Тема 2. 6. Основы кинетики ферментативного

КАТАЛИЗА

1. Кинетика ферментативных реакций - это раздел энзимологии, изучающий зависимость скорости химических реакций, катализируемых ферментами, от химической природы реагирующих веществ и факторов окружающей среды.

Для измерения каталитической активности ферментов используют такие показатели, как скорость реакции или активность фермента. Скорость ферментативной реакции определяется уменьшением количества молекул субстрата или увеличением количества молекул продукта за единицу времени. Скорость ферментативной реакции является мерой каталитической активности фермента и обозначается как активность фермента.

На практике пользуются условными величинами, характеризующими активность фермента: 1 международная единица активности (МЕ) соответствует такому количеству фермента, которое катализирует превращение 1 мкмоль субстрата за 1 минуту при оптимальных условиях (температура 37°С, оптимальное значение рН раствора) проведения ферментативной

реакции. Эти единицы активности используют в медицинской и фармацевтической практике для оценки активности ферментов:

Для оценки количества молекул фермента среди других белков данной ткани определяют удельную активность (Уд.Ак.) фермента, численно равную количеству превращенного субстрата (в мкмолях) за единицу времени одним миллиграммом (мг) белка (фермента, выделенного из ткани):

По удельной активности судят о степени очистки фермента: чем меньше посторонних белков, тем выше удельная активность.

2. Кинетику ферментативных реакций исследуют в оптимальных условиях проведения энзиматической реакции. Оптимальные условия индивидуальны для каждого фермента и определяются в первую очередь температурой, при которой проводится реакция, и значением рН раствора.

• Повышение температуры до определенных пределов оказывает влияние на скорость ферментативной реакции подобно тому, как влияет температура на любую химическую реакцию: с увеличением температуры повышается скорость ферментативной реакции. Однако скорость ферментативной химической реакции имеет свой температурный оптимум, превышение которого сопровождается понижением ферментативной активности, что связано с термической денатурацией белковой молекулы (рис. 2.15). Для большинства ферментов человека оптимальной температурой является 37-38 °С.

Рис. 2.15. Зависимость скорости ферментативной реакции (V) от температуры

• Активность ферментов зависит от рН раствора, при котором протекает ферментативная реакция. Влияние рН на активность ферментов обусловлено изменением ионизации функциональных групп аминокислотных остатков данного белка и субстрата, обеспечивающих оптимальное образование фермент-субстратного комплекса. Для каждого фермента существует значение рН, при котором наблюдается его максимальная активность (рис. 2.16).

Рис. 2.16. Зависимость скорости ферментативной реакции (V) от рН среды

3. Кинетические характеристики ферментативной реакции зависят от концентрации реагирующих веществ. Если концентрацию фермента оставить постоянной, изменяя только количество субстрата, то график скорости ферментативной реакции описывается гиперболой (рис. 2.17). При увеличении количества субстрата начальная скорость реакции возрастает. Когда фермент становится полностью насыщенным субстратом, т.е. происходит максимально возможное при данной концентрации фермента формирование фермент-субстратных комплексов, наблюдается наибольшая скорость образования продукта. Дальнейшее повышение концентрации субстрата не приводит к увеличению количества образующегося продукта, т.е. скорость реакции не возрастает. Данное состояние соответствует максимальной скорости реакции V_max

Величина V_max дает характеристику каталитической активности фермента и определяет максимальную возможность образования продукта при данной концентрации фермента и в условиях избытка субстрата; V_max - величина, постоянная для данной концентрации фермента.

Рис. 2.17. Зависимость скорости реакции (V) от концентрации субстрата S:

V_max - максимальная скорость реакции при данной концентрации фермента в оптимальных условиях проведения реакции; K_m - константа Михаэлиса

4. Основной кинетической характеристикой эффективности фермента является константа Михаэлиса - K_m. Константа Михаэлиса численно равна концентрации субстрата, при которой достигается половина максимальной скорости. K_m характеризует сродство данного фермента к данному субстрату и является величиной постоянной. Чем меньше K_m, тем больше сродство фермента к данному субстрату, тем выше начальная скорость реакции, и наоборот, чем больше K_m, тем меньше сродство фермента к субстрату и меньше начальная скорость реакции.