Біологія для студентів - 27

Кінетика ферментативних реакцій. Кінетика вивчає швидкості, механізми реакцій і вплив на них таких факторів, як концентрації ферментів і субстратів, темпера-туру, рН середовища, присутність інгібіторів або активаторів.

При постійній концентрації субстрату швидкість реакції прямо пропорційна концентрації ферменту. Графік залежності швидкості ферментативної реакції від кон-центрації субстрату має вигляд равнобочной гіперболи.

Залежність швидкості ферментативної реакції від концентрації ферменту (а) і субстрату (б)

Залежність швидкості ферментативної реакції від концентрації субстрату описується рівнянням Міхаеліса - Ментен.

де V - стаціонарна швидкість біохімічної реакції; Vmax - максимальна швидкість; Кm - константа Міхаеліса; [S] - концен-трація субстрату.

Якщо концентрація субстрату низька, т. Е. [S] <<Кm, то [S] в знаменателе можно пренебречь.

Таким чином, при низьких концентраціях-ях субстрату швидкість реакції прямо пропор-нальних концентрації субстрату і описи-ється рівнянням першого порядку. Це з-відповідає початковому прямолінійним навчаючи-стку кривої V = f [S] (малюнок б).

При високих концентраціях субстрату [S] >> Кm, коли Кm можна знехтувати, рівняння Міхаеліса - Ментен набуває вигляду, тобто V = Vmax.

Таким чином, при високих концентраціях субстрату швидкість реакції стано-вится максимальної і описується рівнянням нульового порядку. Це відповідає ділянці кривої V = f [S], паралельного осі абсцис.

При концентраціях субстрату, чисельно порівнянних з Констан-тій Міхаеліса, швидкість реакції зростає поступово. Це цілком узгоджується з уявленнями про механізм ферментативної реак-ції:

де S - субстрат; Е - фермент; ES - фермент-субстратної комп-лекс; Р - продукт; k1 - константа швидкості утворення фермент-субстратного комплексу; k2 - константа швидкості розпаду фермент-субстратного комплексу з утворенням вихідних реагентів; k3 - константа швидкості розпаду фермент-субстратного комплексу з обра-ням продукту.

Швидкість перетворення субстрату з утворенням продукту (Р) про-пропорційна концентрації фермент-субстратного комплексу [ES]. При малих концентраціях субстрату в розчині є деяка кількість вільних молекул ферменту (Е), які пов'язані в комплекс (ES). Тому при збільшенні концентрації субстрату концентрація когось комплексів зростає, отже, зростає і швидкість освіти продук-ту. При великих концентраціях субстрату все молекули ферменту пов'язані в комплекс ES (явище насичення ферменту), тому даль-нейшее підвищення концентрації субстрату практично не увеличи-кість концентрацію комплексів і швидкість утворення продукту залишається сталою.

Таким чином, стає очевидним фізичний зміст максимальної швидкості ферментативної реакції. Vmах - це швидкість, з якою реагує фермент, повністю існуючий у вигляді фермент-суб-стратного комплексу.

Константа Міхаеліса чисельно відповідає такій концентрації-ції субстрату, при якій стаціонарна швидкість дорівнює половині максимальної. Дана константа характеризує кон-константи дисоціації фермент-субстратного комплексу:

Фізичний сенс константи Міхаеліса в тому, що вона характе-ризует спорідненість ферменту до субстрату. Кm має малі значення, коли k1> (k2 + k3), тобто процес утворення комплексу ES преоб-ладает над процесами дисоціації ES. Отже, чим менше значення Кm, тим спорідненість ферменту до субстрату більше. І, наобо-рот, якщо Кm має велике значення, то (k2 + k3)> k1 і процеси дисоціації ES переважають. В цьому випадку спорідненість ферменту до субстрату невелике.

Інгібітори і активатори ферментів. Інгібіторами ферментів називаються речовини, які знижують активність ферментів. Будь-які денатурирующие агенти (наприклад, солі важких металів, кислоти) є неспецифічними інгібіто-рами ферментів.

Оборотні інгібітори - це з'єднання, які нековалентно взаємодіють з ферментом. Необоротні інгібітори - це з'єднання, специфічно зв'язують функціональні групи активного центру і утворюють ковалентні зв'язки з ферментом.

Оборотне інгібування поділяють на конкурентну і неконку-рентне. Конкурентне інгібування передбачає структурний сход-ство інгібітора і субстрату. Інгібітор займає місце в активному центрі ферменту, і значна кількість молекул ферменту ока-ни опиняються блоковано. Конкурентне інгібування можна зняти, якщо підвищити концентрацію субстрату. В цьому випадку субстрат ви-тісняться конкурентний інгібітор з активного центру.

Оборотне інгібування може бути неконкурентним в ставлення-ванні субстрату. В цьому випадку інгібітор не конкурує за місце приєднання до ферменту. Субстрат і інгібітор зв'язуються з раз-ними центрами, тому з'являється можливість утворення комплексу IE, а також і потрійного комплексу IES, який може роз-датися із звільненням продукту, але з меншою швидкістю, ніж комп-лекс ES.

За характером своєї дії інгібітори поділяються на:

Специфічні інгібітори надають свою дію на фермент, приєднуючись ковалентним зв'язком в активному центрі ферменту і вимикаючи його зі сфери дії.

Неспецифічне інгібування передбачає вплив на фер-мент денатуруючих агентів (солей важких металів, сечовини та ін.). В цьому випадку в результаті руйнування четвертинної і третіч-ної структури білка відбувається втрата біологічної активності ферменту.

Активатори ферментів - це речовини, що збільшують швидкість фермен-татівной реакції. Найчастіше в якості активаторів виступають іони метал-лов (Fe2 +, Fe3 +, Cu2 +, Co2 +, Mn2 +, Mg2 + і т.д.). Розрізняють метали, що знаходяться в складі металлоферментов, є кофакторами, і ви-ступають як активатори ферментів. Кофактори можуть міцно зв'язок-тися з білкової частиною ферменту, що ж стосується активаторів, то вони легко відділяються від апофермента. Такі метали є обов'язковими учасника-ми каталітичного акта, що визначають активність ферменту. Активатори усі-чених каталітична дія. але їх відсутність не перешкоджає протека-нию ферментативної реакції. Як правило, метал-кофактор Взаємодія-ет з негативно зарядженими угрупованнями субстрату. Метал зі змінною валентністю бере участь в обміні електронів між субстратом і ферментом. Крім того, вони беруть участь в утворенні ста-більной перехідною конформації ферменту, що сприяє більш швидко-му утворення ES комплексу.

Регуляція активності ферментів. Одним з основних механізмів регуляції метаболізму служить регуляція активності ферментів. Одним із прикладів є аллостерічеськая регуляція, регуляція за допомогою активаторів та інгібіторів. Часто буває так, що кінцевий продукт метаболічного шляху є інгібітором регуляторного ферменту. Такий тип інгібування називається ретроінгібірованіем, або пригніченням за принципом негативного зворотного зв'язку.

Багато ферменти виробляються у вигляді неактивних предше-ственник-проферментов, а потім в потрібний момент активуються за рахунок часткового протеолізу. Частковий протеоліз - відщеплення частини молекули, що призводить до зміни третинної структури білка і формуванню активного центру ферменту.

Деякі ферменти-олігомери можуть змінювати свою активність за рахунок асоціації - дисоціації субодиниць. що входять в їх со-ставши.

Багато ферменти можуть перебувати в двох формах: у вигляді про-стого білка і у вигляді фосфопротеіди. Перехід з однієї форми в дру-гую супроводжується зміною каталітичної активності.

Швидкість ферментативної реакції залежить від кількості ферменту. яке в клітці визначається співвідношенням швидкостей його синтезу і розпаду. Цей спосіб регуляції швидкості ферментативної реакції є більш повільним процесом, ніж регуляція активності фер-мента.