Специфичность ферментов

Структура активного центра фермента комплементарна структуре его субстрата (т.е. они подходят как ключ к замку). По этой причине фермент из множества веществ, имеющихся в клетке, присоединяет только свой субстрат. Эту особенность (свойство) называют субстратной специфичностью фермента. Например, структура активного центра гистидин-аммиак-лиазы комплемен­тарна структуре His. Поэтому возможно образование фермент-субстратного комплекса. С другими веществами, в том числе аминокислотами, гистидин- аммиак-лиаза не взаимодействует.

Каждый фермент катализирует не любые из всех возможных путей пре­вращения субстрата, а какое-либо одно. Это свойство называется специфично­стью пути превращения. Например, у ферментов гистидин-аммиак-лиазы и гистидиндекарбоксилазы один и тот же субстрат - гистидин, но катализируют эти ферменты разные превращения гистидина.

Различают субстратную, оптическую и групповую специфичность фер­ментов. Субстратная специфичность - когда фермент катализирует превраще­ние одного субстрата. Оптическая специфичность - когда фермент катализи­рует превращение только определенного оптического изомера. Так, ферменты гликолиза катализируют превращения только D-, но не L-фосфосахаров. И групповую специфичность - когда ферменты катализируют однотипные пре­вращения сходных по строению веществ. Так, гликозидазы действуют на гли- козидные связи, пепсин и трипсин - на пептидные связи, эстёразы - на слож­ноэфирные связи. Эти ферменты действуют на большое число субстратов, что позволяет организму обойтись ограниченным числом пищеварительных фер­ментов - иначе их потребовалось бы много больше.

Особенности кинетики ферментативных реакций

Михаэлис и Ментен предположили, что ферментативная реакция вклю­чает обратимое образование фермент-субстратного комплекса, который затем распадается с выделением свободного фермента и одного или более продуктов реакции. Таким образом, в простейшем случае реакцию можно представить как двухстадийный процесс:

E + S<=>ES-»E + P где Е - свободный фермент, S - субстрат, ES - фермент-субстратный ком­плекс, Р - продукт реакции, Ki - константа скорости образования ES, К₂ - кон­станта скорости диссоциации ES до Е + S, К₃ - константа скорости диссоциа­ции ES до Е + Р.

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.

Как можно видеть из рисунка (см. лекцию), график зависимости скоро­сти ферментативной реакции от концентрации субстрата имеет вид гиперболы. При высокой концентрации субстрата, когда все молекулы фермента находят­ся в форме фермент-субстратного комплекса (полное насыщение), скорость реакции становится максимальной (Ушах). Другим важным параметром фер­мента

является константа Михаэлиса (Км), по которой судят о сродстве фер­мента к субстрату. Она определяется как концентрация субстрата, при которой скорость ферментативной реакции равна половине от максимальной. Значение этого параметра хорошо видно на примере двух ферментов - гексокиназы и глюкокиназы, катализирующих одну и ту же реакцию фосфорилирования глюкозы:

глюкоза + АТФ > глюкозо-6-фосфат + АДФ

гексокиназа имеет Км < 0,1 мМ и поэтому катализирует реакцию при нор­мальном уровне глюкозы в крови, в то время как глюкокиназа имеет Км =10 мМ и поэтому катализирует реакцию в гепатоцитах только при повышенном (после приема пищи) уровне глюкозы в крови.

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента.

При насыщающих количествах субстрата зависимость скорости фермен­тативной реакции от концентрации фермента имеет линейный характер.

Поскольку количество фермента невозможно измерить в абсолютных величинах (например, в граммах), то пользуются условными единицами, осно­ванными на линейной зависимости скорости реакции от количества фермента.

В-системе СИ за единицу активности фермента (катал) принимают такое его количество, которое катализирует превращение 1 моль вещества за 1 се­кунду при оптимальных условиях (t, pH).

Часто, при проведении очистки фермента, определяют удельную актив­ность фермента: она равна числу единиц фермента в образце, деленному на массу вещества (в г).

Зависимость скорости реакции от температуры

Согласно правилу Вант-Гоффа при повышении температуры на каждые 10° скорость реакции увеличивается в 2-4 раза. Однако для ферментативных реакций это правило справедливо лишь в области низких температур. Для большинства ферментов оптимальная температура равна или несколько выше той, при которой в норме находятся клетки. Повышение реакции по мере при­ближения к оптимальной температуре слева объясняется увеличением кинети­ческой энергии реагирующих молекул. При дальнейшем повышении темпера­туры ускоряется денатурация фермента, что означает уменьшение его количе­ства, соответственно снижается и скорость реакции.

В лабораторных условиях количественное определение ферментов про­водят при температурах 25° или 30°, или 37°С.

Зависимость скорости реакции от pH среды

Умеренное изменение pH оказывает влияние на ионное состояние фер­мента, а часто и субстрата. Это влияет на сродство субстрата к активному цен­тру и на каталитический механизм. Колоколообразная форма кривой (см. лек­цию) означает, что существует некоторое оптимальное состояние ионизации фермента, обеспечивающее наилучшее соединение с субстратом и катализ ре­акции. Оптимум pH для ферментов лизосом находится обычно между 5,0 и 6,0. Для ферментов цитоплазмы оптимум pH находится между 7,0 и 8,0.