На графике приведена зависимость скорости ферментативной реакции. Зависимость скорости ферментативных реакций от концентрации субстрата, среды и температуры

Практически все биохимические реакции являются ферментативными. Ферменты (биокатализаторы) - это вещества белковой природы, активированные катионами металлов. Известно около 2000 различных ферментов, а примерно 150 из них выделены, причем некоторые используются в качестве лекарственных препаратов. Трипсин и химотрипсин применяются для лечения бронхитов и пневмонии; пепсин - для лечения гастрита; плазмин - для лечение инфаркта; панкреатин – для лечение поджелудочной железы. Ферменты отличаются от обычных катализаторов: (а) более высокой каталитической активностью; (б) высокой специфичностью, т.е. избирательностью действия.

Механизм односубстратной ферментативной реакции можно представить схемой:

где Е - фермент,

S - субстрат,

ЕS - фермент-субстратный комплекс,

Р - продукт реакции.

Характеристикой первой стадии ферментативной реакции является константа Михаэлиса (К М) . К М является величиной, обратной константе равновесия:

константа Михаэлиса (К М) характеризует устойчивость фермент-субстратного комплекса (ES). Чем меньше константа Михаэлиса (К М), тем устойчивее комплекс.

Скорость ферментативной реакции равна скорости ее лимитирующей стадии:

где k 2 – константа скорости, называемая числом оборотов или молекулярной активностью фермента.

молекулярная активность фермента (k 2) равна числу молекул субстрата, претерпевающих превращения под воздействием одной молекулы фермента за 1 минуту при 25 0 С. Данная константа принимает значения в диапазоне: 1·10 4 < k 2 < 6·10 6 мин‾ 1 .

Для уреазы, ускоряющей гидролиз мочевины, k 2 = 1,85∙10 6 мин‾ 1 ; для аденозинтрифосфатазы, ускоряющей гидролиз АТФ, k 2 = 6,24∙10 6 мин‾ 1 ; для каталазы, ускоряющей разложение Н 2 О 2 , k 2 = 5∙10 6 мин‾ 1 .

Однако кинетическое уравнение ферментативной реакции в той форме, в которой оно приведено выше, практически невозможно использовать из-за невозможности экспериментального определения концентрации фермент-субстратного комплекса (). Выразив через другие величины, легко определяемые экспериментальным путем, получаем кинетическое уравнение ферментативных реакций, называемое уравнением Михаэлиса-Ментен (1913):

,

где произведение k 2 [E] общ является величиной постоянной, которую обозначают (максимальная скорость).

Соответственно:

Рассмотрим частные случаи уравнения Михаэлиса-Ментен.

1) При низкой концентрации субстрата K M >> [S], поэтому

что соответствует кинетическому уравнению реакции первого порядка.

2) При высокой концентрации субстрата К м << [S], поэтому

что соответствует кинетическому уравнению реакции нулевого порядка.

Таким образом, при низкой концентрации субстрата скорость ферментативной реакции возрастает с увеличением содержания субстрата в системе, а при его высокой концентрации – кинетическая кривая выходит на плато (скорость реакции не зависит от концентрации субстрата) (рис. 30).

Рисунок 30. - Кинетическая кривая ферментативной реакции

Если [S] = К М, то

что позволяет графически определять константу Михаэлиса К м (рис. 31).

Рисунок 31. - Графическое определение константы Михаэлиса

На активность ферментов оказывают влияние: (а) температура, (б) кислотность среды, (в) наличие ингибиторов. Влияние температуры на скорость ферментативной реакции рассмотрено в главе 9.3.

Влияние кислотности среды на скорость ферментативной реакции представлено на рисунке 32. Максимальная активность фермента соответствует оптимальному значению водородного показателя (рН опт).

Рисунок 32. - Влияние кислотности растворов на активность ферментов

Для большинства ферментов оптимальные значения рН совпадают с физиологическими значениями (7,3 - 7,4). Однако существуют ферменты, для нормального функционирования которых нужна сильнокислая (пепсин - 1,5- 2,5) или достаточно щелочная среда (аргиназа - 9,5 - 9,9).

Ингибиторы ферментов - это вещества, занимающие часть активных центров молекул фермента, в результате чего скорость ферментативной реакции уменьшается. В роли ингибиторов выступают катионы тяжелых металлов, органические кислоты и другие соединения.

Лекция 11

Строение атома

Существуют два определения понятия «атом».Атом - это мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его химические свойства.

Атом - это электронейтральная микросистема, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.

