Ферментативных реакций кинетика

Кинетика ферментативных реакций — описание, особенности и таблица

Образование 19 ноября 2017

Кинетика ферментативных реакций рассматривается в работах Ментен и Михаэлиса. Подробно ученые описали данный вопрос в уравнении фермент-субстратного комплекса.

Определение

Особенности кинетики ферментативных реакций рассматриваются в науке о ферментах, которая изучает зависимость скорости такого процесса от химических особенностей субстрата, среды, инородных факторов, воздействующих на ход химической реакции.

При существенной концентрации субстрата, она не будет оказывать влияния на скорость процесса.

Специфика протекания

Анализ активности ферментов осуществляется при значительных концентрациях субстратов (нулевом порядке химического процесса). В подобных условиях на изменение скорости процесса будет влиять лишь количество фермента.

Кинетика ферментативных реакций в живых клетках имеет некоторые отличительные характеристики. Ферменты в них применяют не во всю силу. При избыточном количестве субстрата, что возможно в условиях эксперимента, скорость реакции будет пропорциональная количеству фермента. При существенном увеличении этого показателя, наблюдается нарушение подобной пропорциональности.

Действие модуляторов на ферменты

Кинетика ферментативных реакций объясняет линейное возрастание скорости процесса с повышением содержания субстрата. При чрезмерном росте его концентрации наблюдается уменьшение субстрата, снижается быстрота протекания химического процесса.

Кинетика ферментативных реакций подтверждает зависимость активности ферментов от рН среды, специфики фермента, его количества. Вещества, которые влияют на ход подобной реакции, именуют модуляторами либо эффекторами. Их принято подразделять на ингибиторы и активаторы, способствующие замедлению либо ускорению определенного процесса.

Основы кинетики ферментативных реакций дают возможность в полной мере понимать суть воздействия этих веществ. Часть из них считается натуральными регуляторами процесса метаболизма. Есть разные типы модуляторов активности ферментов, которые отличаются друг от друга по механизму воздействия и строению.

Варианты активаторов

Чем характеризуется кинетика ферментативных реакций? Биохимия рассматривает в качестве активаторов желчные кислоты, ионы металлов, анионы. Бывают такие ситуации, когда одно вещество в отношении одного фермента будет выступать активатором, а в ином случае является ингибитором. Специфическими активаторами для выявления ферментов выступают ионы металлов.

Они могут стимулировать процесс присоединения к ферменту субстрата, участвуют в образовании его третичной структуры либо могут выступать в качестве части активного центра.

Какова кинетика ферментативных реакций? Кратко можно отметить, что катионы многих металлов – это обязательные компоненты, необходимые для полноценной работы многих ферментов. Для некоторых из них требуется сразу несколько разных ионов. К примеру, для АТФазы, которая производит транспорт ионов через плазматическую мембрану, требуются ионы магния, натрия, калия.

Кобальт есть в составе простетической группы метилмалонилизомеразы и гомоцистеинтрансметилазы, а марганец необходим для активации изоцитратдегидрогеназы. Есть группа ферментов, которая активируется с помощью цАМФ.

Подобные ферменты именуются протеинкиназы. Она состоит из двух субъединиц:

• каталитической, которая содержит активный центр;
• регуляторная, где располагается центр связывания цАМФ.

Только при взаимодействии регуляторного центра фермента и ц-АМФ, он приобретает активность.

Кинетика ферментативных реакций: константа Михаэлиса, условия протекания, все это подробно рассматривается в физической химии.

Особенности ферментов

Они являются компактными молекулами, имеют относительную молекулярную массу от 104, диаметр от 20А. Ферменты, которые входят в состав глобулярных белков, образуются при определенном соединении пептидными связями 20 аминокислотных остатков.

Внутреннее строение ферментов в биохимии характеризуется четырьмя типами структур:

• первичная связана с генетическим кодом;
• вторичная структура характеризует спирализацию цепи;
• третичная определяет пространственное укладывание спирали полипептидной цепи;
• четверичная связана с объединением глобул в активный олигомерный фермент.

Специфика процессов с одним субстратом

Кинетика ферментативных реакций уравнения Михаэлиса — Ментен объясняет связь между скоростью и концентрациями субстрата.

