 |
Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата. Уравнение Михаэлиса-Ментен.
|
|
|
|
Ферменты
Ферменты - это биокатализаторы, образующиеся в клетке, и представляющие собой простые или сложные белки. Слово фермент происходит от латинского - fermentum -закваска; другое название ферментов - энзимы - происходит от греческого- enzyme - в дрожжах. В 30-х годах XX века некоторые ферменты были выделены в высокоочищенном кристаллическом состоянии. По химической природе кристаллы оказались белковыми.
История изучения ферментов тесно переплетается с историей катализа. Катализом называют ускорение химической реакции, вызванное добавлением малых нестехиометрических количеств катализатора. Катализатор ускоряет реакцию не просто своим присутствием, а взаимодействием с веществом, подвергающимся превращению, но при этом регенерируется в ходе реакции. Ферменты - биокатализаторы - не являются исключением.
Ферменты - это белки, и подобно всем белкам, они могут избирательно присоединять определенные вещества - лиганды. Лиганд, подвергающийся химическому превращению под действием фермента, называют субстратом (S), продукты (P) реакции освобождаются в раствор. Ферменты являются наиболее изученным классом белков. Это объясняется той важной ролью, которую играют ферменты: любое химическое превращение в организме происходит с их участием. К тому же, ферменты, в отличие от других белков, сравнительно легко обнаруживать и измерять их количество по катализируемой реакции.
Особенности ферментов как биокатализаторов
Ферменты как катализаторы имеют ряд особенностей:
Высокоэффективные катализаторы - ускоряют реакцию в 1010раз:
1 моль каталазы при 00 С обеспечивает разложение за 1 мин 5 млн. H2O2, в то время как 1 моль Pt катализирует только 250- 2000 молекул H2O2.
|
|
|
Высокоспецифичны - катализируют, как правило, реакцию одного типа или воздействуют на один субстрат. Это наиболее важное свойство ферментов.
Эффективно работают в мягких условиях.
Синтез аммиака по реакции: N2 + 3H2 = 2NH3 проводят при t = 500-5500C, p = 107-108Па, ферменты, содержащиеся в бобовых культурах обеспечивают протекание подобного процесса при обычных условиях.
Ферменты - это катализаторы, работу которых можно регулировать.
Классификация ферментов по типу катализируемой реакции и номенклатура ферментов
В номенклатуре ферментов, введенной Международным биохимическим союзом (IUB) используется принцип классификации ферментов по типу катализируемой реакции и ее механизму. Основные принципы номенклатуры следующие:
Выделяют 6 классов ферментов, катализирующих 6 типов реакций:
Оксидоредуктазы.
Трансферазы.
Гидролазы.
Лиазы
Изомеразы.
Лигазы.
В каждом из 6 классов имеется несколько подклассов (от 4 до 13). Систематическое название фермента состоит из 2-х частей: названия субстрата, типа катализируемой реакции и части слова -аза.
Активный центр ферментов
Ферменты (с точки зрения строения) – это глобулярные белки, которые имеют в глобуле полость или щель определенных размеров – активный центр фермента.
Общие черты активного центра фермента:
а.ц.ф. – небольшая часть белковой молекулы;
а.ц.ф. – имеет строго определенную трехмерную структуру и размеры;
а.ц.ф. – формируется из аминокислотных остатков, удаленных в первичной структуре, но сближенных в третичной структуре;
а.ц.ф. – состоит из связывающего и каталитического участков.
Если белок сложный, то простетическая группа входит в состав а.ц. фермента.
Вся белковая молекула укладывается определенным образом в пространстве, образуя единственно возможный (термодинамически устойчивый) вариант третичной структуры данного белка, а следовательно и уникальный активный центр данного фермента.
|
|
|
Причины высокой каталитической активности.
Фермент поддерживает микроокружение субстрата в активном центре в состоянии отличном от его состояния в водной среде.
Располагает реагирующие атомы в правильной ориентации и на необходимом расстоянии друг от друга, чтобы обеспечить оптимальное протекание реакции.
За счет кооперативного взаимодействия субстрата и нескольких остатков аминокислот в активном центре фермент снижает энергию активации данной реакции.
Субстратная специфичность
Структура активного центра фермента комплементарна структуре субстрата, т.е. соответствует ему по 1) форме, 2) размерам и 3) способности взаимодействовать. Это является причинами высокой специфичности ферментов.
Первоначально модель активного центра, предложенная Э.Фишером, трактовала взаимодействие субстрата и фермента по аналогии с системой «ключ-замок» – модель «жесткой матрицы». Однако эта модель объясняла лишь абсолютную субстратную специфичность.
Кошланд предложил модель индуцированного соответствия. Главная черта этой модели – гибкость каталитического центра. В модели Фишера каталитический центр считается заранее подготовленным под форму молекулы-субстрата. В модели Кошланда субстрат индуцирует конформационные изменения фермента, и лишь в результате этих аминокислотные остатки и другие группы фермента принимают пространственную ориентацию, необходимую для связи с субстратом и катализа. Эта модель позволяет объяснить относительную специфичность фермента.
Каждый фермент катализирует не любые из всех возможных путей превращения субстрата, а какое-либо одно. Это свойство называется специфичностью пути превращения.
Кинетика ферментативных реакций
Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата. Уравнение Михаэлиса-Ментен.
Любую ферментативную реакцию схематично можно описать следующим образом:
Поведение многих ферментов при изменении концентрации субстрата описывает уравнение Михаэлиса-Ментен:
, где
- скорость ферментативной реакции,
- максимальная скорость ферментативной реакции при полном насыщении фермента субстратом,
|
|
|
– константа Михаэлиса,
– концентрация субстрата.
- константа образования фермент-субстратного комплекса ES,
- константа диссоциации фермент-субстратного комплекса ES.
Влияние концентрации субстрата на скорость ферментативной реакции, описываемое этим уравнением, можно изобразить графически:
 |
равна концентрации субстрата при скорости ферментативной реакции, равной половине максимальной скорости и характеризует сродство данного фермента к тому или иному субстрату.
Некоторые ферменты требуют высокой концентрации субстрата для достижения скорости, равной максимальной, другие (например, гексокиназа) достигают 
при очень низкой концентрации субстрата.
Таблица. Значения констант Михаэлиса для некоторых ферментов.
| Фермент | Субстрат |
|
| каталаза | H2O2 | |
| гексокиназа (мозг) | D-глюкоза | 0,05 |
| D-фруктоза | 1,5 | |
| АТФ | 0,4 | |
| карбоангидраза | HCO3- | |
| химотрипсин | Gly-Tyr-Gly | |
| N-бензоилтирозинамид | 2,5 |
- скорость реакции при 250С, оптимальном значении рН, полном насыщении фермента субстратом.
- число оборотов фермента, т.е. число молекул субстрата, которое превращает одна молекула фермента за 1 минуту.
Например:
карбоксиангидраза 36000000
b-амилаза 1100000
фосфоглюкомутаза 1240
|
|
|