Учение об атоме прошло длительный путь развития. К основным этапам развития атомистики относят:

1) натурфилософский этап - период формирования концепции об атомном строении материи, не подтвержденной экспериментом (V век до н.э. - 16 век н.э.);

2) этап формирования гипотезы об атоме как мельчайшей частице химического элемента (XVIII-XIX в.в.);

3) этап создания физических моделей, отражающих сложность строения атома и позволяющих описать его свойства (начало XX в.)

4) современный этап атомистики называется квантово-механическим. Квантовая механика – это раздел физики, изучающий движение элементарных частиц.

ПЛАН

11.1. Строение ядра. Изотопы.

11.2. Квантово-механическая модель электронной оболочки атома.

11.3. Физико-химические характеристики атомов.

Строение ядра. Изотопы

Ядро атома - это положительно заряженная частица, состоящая из протонов, нейтронов и некоторых других элементарных частиц.

Принято считать, что основными элементарными частицами ядра являются протоны и нейтроны. Протон (p) – это элементарная частица, относительная атомная масса которой равна 1 а.е.м, а относительный заряд составляет + 1. Нейтрон (n) – это элементарная частица, не имеющая электрического заряда, масса которой равна массе протона.

В ядре сосредоточено 99,95 % массы атома. Между элементарными частицами действуют особые ядерные силы протяжения, значительно превосходящие силы электростатического отталкивания.

Фундаментальной характеристикой атома является заряд егоядра , равный числу протонов и совпадающий с порядковым номером элемента в периодической системе химических элементов. Совокупность (вид) атомов с одинаковым зарядом ядра называется химическим элементом . В природе найдены элементы с номерами от 1 до 92.

Изотопы - это атомы одного химического элемента, содержащие одинаковое количество протонов и разное количество нейтронов в ядре.

где массовое число (А) – это масса ядра, z – заряд ядра.

Каждый химический элемент представляет собой смесь изотопов. Как правило, название изотопов совпадает с названием химического элемента. Однако для изотопов водорода введены особые названия. Химический элемент водород представлен тремя изотопами:

Число р Число n

Протий Н 1 0

Дейтерий Д 1 1

Тритий Т 1 2

Изотопы химического элемента могут быть как стабильными, так и радиоактивными. Радиоактивные изотопы содержат ядра, самопроизвольно разрушающиеся с выделением частиц и энергии. Стабильность ядра определяется его нейтронно-протонным отношением.

Попадая в организм, радионуклиды нарушают протекание важнейших биохимических процессов, снижают иммунитет, обрекают организм на болезни. Организм защищает себя от воздействия радиации, избирательно поглощая элементы из окружающей среды. Стабильные изотопы имеют приоритет перед радиоактивными изотопами. Другими словами, стабильные изотопы блокируют накопление радиоактивных изотопов в живых организмах (таб. 8).

В книге С.Шеннон «Питание в атомном веке» приводятся следующие данные. Если блокирующую дозу стабильного изотопа йода, равную ~100 мг, принять не позднее чем через 2 часа после попадания I-131в организм, то поглощение радиойода в щитовидной железе снизится на 90%.

Радиоизотопы применяются в медицине

· для диагностики некоторых заболеваний,

· для лечения всех форм онкологических заболеваний,

· для патофизиологических исследований.

Таблица 8 - Блокирующее действие стабильных изотопов

Ферментативная кинетика изучает скорость реакций, катализируемых ферментами в зависимости от различных условий (концентрации, температуры, pH и др.) их взаимодействия с субстратом.

Однако ферменты - это белки, чувствительные к влиянию различных внешних воздействий. Поэтому при изучении скорости ферментативных реакций учитывают, главным образом, концентрации реагирующих веществ, а влияние температуры, pH среды, активаторов, ингибиторов и прочих факторов стараются свести к минимуму и создают стандартные условия. Во-первых, это оптимальное для данного фермента значение pH среды. Во-вторых, рекомендуется придерживаться температуры 25°С, в тех случаях, где это возможно. В-третьих, достигают полного насыщения фермента субстратом. Этот момент особенно важен, поскольку при низкой концентрации субстрата не все молекулы фермента участуют в реакции (рис. 6.5, а ), значит и результат будет далек от максимально возможного. Наибольшая мощность катализируемой реакции, при прочих равных условиях, достигается, если каждая молекула фермента участвует в превращении, т.е. при высокой концентрации фермент-субстратного комплекса (рис. 6.5, в). Если же концентрация субстрата не обеспечивает полного насыщения фермента (рис. 6.5, б ), то скорость протекающей реакции не достигает максимального значения.

