60. Что изучает кинетика ферментативных реакций?

Кинетика действия ферментов – это раздел ферментологии, изучающий зависимость скорости реакции, катализируемой ферментами, химической природы и условий взаимодействия субстрата с ферментом, а также от факторов среды. Иначе говоря, кинетика ферментов позволяет понять природу молекулярных механизмов действия факторов, влияющих на скорость ферментативного катализа. Скорость ферментативной реакции определяется количеством вещества, которое превращается в единицу времени. Скорость этих реакций зависит от влияния внешних условий (температуры, рН среды, влияния природных и чужеродных соединений и т.д.).

Основы кинетики ферментативных реакций были заложены в работах Михаэлиса и Ментен. Скорость ферментативной реакции является мерой каталитической активности фермента и обозначается просто активность фермента. Измерить активность фермента можно только косвенно: по количеству превращаемого субстрата или нарастанию концентрации продукта в единицу времени.

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата и фермента. 

Ферментативная реакция схематически описывается уравнением

k+1 k+2 k+3

E + S Û ES Û EP Û E + P.

k-1 k-2 k-3

где k – константы скорости прямых (+) и обратных реакций (-).

Используя это уравнение, Бриггс и Холдейн вывели математическое выражение зависимости скорости реакции от концентрации субстрата:

V = V_max[S] / (K_m+ [S]),

где V – наблюдаемая скорость реакции; V_max– максимальная скорость реакции; K_m– константа Михаэлиса. Это уравнение называется уравнением Михаэлиса – Ментен. При V=1/2 V_maxпосле соответствующих преобразований уравнения Михаэлиса - Ментен K_mстановится равной концентрации субстрата, т.е. K_m= [S]. Следовательно, константа Михаэлиса имеет размерность концентрации. Она равна концентрации субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной, и выражается в молях на литр.

Графически зависимость скорости реакции от концентрации субстрата описывается гиперболой, называемой кривой Михаэлиса. Форма кривой показывает, что с увеличением концентрации субстрата все активные центры молекул фермента насыщаются.

Зависимость скорости реакции от количества ферментаносит линейный характер, что, как уже говорилось, отличает фермент от небиологических катализаторов. Чем больше число молекул данного фермента в клетке организма по сравнению с остальными, тем выше в ней скорость химических превращений, катализируемых этим ферментом. Если же какого-либо фермента недостаточно (нарушен синтез), то скорость реакции, катализируемая им, ограничивает ход связанных биохимических процессов.

Зависимость скорости реакции от рН среды.Обычно кривая зависимости скорости ферментативной реакции от рН среды имеет колоколообразную форму, поскольку для каждого фермента существует свой оптимум рН, при котором скорость катализируемой им реакции максимальна. Отклонение рН в ту или другую сторону ведет к снижению скорости ферментативной реакции.

Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры. С повышением температуры среды скорость ферментативной реакции увеличивается, достигая максимума при какой-то оптимальной температуре, а затем падает до нуля. Для химических реакций существует правило, что при повышении температуры на 10⁰С скорость реакции увеличивается в два – три раза. Для ферментативных реакций этот температурный коэффициент ниже: на каждые 10⁰С скорость реакции увеличивается в 2 раза и даже меньше. Наступающее вслед за этим снижение скорости реакции до нуля свидетельствует о денатурации ферментного блока. Оптимальные значения температуры для большинства ферментов находятся в пределах 20-40⁰С. Термолабильность ферментов связана с их белковым строением. Некоторые ферменты денатурируют уже при температуре около 40⁰С, но основная часть их инактивируется при температурах выше 40-50⁰С. Отдельные ферменты инактевирует холод, т.е. при температурах близких к 0⁰С, наступает денатурация.

Однако некоторые ферменты не подчиняются этим закономерностям. Так фермент каталаза наиболее активен при температурах приближающихся к 0⁰С. Имеются и термостабильные ферменты. Например, аденилаткиназа выдерживает кратковременно температуру 100⁰С без инактивации.