Влияние концентраций субстрата и фермента на скорость ферментативной реакции

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата носит гиперболический характер (рис. 18). При постоянной концентрации фермента скорость реакции постепенно увеличивается достигая максимума; когда дальнейшее увеличение концентрации субстрата уже не влияет на скорость реакции, в этом случае говорят, что фермент насыщен, а субстрат в избытке.

Зависимость скорости реакции от концентрации фермента (рис.18) является прямо пропорциональной; чем больше концентрация фермента, тем выше скорость реакции.

а)

б)

Рис. 18. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации: а - субстрата; б - фермента

Зависимость скорости реакции от времени

Как известно, скорость любой химической реакции (активности фермента) уменьшается со временем (рис.19). Уменьшение скорости ферментативной реакции во времени может быть связано с рядом при­чин:

- уменьшение концентрации субстрата;

- увеличение скорости обратной реакции;

- ингибирование фермента продуктом реакции;

-денатурация фермента.

Рис.19. Зависимость скорости ферментативной реакции от времени ([Р] и [S] - концентрации продукта и субстрата)

6.8. Регуляция активности ферментов

Регуляция активности ферментов может осуществляться путем взаимодействия с ними различных эндогенных биоактивных соединений или чужеродных веществ (например, лекарств и ядов).

Под действием одних регуляторов (активаторов) ферментатив­ная реакция может ускоряться, под действием других (ингибиторов) - замедляться.

Активация ферментов

В большинстве случаев активирующее действие на фермент оказывают вещества, влияющие на активный центр фермента. К тако­вым относятся кофакторы ферментов и субстраты. Таким образом, ко­факторы являются не только обязательными структурными компонента­ми ферментов-протеидов, но и их активаторами. Кроме ионов металлов и коферментов активирующее влияние могут оказывать предшественни­ки и активные аналоги коферментов, субстрат в известных пределах концентрации, некоторые органические и неорганические анионы. Так соляная кислота (анион СI^¯ ) активирует действие пепсина, желчные ки­слоты - действие панкреатической липазы.

Ингибирование ферментов

Ингибиторы - вещества, тормозящие действие ферментов. Раз­личают обратимое и необратимое ингибирование (инактивация). При­мерами необратимого ингибирования является действие солей тяжелых металлов, йодацетата, синильной кислоты и др.

В случае необратимого ингибирования молекула ингибитора вызывает стойкие, необратимые изменения или модификацию активного центра фермента. Чаще имеет место обратимое ингибирование, кото­рое, в свою очередь, делят на конкурентное и неконкурентное.

При конкурентном ингибировании ингибитор, обладая струк­турным сходством с субстратом, соединяется с ферментом, подменяя собой субстрат, конкурируя с ним. Так как часть фермента расходуется на образование комплекса фермент-ингибитор, то количество фермент-субстратного комплекса снижается, и падает скорость ферментативной реакции. Конкурентные ингибиторы, таким образом, подавляют актив­ность только одного фермента или группы ферментов со сходным ак­тивным центром. Механизм конкурентного ингибирования можно выра­зить следующей схемой:

F + S = FS = F + P;

F + I = FI,

где F - фермент; S - субстрат; I - ингибитор, Р - продукт.

Если повышать концентрацию субстрата, то доля комплекса FS увеличивается, а комплекса FI уменьшается. При достаточно высокой концентрации субстрата весь фермент будет в форме комплекса FS, и скорость реакции будет максимальной, несмотря на присутствие ингиби­тора.

В качестве примера конкурентного ингибирования рассмотрим торможение действия фермента холинэстеразы при помощи диизопропилфторфосфата, который является ингибитором также и других эстераз и пептидгидролаз, имеющих серии в активном центре.

Холинэстераза - фермент, каталитически ускоряющий гидролиз ацетилхолина на холин и уксусную кислоту:

Ацетилхолин

Уксусная кислота

Холин

Реакция идет с большой скоростью: одна молекула холинэстера­зы разлагает за одну минуту несколько миллионов молекул ацетилхоли­на. Этот процесс имеет огромное значение для нервной системы, так как ацетилхолин является промежуточным соединением в передаче нервного импульса. Действие холинэстеразы угнетается сильнейшим нервным ядом - диизопропилфторфосфатом, структура которого в некоторой части мо­лекулы подобна структуре ацетилхолина:

Ацетилхолин

диизопропилфторфосфат

К активному центру холинэстеразы вместо группировки

- ацетилхолина легко присоединяется группировка диизопропилфторфосфата: наступает торможение работы фермента со всеми вытекающими отсюда для организма последствиями.

Примером конкурентного ингибирования служит также торможе­ние сукцинатдегидрогеназы (СДГ) малоновой кислотой. Этот фермент катализирует окисление путем дегидрирования янтарной кислоты (сукцината) в фумаровую:

Малонат в результате структурного сходства с субстратом (сукцинат) реагирует с активным центром СДГ с образованием фермент–ингибитор -комплекса, однако при этом перенос водорода от малоната не происходит.

Метод конкурентного торможения нашел широкое применение в медицинской практике. Например, для лечения некоторых инфекционных заболеваний, вызываемых бактериями, применяют сульфаниламидные препараты. Эти препараты имеют сходство с парааминобензойной кисло­той, которую бактериальная клетка использует для синтеза фолиевой кислоты, являющейся составной частью ферментов бактерий. Благодаря этому структурному сходству, сульфаниламид блокирует действие фер­мента путем вытеснения параминобензойной кислоты из комплекса с ферментом, синтезирующим фолиевую кислоту, что ведет к торможению роста бактерий:

n-аминобензойная кислота

сульфаниламид

Некоторые аналоги витамина В₆ и фолиевой кислоты, например, дезоксипиридоксин и аминоптерин, действуют как конкурентные коферментные ингибиторы (или антивитамины), тормозящие многие биохими­ческие процессы в организме.

Неконкурентное ингибирование вызывается веществами, не имеющими структурного сходства с субстратами. При этом ингибитор влияет на каталитическое превращение, но не на связывание субстрата с ферментом. Неконкурентный ингибитор или связывается непосредст­венно с каталитическим участком активного центра, или, связываясь с ферментом в одном из аллостерических центров, изменяет конформацию активного центра таким образом, что затрагивает структуру ката­литического участка. Так как неконкурентный ингибитор не влияет на связывание субстрата, то в отличие от конкурентного ингибирования наблюдается образование тройного комплекса по уравнению

F + S +I→ FSI.

Однако превращения этого комплекса в продукты реакции не происхо­дит.

Примером неконкурентного ингибирования может служить бло­кирование ферментов ионами тяжелых металлов (Hg , As , Pb, Cd ), ко­торые присоединяются к сульфогидрильным (-SH) группам полипептидной цепи каталитического участка. Торможение солями синильной ки­слоты, угарным газом основано на том, что анионы СN¯ или молекулы СО прочно соединяются с трехвалентным железом, входящим в катали­тический участок геминового фермента - цитохромоксидазы. Блокада этого фермента выключает дыхательную цепь, и клетка погибает.

Снять действие неконкурентного ингибитора избытком субстра­та (как действие конкурентного) нельзя, а можно лишь веществами, связывающими ингибитор. Эти вещества называют реактиваторами.

Ионы тяжелых металлов лишь в небольших концентрациях яв­ляются неконкурентными ингибиторами. В больших концентрациях они выступают как инактиваторы (оказывают денатурирующее действие).

Неконкурентные ингибиторы применяются как фармакологиче­ские средства, отравляющие вещества для борьбы с вредителями сель­ского хозяйства и в военных целях.