Рис. 65.

а - при низкой концентрации субстрата; 6 - при недостаточной концентрации субстрата; в - при полном насыщении фермента субстратом

Скорость ферментативной реакции, измеренной при соблюдении перечисленных условий, и полном насыщении фермента субстратом называют максимальной скоростью ферментативной реакции (V).

Скорость ферментативной реакции, определяемая при неполном насыщении фермента субстратом, обозначается v.

Ферментативный катализ упрощенно можно описать схемой

где F - фермент; S - субстрат; FS - фермент-субстратный комплекс.

Каждая стадия этого процесса характеризуется определенной скоростью. Единицей измерения скорости ферментативной реакции служит количество молей субстрата, превращаемое в единицу времени (как и скорость обычной реакции).

Взаимодействие фермента с субстратом приводит к образованию фермент-субстратного комплекса, но этот процесс обратимый. Скорости прямой и обратной реакций зависят от концентраций реагирующих веществ и описываются соответствующими уравнениями:

В состоянии равновесия справедливо уравнение (6.3), поскольку скорости прямой и обратной реакции равны.

Подставив значения скорости прямой (6.1) и обратной (6.2) реакции в уравнение (6.3), получим равенство:

Состояние равновесия характеризуется соответствующей константой равновесия К р, равной отношению констант прямой и обратной реакций (6.5). Величина, обратная константе равновесия, называется субстратной константой K s , или константой диссоциации фермент-субстратного комплекса:

Из уравнения (6.6) ясно, что субстратная константа уменьшается при высокой концентрации фермент-субстратного комплекса, т.е. при большой его устойчивости. Следовательно, субстратная константа характеризует сродство фермента и субстрата и соотношение констант скоростей образования и диссоциации фермент-субстратного комплекса.

Явление насыщения фермента субстратом изучали Леонор Михаэлис и Мод Мептен. На основе математической обработки результатов ими было выведено уравнение (6.7), получившее их имена, из которого ясно, что при высокой концентрации субстрата и низком значении субстратной константы скорость ферментативной реакции стремится к максимальной. Однако это уравнение носит ограниченный характер, поскольку учитывает не все параметры:

Фермент-субстратный комплекс в процессе реакции может подвергаться превращениям в разных направлениях:

• диссоциировать на исходные вещества;
• превращаться в продукт, от которого отделяется фермент в неизменном виде.

Поэтому для описания суммарного действия ферментативного процесса введено понятие константы Михаэлиса К т, которая выражает взаимосвязь констант скоростей всех трех реакций ферментативного катализа (6.8). Если оба слагаемых разделить на константу скорости реакции образования фермент-субстратного комплекса, то получится выражение (6.9):

Из уравнения (6.9) вытекает важное следствие: константа Михаэлиса всегда больше субстратной константы на величину k 2 /k v

Численно К т равна такой концентрация субстрата, при которой скорость реакции составляет половину максимально возможной скорости и соответствует такому насыщению фермента субстратом, как на рис. 6.5, б. Поскольку на практике не всегда удается достичь полного насыщения фермента субстратом, то именно К т используется для сравнительной характеристики кинетических характеристик ферментов.

Скорость ферментативной реакции при неполном насыщении фермента субстратом (6.10) зависит от концентрации фермент-субстратного комплекса. Коэффициентом пропорциональности служит константа реакции освобождения фермента и продукта, поскольку при этом меняется концентрация фермент-субстратного комплекса:

После преобразований, с учетом представленных выше зависимостей, скорость ферментативной реакции при неполном насыщении фермента субстратом описывается уравнением (6.11), т.е. зависит от концентраций фермента, субстрата и их сродства K s:

Графическая зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата не является линейной. Как очевидно из рис. 6.6, с увеличением концентрации субстрата наблюдается рост активности фермента. Однако при достижении максимального насыщения фермента субстратом скорость ферментативной реакции становится максимальной. Следовательно, фактором, ограничивающим скорость реакции, является образование фермент-субстратного комплекса.

Практика показала, что концентрации субстратов, как правило, выражаются значениями намного меньше единицы (10 6 -10 3 моль). Оперировать такими величинами в расчетах довольно сложно. Поэтому Г. Лайнуивер и Д. Берк предложили выражать графическую зависимость скорости ферментативной реакции не в прямых координатах, а в обратных. Они исходили из предположения, что для равных величин равны и обратные им значения:

Рис. 6.6.