В 1903 году Л. Анри допустил, что фермент с субстратом образует некое промежуточное соединение. Если сам фермент считать Е, субстрат S, в таком случае интермедиат будет иметь вид ES.
Л. Михаэлис взял для анализа кинетики данного процесса механизм, который включает в себя две стадии: обратимую, необратимую.

Кинетические уравнения двух этих процессов имеют достаточно сложный вид. Для их решения используют стационарные концентрации. Скорость получения промежуточного соединения описывается законом действующих масс, связывает между собой начальные концентрации субстрата и фермента, текущие показатели, а также концентрации промежуточного вещества и продукта взаимодействия.

Особенности решения

Каковы основные кинетики ферментативных реакций? Таблица, используемая в физической химии, позволяет решать систему уравнений в следующих случаях:

• при уменьшении концентрации исходных веществ;
• при превышении количества продукта в сравнении с промежуточным комплексом.

Для ферментативных процессов выполняется соотношение скоростей, при котором вторая константа существенно превышает величину первой. Причина в неустойчивости промежуточного соединения, его несущественной концентрации.

По решению ИЮПАК константа, позволяющая описывать кинетику химического процесса, была названа константой Михаэлиса.

Экспериментальным путем была подтверждена линейная зависимость начальной скорости от концентрации субстрата.

Физический смысл константы Михаэлиса

Для того чтобы ответить на этот вопрос, принимают концентрацию субстрата, при которой фермент проявляет половину своей активности. Константа Михаэлиса имеет такую же размерность, что и первоначальная концентрация субстрата: мольл.

Численные параметры данной постоянной величины располагаются в пределах 10 -2-10-8 М. В ходе экспериментальных исследований было установлено, что константа Михаэлиса является функцией температуры. Она зависит от наличия иных веществ, которые выполняют в процессе роль активатора либо ингибитора.

Частный случай

Если в ходе процесса достигается состояние, при котором наблюдается равенство констант, в системе устанавливается равновесие. Это дает возможность применять в ходе анализа ферментативных процессов приближение квазиравновесных концентраций.

В итоге существенно упрощается выражение для константы Михаэлиса, она характеризует сродство фермента к используемому субстрату.

Ингибирование ферментативных процессов

В качестве таких веществ выступают реактивы, которые при введении их в реакционную систему, существенно уменьшают скорость взаимодействия.

Для ферментативного катализа требуется предварительна адсорбция субстрата, его четкое ориентирование относительно активных групп каталитического центра, а для ингибирования можно ограничиться только обычного связывания ингибитора с некоторыми фрагментами адсорбционного участка.

Проявлять свойства ингибиторов соединения могут из-за образования прочных комплексов (цианиды), а также при действии на карбонильную группу с денатурацией белков.

Типы ингибирования

Эффект замедления химического взаимодействия наблюдается по нескольким причинам:

• Ингибитор конкурирует за активный центр с субстратом, создавая с ферментом неактивный центр. В случае роста концентрации субстрата, восстанавливается активность в растворе самого фермента.
• Ингибитор присоединяется к иной части молекулы белка, формируя при этом неактивный комплекс. Фермент восстанавливает свою первоначальную активность под воздействием иных веществ, не затрагивая субстрата.

Скорость процесса связана со скоростью формирования конечного продукта через концентрации, константу Михаэлиса. Последнюю величину можно определять графически, а также выражать математическим путем из формулы. При неактивном комплексе ингибитор не мешает реакции между ферментом и субстратом, но существенно снижает скорость процесса.

При статистической обработке экспериментальных данных удалось для неконкурентного ингибирования выявить основные параметры, доказать связь между величиной скорости и показателями концентраций.

Кинетика химических процессов предполагает описание особенностей всех стадий химических процессов, используя постоянные величины, уравнение Михаэлиса-Ментен. В ходе экспериментальных исследований была выявлена зависимость между скоростью ферментативного процесса и изменением концентрации продукта взаимодействия или исходного субстрата.

Кроме того, установлена связь скорости с природой фермента. Именно от его особенностей напрямую зависит активность, особенности поведения в ходе взаимодействия. Мерой активности фермента считается одна стандартная единиц, характеризующая количество фермента, катализирующее превращение к мкмоль исходного субстрата за минуту.

Ферменты широко применяются в современной медицине, от их активности напрямую зависит быстрота определения проблемы, а также качество постановки медицинского диагноза пациенту.

