]/([S]+K_m)

Т.к за образование продуктов р. отвечает W2, то для общей скорости реакции:

W₂=k₂[ES]=k₂[S][E₀]/(K_m+[S])

ур-е Михаэлеса-Мента

где Wmax = [E₀]* k₂ – это максимальная скорость, когда весь катализатор связан

При скорости ферментативной реакции

W₂=1/2_max

K_m=[S].

Km – константа Михаэлеса

График зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата выглядит следующим образом:

При небольших концентрациях [S] молекулы субстрата полностью располагаются на активных центрах и скорость ферментативной реакции прямо пропорциональна этой концентрации. Это участок ОА, отвечающий реакции 1-ого порядка. По мере занятости активных центров скорость падает и достигает постоянной величины.

В классическом виде уравнение Михаэлиса-Ментен выглядит следующим образом:

W=W_max*[S]/(K_S+[S])

K_m=(k_-1+k₂)/k₊₁=K_S+k₂/k₊₁

k_-1/k₊₁=K_S – константа диссоциации субстрат-ферментного комплекса или субстратная константа.

K_S зависит от природы субстрата и фермента и определяет степень их сродства. Чем меньше K_S, тем больше их сродство.

Уравнение: W=W_max*[S]/(K_m+[S]) называется уравнением Бригса-Холдейна

Для более удобного графического представления экспериментальных данных Берк и Лайнуивер преобразовали уравнение Бригса-Холдейна, исходя из принципа: если существует равенство между двумя величинами, то равны и их обратные величины;

По этому графику K_m и W_max определяются более точно.