После преобразования выражения (6.13) получается выражение, называемое уравнением Лайнуивера - Бэрка (6.14):

Графическая зависимость уравнения Лайнуивера- Берка носит линейный характер (рис. 6.7). Кинетические характеристики фермента определяются следующим образом:

• отрезок, отсекаемый на оси ординат, равен 1/V;
• отрезок, отсекаемый на оси абсцисс, равен -1 /К т.

Рис. 6.7.

Считается, что метод Лайнуивера - Берка позволяет более точно, чем в прямых координатах, определить максимальную скорость реакции. Из этого графика можно также извлечь ценную информацию, касающуюся ингибирования фермента.

Существуют и другие способы преобразования уравнения Михаэлиса- Ментен. Графические зависимости используют при изучении влияния различных внешних воздействий на ферментативный процесс.

Данный раздел энзимологии изучает влияние различных факторов на скорость ферментативной реакции. Учитывая общее уравнение ферментативного катализа обратимой реакции превращения одного субстрата в один продукт (1),

следует назвать главные факторы влияния на скорость ферментативной реакции: концентрация субстрата [S], концентрация фермента [E] и концентрация продукта реакции [P].

Взаимодействие некоторых ферментов с их субстратом можно описать гиперболической кривой зависимости скорости ферментативной реакции V от концентрации субстрата [S] (рис.19):

Рис.19.Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.

На этой кривой можно выделить три участка, которые можно объяснить по положениям механизма взаимодействия фермента с субстратом: ОА – участок прямо пропорциональной зависимости V от [S], происходит постепенное заполнение активных центров фермента молекулами субстрата с образованием неустойчивого комплекса ES; участок АВ - криволинейная зависимость V от [S], полное насыщение активных центров фермента молекулами субстрата еще не достигнуто. Комплекс ES до достижения переходного состояния является нестабильным, вероятность обратной диссоциации до E и S еще велика; участок ВС - зависимость описывается уравнением нулевого порядка, участок параллелен оси [S], достигнуто полное насыщение активных ферментов молекулами субстрата, V=V max .

Характерная форма кривой описывается математически уравнением Бриггса-Холдейна:

V=V max ● [S]/ Km + [S] (2),

где Кm - константа Михаэлиса-Ментен, численно равная концентрации субстрата, при которой скорость ферментативной реакции равна половине V max .

Чем меньше K m фермента, тем выше сродство фермента к субстрату, тем быстрее достигается переходное состояние для субстрата, и он превращается в продукт реакции. Поиск значений Km для каждого из субстратов фермента с групповой специфичностью важен при определении биологической роли этого фермента в клетке.

Для большинства ферментов невозможно построить гиперболическую кривую (рис.19), В таком случае используется метод двойных обратных величин (Лайнуивера-Бэрка), т.е. строится графическая зависимость 1/[V] от 1/[S] (рис.20). Метод построения таких кривых в эксперименте очень удобен при изучении влияния различных типов ингибиторов на активность ферментов (см. по тексту дальше).

Рис.20. График зависимости 1/[V] от 1/[S] (метод Лайнуивера-Бэрка),

где y-отсекаемый участок - , а x – отсекаемый участок - , тангенс угла α - .

Зависимость скорости ферментативной реакции V от концентрации фермента [E].

Данная графическая зависимость (рис.21) рассматривается при оптимальных температуре и рН окружающей среды, при концентрациях субстрата, значительно превышающих концентрацию насыщения активных центров фермента.

Рис. 21. Влияние концентрации фермента на скорость ферментативной реакции.

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации кофактора или кофермента. Для сложных ферментов, следует учитывать, что дефицит коферментных форм витаминов при гиповитаминозах, нарушение поступления в организм ионов металлов обязательно приводят к уменьшению концентрации соответствующих ферментов, необходимых для течения процессов обмена веществ. Поэтому следует сделать вывод о прямой зависимости активности фермента от концентрации кофактора или кофермента.

Влияние концентрации продуктов на скорость ферментативной реакции. Для обратимых реакций, протекающих в организме человека, необходимо учитывать, что продукты прямой реакции могут быть использованы ферментом в качестве субстратов обратной реакции. Поэтому направление течения и момент достижения V max являются зависимыми от соотношения концентраций исходных субстратов и продуктов реакции. Так, например, активность аланинаминотрасферазы, катализирующей превращение:

Аланин + Альфа-кетоглутарат ↔ Пируват + Глутамат

зависит в клетке от соотношения концентраций:

[аланин + альфа-кетоглутарат] / [пируват+глутамат].

