12 . Кинетика ферментативных реакций.

Любая химическая реакция характеризуется константой термодинамического равновесия (Кр).

R +1 {C}{D}

А + В ==== C + D; Кр =------------ Кр = R+1/ R – 1

R – 1 {A}{B}

Величину, обратную константе равновесия (Кр), принято называть константой диссоциации фермент – субстратного комплекса (Кs).

R+1 {E} {S}

E + S ==== ES ; Ks = ------------ = R-1 / R+1

R-1 {ES}

Чем ниже Ks, тем выше сродство фермента к субстрату. При низкой концентрации субстрата зависимость скорости реакции от {S} является почти линейной и подчиняется кинетике 1-го порядка. Это означает, что скорость реакции S -------- P прямо пропорциональна {S} и определяется следующим уравнением:

V= R` {S}, где R` - константа скорости.

При высокой концентрации субстрата скорость реакции максимальна и становится постоянной, независящей от {S}.

V = R``(реакция нулевого прядка)

---------------

1. реакция первого порядка

2. реакция смешанного порядка

3. реакция нулевого порядка

Теория ферментативной кинетики.

R+1 R+2

E+S =====ES ------- E+P

R-1

Уравнение Михаэлиса-Ментена:

Vmax {S}

V= --------------

Ks + {S}

Отсюда видно, что при высокой {S} и низкой Ks V=Vmax (нулевой порядок); при низкой {S} – V=R`{S} (первый порядок). Однако уравнение Михаэлиса - Ментена не учитывает влияние на скорость ферментативного процеса продуктов реакции, поэтому его несколько усовершенствовали:

Vmax {S}

V= ---------------

Km +{S}

Km – константа Михаэлиса – это такая концентрация субстрата (моль/л), при которой скорость данной ферментативной реакции составляет половину от максимальной. Её определение необходимо для количественной оценки степени сродства фермента к субстрату. Чем ниже Km, тем выше степень сродства фермента к субстрату. Km – генетически детерминированная константа, является средством регуляции интенсивности метаболических процессов. В разных тканях ферменты имеют разные значения Km.

Km мозга < Km мышечной ткани < Km жировой ткани .

Для 1-го фермента V реакции = 50%

Для 2-го фермента V реакции =20%

Для 3-го фермента V реакции = 10%

Лайнцивер и Бэри преобразовали предыдущее уравнение по методу двойных обратных величин. Исходя из того принципа, что если существует равенство между двумя какими-либо величинами, то и обратные величины также будут равны:

Vmax {S} Km + {S} Km

если V=---------------- , то 1/ V=-------------- или 1/V = ------------- + 1/Vmax

Km + {S} Vmax {S} Vmax {S}

Факторы, влияющие на скорость ферментативной реакции.

1) Концентрация фермента (чем выше концентрация фермента, тем выше скорость реакции)

2. Концентрация субстрата

Для простых ферментов зависимость имеет вид гиперболы.

3) Температура

Согласно правилу Вант-Гоффа, при повышении температуры на каждые 10 С скорость реакции возрастает в 2-3 раза. То есть, с одной стороны, по мере увеличения температуры увеличивается средняя энергия молекул, при этом они активизируются, выше частота их соударений, выше подвижность отдельных элементов активного центра фермента и скорость реакции увеличивается, но до известного предела. При дальнейшем повышении температуры (выше 45С) скорость реакции понижается. Это объясняется белковой природой фермента, который может пдвергаться тепловой денатурации, что резко понижает эффективную концентрацию фермента и соответственно скорость реакции.

При низких температурах (0 и ниже) ферменты не денатурируются, хотя активность их падает почти до нуля. Исходя из этого, существует температурный оптимум, в пределах которого ферменты нормально работают.

4) Величина рН

При действии рН происходит 3 явления:

1)изменение ионизации и заряда на поверхности аллофермента;

2) изменение степени ионизации функциональных групп активного центра;

3) изменение ионизации самого субстрата.

Так, при сдвиге рН в кислую сторону происходит следующее:

СООН== СОО + Н СОО + Н ---- СООН

NH₃ === NH₂ +H рН <7 NH₃ + H ---- NH₄ нет взаимодействия

При сдвиге рН в основную сторону:

СООН+ ОН ==== СОО + НО

NH₃ + OH === NH₂ + Н₂О рН>7

То есть и в этом и в другом случае происходит перезарядка функциональных групп активного центра. Поэтому здесь тоже существует свой оптимум рН. Для разных ферментов он разный: пепсин - рН = 1,5-2,5; сахароза – рН = 4; трипсин – рН = 7,7-7,8; ариназа- рН = 8,5-10,0.

5) Концентрация продукта

Оказывает влияние на скорость реакции по принципу обратной связи, то есть тормозит. При наполнении продукта вся система блокируется на последней стадии (ретроингибирование). Так, например, накопление молочной кислоты, образующейся при распаде глюкозы, приводит к снижению последней и формированию утомления.