Кинетика ферментативных реакций

Ферментативная кинетика занимается исследованием закономерностей влияния химической природы реагирующих веществ (ферментов, субстратов) и условий их взаимодействия (концентрация, рН среды, температуры, присутствие активаторов или ингибиторов) на скорость ферментативной реакции.

Общие принципы кинетики химических реакций применимы и к ферментативным реакциям. Любая химическая реакция характеризуется константой термодинамического равновесия, достигаемой системой, и обозначается Кр. Так, например, для реакции:

А+В С+Д, Кр= .

Константы равновесия обычно находят из соотношения констант скоростей прямой и обратной реакций: Кр= к +1 / к –1.

В состоянии равновесия скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции, а константа равновесия равна отшению констант скоростей прямой и обратной реакций. Величину, обратную константе равновесия, принято называть субстратной константой или, в случае ферментативной реакции, константой диссоциации фермент-субстратного комплекса, и обозначать символом Кs.

Так, в реакции E+ S ES, Кs= = константа Кs зависит от химической природы субстрата и определяет степень их родства. Чем ниже значение Кs, тем выше сродство фермента к субстрату.

Для ферментативных реакций характерна особенность, связанная с явлением насыщения фермента субстратом. При низких концентрациях субстрата зависимость скорости реакции от концентрации субстрата является почти линейной и подчиняется кинетике первого порядка (скорость реакции SP прямо пропорциональна концентрации субстрата).

В определенных условиях при нарушении пропорциональности говорят иногда о реакциях смешанного порядка.

Изучая явление насыщения, Л.Михаэлис и М.Ментен разработали общую теорию ферментативной кинетики. Они исходили из предположения, что ферментативный процесс протекает в виде следующей химической реакции:

E+ S ES ,

т.е. фермент E вступает во взаимодействие с субстратом S с образованием промежуточного комплекса ES, который далее распадается на свободный фермент и продукт реакции Р. Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата описывается уравнением, названным в честь ученых уравнением Михаэлиса-Ментен:

,

где v– наблюдаемая скорость реакции при данной концентрации субстрата [S];
Ks – константа диссоциации фермент-субстратного комплекса, моль/л; Vmax – максимальная скорость реакции при полном насыщении фермента субстратом.

Уравнение Михаэлиса-Ментен в классическом виде не учитывало влияния на скорость ферментативного процесса продуктов реакции. Поэтому было предложено уравнение Бриггса-Холдейна:

,

где Кm представляет собой константу Михаэлиса.

Кm = Ks+

Для определения численного значения Кm обычно находят ту концентрацию субстрата, при которой скорость ферментативной реакции v составляет половину от максимальной Vmax , т.е. если v = ½ Vmax. Подставляя в уравнение Бриггса-Холдейна, получаем

,

разделив обе части уравнение на Vmax

или Кm+[S]=2[S], откуда Кm= [S].

Таким образом, константа Михаэлиса численно равна конценрации субстрата (моль/л), при которой скорость данной ферментативной реакции составляет половину от максимальной.

Вопросы и задачи

1. Что такое ферменты?

2. Как образуется фермент-субстратный комплекс?

3. Сколько классов ферментов вам известно?

4. Какова роль окислительно-восстановительных ферментов и как они классифицируются?

5. Какой из коферментов принимает участие в превращении аминокислот?

6. Какова сущность ферментативного катализа?

Рекомендуемая литература

1. Грин Н., Статут У., Тейлор Д. Биология: В 3 т.– Т. 1: – Пер с англ. / Под ред. Р. Сопера.– М.: Мир, 1996. – 368 с.

2. Камилов Ф.Х., Давлетов Э.Г. Биохимия гормонов и механизм гормональной регуляции обмена веществ.– Уфа: Гилем, 1998. – 268 с.

3. Киршенблат Я.Д. Общая эндокринология: Учеб. пособие для ун-тов.– М.: Высшая школа, 1971. – 384 с.

4. Красильникова Л.А., Авксентьева О.А., Жмурков В.В., Садовниченко Ю.А. Биохимия растений / Под. ред. Л.А. Красильниковой.– Ростов н/Д.: Феникс; Харьков: Торсинг, 2004. – 224 с.

5. Плакунов В.К. Основы энзимологии. – М.: Логос, 2001. – 128 с.

6. Степанов В.М. Молекулярная биология. Структура и функции белков.– М.: Высшая школа, 1996. – 335 с.

