Кинетика ферментативных реакций [6-8]

Кинетика – наука, изучающая закономерности изменения скорости химических реакций во времени. Кинетической закономерности подчиняются и ферментативные реакции. Особенностью их является образование фермент-субстратного комплекса, насыщение фермента субстратом.

Любую ферментативную реакцию можно описать уравнением

[E] + [S] ↔ [ES] + P,

где [S] – концентрация субстрата; [ES] – концентрация фермент-субстратного комплекса; Р – продукты реакции.

Это основное уравнение кинетики ферментативной реакции - Михаэлиса-Ментен.

Данное уравнение имеет несколько решений:

1. [S] >> K_S; тогда величиной K_S можно пренебречь и v = V_max, пока концентрация субстрата велика, скорость реакции близка к максимальной и практически мало изменяется до тех пор, пока уменьшение концентрации субстрата не будет значительным. Реакция будет иметь нулевой порядок (n = 0).

2. [S] << K_S; тогда практически скорость реакции будет описываться уравнением

,

где V_max и K_S – кинетические константы и данное уравнение – уравнение прямой линии; скорость ферментативной реакции пропорциональна концентрации субстрата. Это реакция первого порядка (n = 1).

3. Величина [S] – промежуточная; пусть [S] = K_S, v = 1/2V_max. В данном случае порядок реакции будет дробный (0 < n <1).

Таким образом, в ферментативных реакциях порядок реакции меняется в ходе самой реакции.

Влияние физико-химических факторов на активность ферментов

Все ферментативные реакции имеют 4 особенности:

1. высокая активность ферментов;

2) обратимость действия ферментов;

3) специфичность действия ферментов;

4) лабильность (чувствительность).

Важнейшим фактором, от которого зависит активность ферментов, является температура. Изменение скорости реакции при повышении температуры на каждые 10 С выражают температурным коэффициентом. Температурный коэффициент представляет собой отношение скорости реакции при данной температуре к скорости реакции при температуре на 10 С ниже данной.

Каждый фермент проявляет своё действие в пределах довольно узкой зоны рН. Оптимальное значение рН связано с аминокислотным составом ферментов.

В

0

20

40

60

80

100

120

0

2

6

8

10

12

14

16

0

20

40

60

80

100

0

1

2

3

4

5

6

7

се вещества, сопровождающие фермент в процессе реакции, можно подразделить на активаторы, ингибиторы и нейтральные соединения.

Активаторы – химические соединения, повышающие действие ферментов (например, глютатион активизирует действие протеаз, NaCl увеличивает активность амилаз); ингибиторы – соединения, подавляющие их активность (например, группа –CN подавляет активность дыхательных ферментов, находящихся в цитохромной системе) и нейтральные соединения – не оказывают никакого влияния на ферменты.

Процесс ингибирования может быть обратимым и необратимым.

Нарушение каталитической активности ферментов

Нарушение каталитической активности ферментов может быть обусловлено мутациями [6]. Известно много генетических болезней человека, при которых тот или иной фермент либо совсем неактивен, либо имеет какой-то дефект, затрагивающий его каталитическую или регуляторную функцию. При таких заболеваниях в полипептидных цепях «дефектного» фермента содержится одна или большее число «неправильных» аминокислот, появившихся в результате мутации участков ДНК, кодирующей этот фермент. Каталитическая активность фермента зависит не только от наличия определенных аминокислотных остатков в каталитическом и регуляторном центрах, но и от общей трехмерной структуры фермента. Поэтому замена одного аминокислотного остатка в каком-либо важном месте цепи может привести к изменению или даже к полной утрате каталитической активности фермента, подобно тому как замена всего лишь одного аминокислотного остатка в молекуле гемоглобина вызывает появление серповидноклеточного гемоглобина с нарушенной функцией. Если генетически измененный фермент входит в состав ферментной системы, катализирующей какой-нибудь центральный метаболический путь, то последствия такого изменения могут быть очень тяжелыми, вплоть до летальных нарушений метаболизма.

Одно из наиболее серьезных генетических заболеваний человека, вы­званных нарушениями структуры того или иного фермента – это альбинизм. В настоящее время считается, что причиной альбинизма является отсутствие (или блокада) фермента тирозиназы, необходимой для нормального синтеза меланина - особого вещества, от которого зависит окраска тканей.

Прилагается много усилий, чтобы предотвратить нежелательные последствия подобных генетических дефектов в ферментах. Один из испробованных подходов - это введение в организм нормальной, активной формы дефектного фермента, иммобилизованного в фильтрующей капсуле, вставленной в кровеносный сосуд. Использование такого метода позволяет надеяться, что метаболиты, накапливающиеся в организме вследствие какого-либо генетического дефекта, будут превращаться в нормальные продукты при прохождении крови через капсулу, содержащую активный фермент.

Генетические изменения в ферментах не всегда приводят к вредным последствиям. Часто они проявляются в изменении второстепенных признаков организма, таких как цвет глаз или волос. Например, характерная окраска сиамских кошек - это результат генетических изменений фермента, ответственного за синтез темного пигмента шерсти, вследствие этого дефекта фермент активен только в более холодных частях тела. Иногда в результате какого-либо генетического нарушения фермент начинает функционировать более эффек­тивно, что дает организму некоторое преимущество в борьбе за существование.