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ. ТЕОРИИ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА

Ферменты, как и небелковые катализаторы, увеличивают скорость химической реакции по причине способности снижать энергию активации этой реакции. Энергия активации ферментативной реакции рассчитывается как разность между значением энергии в системе протекающей реакции достигшей переходного состояния и энергией, определяемой в начале реакции (см. графическую зависимость рис. 22).

Рис. 22. Графическая зависимость энергетического состояния химической реакции без фермента (1) и в присутствии фермента (2) от времени течения реакции.

Работы В. Генри и, в особенности, Л. Михаэлиса, М. Ментен по изучению механизма моносубстратных обратимых ферментативных реакций позволили постулировать, что фермент Е сначала обратимо и относительно быстро соединяется со своим субстратом S c образованием фермент-субстратного комплекса (ЕS):

E + S <=> ES (1)

Образование ЕS происходит за счет водородных связей, электростатических, гидрофобных взаимодействий, в некоторых случаях ковалентных, координационных связей между боковыми радикалами аминокислотных остатков активного центра и функциональными группами субстрата. У сложных ферментов функцию контакта с субстратом может выполнить и небелковая часть структуры.

Фермент-субстратный комплекс затем распадается во второй более медленной обратимой реакции с образованием продукта реакции Р и свободного фермента Е:

ES <=> EР <=>E + P (2)

В настоящее время, благодаря работам выше названных ученых, а также Кейлина Д., Чанса Б., Кошленда Д. (теория «индуцированного соответствия»), существуют теоретические положения о четырёх основных моментах в механизме действия фермента на субстрат, определяющих способность ферментов ускорять химические реакции:

1. Ориентация и сближение . Фермент способен связывать молекулу субстрата таким образом, что атакуемая ферментом связь оказывается не только расположенной в непосредственной близости от каталитической группы, но и правильно ориентированной по отношению к ней. Вероятность того, что комплекс ES достигнет переходного состояния за счет ориентации и сближения, сильно увеличивается.

2. Напряжение и деформация : индуцированное соответствие. Присоединение субстрата может вызывать конформационные изменения в молекуле фермента, которые приводят к напряжению структуры активного центра, а также несколько деформируют связанный субстрат, облегчая тем самым достижение комплексом ES переходного состояния. Возникает так называемое индуцированное соответствие между молекулами E и S.

КИНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ

Vфр определяется количеством вещества, которое превращается в единицу времени. V этих реакций зависит от влияния внешних факторов (температура, рН, воздействие природных и чужеродных соединений и т.д.).

Vфр является мерой каталитической активности и обозначается просто как активность ферментов.
Измерить активность ферментов можно только косвенно:
1) по количеству превращаемого S;
2) нарастанию концентрации Р в единицу времени.
Для выражения концентрации фермента пользуются:
а) единица измерения ферментов – это то количество фермента, которое катализирует превращение 1 мкмоля S в мин. [мкмоль/мин];
б) 1 катал (кат) – количество ферментов, способное вызывать превращение 1 моля S в Р в 1 сек. [моль/с].
1 кат = 6×107Е; 1Е = 16,67 (н кат)
Для выражения активности ферментов пользуются:
а) удельная активность ферментов – это число ферментов на 1 мг или число кат. на 1 кг белка;
б) молекулярная активность или число оборотов – это число молекул S, подвергающихся превращению одной молекулой Е в 1 мин.
Одна молекула каталазы эритроцитов расщепляет в 1 мин 5×106 молекул Н2О2.

Специфичность действия ферментов
Понятие Е S комплекса и АЦФ тесно взаимосвязаны с особым свойством ферментов – их специфичностью. По степени специфичности (в порядке ее снижения) различают:
I. Стереохимическую субстратную специфичность – в этом случае ферменты катализируют только 1 форму S (1 изомер). Например, фумаратгидратаза катализирует только превращение фумаровой кислоты, но не катализирует превращение ее изомера – малеиновую кислоту.
II. Абсолютную субстратную специфичность – Е превращает только 1S. Например, уреаза превращает только мочевину.
III. Абсолютная групповая S-ную специфичность. Ферменты действуют на группу сходных S-в. Например, алкоголь ДГ превращает не только этанол, но и другие алифатические спирты.
IV. Относительную групповую S-ную специфичность. Фермент воздействует не на группу молекул S, а на определенные связи определенных групп S-в. Например, пепсин и трипсин специфичны по отношению к пептидным связям в различных белках.
V. Относительную S-ную специфичность. Фермент катализирует, превращаясь в S-в, относящимся к различным группам химических соединений. Например, фермент цитохром-450 катализирует реакции гидроксилирования до 7000 разных S-в. Это наименее специфичная ферментная система.