7. Уилсон Дж., Хант Т. Молекулярная биология клетки: Сборник задач. – Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 520 с.

Глава 4. ВИТАМИНЫ

Витамины (от лат. vita – жизнь) это пищевые незаменимые факторы, которые, присутствуя в небольших количествах в пище, обеспечивают нормальное развитие живого организма и адекватную скорость протекания биохимических и физиологических процессов.

Открытие витаминов было связано с изучением роли в жизнедеятельности организма веществ, получаемых с пищей.

История путешествий и мореплаваний, наблюдения врачей указывали на существование особых болезней, развитие которых непосредственно связано с неполноценным питанием, хотя оно как будто содержало все известные к тому времени питательные вещества. В XIX в.

широкое распространение получило заболевание, названное цингой, и явившееся бичом всех мореплавателей. Для профилактики и лечения этого заболевания использовали хвойные растения и различные травы. В странах Юго-Восточной Азии и Японии люди были поражены заболеванием бери-бери. Японский врач К.

Такаки пришел к заключению, что в мясе, молоке и свежих овощах содержатся какие-то вещества, предотвращающие это заболевание. Одновременно голландский врач К. Эйкман, работая на о.

Ява, где основным продуктом питания был полированный рис, заметил, что у кур, получавших тот же полированный рис, развилось заболевание бери-бери у человека. Когда К. Эйкман переводил кур на питание неочищенным рисом, наступало выздоровление. На основании этих данных он пришел к выводу, что оболочка риса (рисовые отруби) содержит неизвестное вещество, обладающее лечебным эффектом.

Развитие учения о витаминах (витаминология) связано с именем отечественного врача Н.И. Лунина. Он пришел к заключению, что кроме белков, жиров, углеводов, минеральных солей и воды, необходимы дополнительные вещества, без которых организм не может существовать.

Функ предложил называть эти вещества витаминами (аминами жизни).

Витамины являются обязательными дополнительными пищевыми факторами. Недостаточное поступление или полное отсутствие их в потребляемой пище либо нарушение их всасывания или транспорта ведет к нарушению процессов обмена и развитию патологии.

В результате могут возникнуть авитаминозы – болезни, возникающие при полном отсутствии в пище или полном нарушении усвоения какого-либо витамина. Известны гиповитаминозы, обусловленные недостаточным поступлением витаминов с пищей или неполным их усвоением.

Патологические состояния, связанные с поступлением чрезмерно больших количеств витаминов в организм – гипервитаминозы встречаются реже.

Расстройства обмена веществ при авитаминозах обусловлены в первую очередь нарушением деятельности или активности ферментных систем, поскольку многие витамины входят в состав простетических групп ферментов.

Существуют врожденные нарушения обмена веществ и функций витаминов, причиной которых являются генетические дефекты, связанные с нарушениями или всасывания витаминов в кишечнике, или их транспорта к органам-мишеням, или с нарушениями превращений витаминов в коферменты.

Классификация витаминов

В зависимости от растворимости в неполярных органических растворителях или водной среде различают жирорастворимые и водорастворимые витамины. В приводимой классификации, помимо буквенного обозначения, в скобках указан основной биологический эффект, иногда с приставкой «анти», указывающий на способность данного витамина предотвращать или устранять развитие соответствующего заболевания.

Витамины, растворимые в жирах

1. Витамин А (антиксерофтальмический); ретинол.

2. Витамин D антирахитический);кальциферолы.

3. Витамин Е (антистерильный, витамин размножения); токоферолы.

4. Витамин К (антигеморрагический); нафтохиноны.

Витамины, растворимые в воде

1. Витамин В1 (антиневритный); тиамин.

2. Витамин В2 (витамин роста); рибофлавин.

3. Витамин В6 (антидерматический, адермин); пиридоксин.

4. Витамин В12 (антианемический); цианокобаламин; кобаламин.

5. Витамин РР (антипелларгический, ниацин); никотинамид.

6. Витамин Вс (антианемический; фолиевая кислота).

7. Витамин В3 (антидерматитный); пантотеновая кислота.

8. Витамин Н (антисеборейный, фактор роста бактерий, дрожжей и грибков);
биотин.

9. Витамин С (антискорбутный; аскорбиновая кислота).

10. Витамин Р (капилляроукрепляющий, витамин проницаемости); биофлавоноиды.

Выделяют также группу витаминоподобных веществ и антивитамины.

: