Общие представления о катализе

Вероятность протекания химической реакции определяется разницей между свободной Е исходных веществ и свободной Е продуктов реакции. Ферменты ускоряют химические реакции за счет энергии активации – Е_а.

Е_а – это дополнительная энергия, необходимая для перевода всех молекул одного вещества в активное состояние при данной температуре. (Аррениус – понятие об Е_а).

Таким образом, V_фр зависит от энергетического барьера, который необходимо преодолеть реагирующим веществам, причем высота этого барьера неодинакова для различных реакций.

Чем выше энергия активации, тем медленнее протекает реакция. E_a не виляет на изменение свободных ферментов исходных веществ и продуктов реакции, то есть ∆G, то есть энергетическая возможность реакции не зависит от фермента.

Фермент понижает E_a (пик 2), то есть снижает высоту барьера в результате чего возрастает доля реакционноспособных молекул, а, следовательно, увеличивается V_фр. Чем больше снижается E_a, тем эффективнее действует катализатор и тем больше ускоряется реакция.

S - исходный субстрат   P – конечный продукт   ΔG – стандартное изменение свободной энергии   Еа нфр – энергия активации неферментативной реакции   Еа фр – энергия активации ферментативной реакции

Механизм действия ферментов

Большую роль в развитии представлений о механизме действия ферментов сыграли классические работы Михаэлиса и Ментен, которые развили положения о Е-S-х комплексах. Согласно их представлениям (1915г.), ферменты обратимо соединяются со своим S, образуя нестойкий промежуточный продукт – Е-S-комплекс, который в конце реакции распадается на ферменты и продукты реакции (Р). Фактически в природе идет ступенчатое превращение S через целый ряд промежуточных реакций: ES₁→ ES₂→ ES₃ … → E + P. Схематически преобразование S в Р можно представить таким образом:

АЦФ, как правило, располагается в глубине молекулы Е.

Математическая обработка реакции образование ЕS-комплекса позволила вывести уравнение, которое называется уравнением Михаэлиса-Ментен:

где V_фр – наблюдаемая скорость фр;

V_max – максимальная скорость фр при неполном насыщении фермента S-том;

[S] – концентрация S;

К_м – константа Михаэлиса-Ментен.

Графически уравнение Михаэлиса-Ментен имеет следующий вид:

При низкой [S] V_фр прямо пропорциональна [S] в каждый данный момент времени (реакция 1-го порядка).

Из уравнения Михаэлиса-Ментен также следует, что при низком значении К_м и высоком значении [S] V_фр является максимальной (в) и не зависит от [S] – это реакция нулевого порядка. Реакция нулевого порядка соответствует явлению, которое называется полным насыщением фермента субстратом.

Гипербола, выражающая зависимость V_фр от [S], называется кривой Михаэлиса. Чтобы правильно определить активность ферментов, нужно добиться реакции нулевого порядка, то есть определять V_фр при насыщающих концентрациях S.

Км численно равна [S] (моль(л)), при которой V реакции равна половине от максимальной. Для определения численного значения Км находят ту [S], при которой Vфр составляет от ½ от Vmax. Таким образом, определение Км играет важную роль для выяснения МД модификаторов на активность фермента.

 

Иногда график строят методом двойных обратных величин – метод Лайнуивера-Бэрка: Значение как Vmax, так и Км более точно определяется методом двойных обратных величин.

 

ЛЕКЦИЯ 7