Существует две теории объяснения специфичности ферментов.
Гипотеза Э. Фишера – гипотеза «ключа и замка» или гипотеза «шаблона». По Фишеру, фермент – это жесткая структура, АЦФ которого - точный «слепок» S-та. Если S подходит к Е как ключ к замку, то реакция произойдет. Если же S немного изменен («ключ»), то он не соответствует АЦФ («замку»), и реакция становится невозможной. Несмотря на логичность такого объяснения, гипотеза Фишера не объясняет, на чем тогда основаны абсолютная и относительная групповая специфичность. Например, цитохром-450 соединяется с таким большим количеством S-в, различных по строению.
Эти внешние противоречия объясняет гипотеза Кошленда, или гипотеза вынужденного соответствия. По мнению Кошленда, молекула фермента не «жесткая», а гибкая структура и конфигурация фермента и его АЦФ начинают изменяться в момент присоединения фермента к S или другим лигандам. При образовании Е-S комплекса кроме геометрической комплементарности имеет место и электростатическая, которая осуществляется благодаря спариванию противоположно заряженных молекул Е и S. В действительности, видимо, имеют место оба варианта присоединения.

Гипотеза Кошленда позволяет объяснить, почему происходит превращение близких аналогов S-в. Если «ложный» субстрат (квази-S) отличается от природного и АЦФ принимает конформацию близкую к истинному субстрату, то расстановка каталитических групп в таком Е-S комплексе позволит осуществить реакцию. Этот «обман» фермент как бы не замечает, хотя реакция идет и не так быстро, как с истинным субстратом. Если конфигурация квази субстрата не позволяет правильно расположиться каталитической группе, то в этом случае реакция не пойдет. Т.е. если диапазон конформационных перестроек ограничен до одной единственно возможной, то фермент высокоспецифичен, а если возможности перестройки АЦФ велики, то фермент срабатывает и на квази субстраты.

Зависимость Vфр от рН-среды
Для каждого фермента имеется свой оптимум рН, при котором Vфр максимальна. Отклонение рН в ту или другую сторону ведет к снижению активности фермента. Большая часть ферментов имеет рН~7,0 то есть он совпадает с физиологическими значениями рН.
При оптимальном значении рН функциональные группы АЦФ и сам S находятся в наиболее предпочтительной для связи форме. Некоторые ферменты имеют оптимальную рН, резко отличающиеся от физиологических значений, пепсин на 100% активен при рН = 1,5-2,5; аргиназа – при рН = 10.

Зависимость Vфр от температуры
С повышением температуры среды Vфр увеличивается, достигает оптимальных величин ~ 20-40ºС для большинства ферментов.
Термолабильность ферментов связана с их белковым строением: при повышении температуры до 40-50ºС и выше, происходит их денатурация.
Для некоторых ферментов денатурации наступает при 0ºС.
Для любых химических реакций при повышении температуры на каждые 10ºС V реакции увеличивается в 2-3 раза, для ферментативных реакций этот коэффициент ниже – 2 и даже меньше. Исключение: термостабильный фермент адениматциклаза выдерживает температуру 100ºС, а фермент каталаза активен при 0ºС.

Зависимость Vфр от конц. S.
Механизм действия ферментов описывается уравнением Михаэлиса-Ментен. Установить зависимость Vфр от [S] можно графически.
а) по кривой Михаэлиса: чем меньше Km, тем больше Vm и тем выше сродство E к S.
Vmax соответствует состоянию полного насыщения фермента S-том.

в растворе избыток Е (3 мол S, 5 мол Е) это участок насыщения фермента S-том.
б) методом обратных величин Лайнцивера-Берка, где зависимостьVфр от [S] рассчитывают в обратных величинах.

Регуляция активности ферментов.
Ферменты являются катализаторами с регулируемой активностью, поэтому через ферменты можно контролировать Vфр. Регуляция активности может осуществляться путем взаимодействия ферментов с различными биологическими компонентами или же чужеродными соединениями (лекарствами, ядами), которые называются модификаторами. Если в присутствии модификатора Vфр возрастает, то такие модификаторы называют активаторами, а если падает ингибиторами.

Активирование ферментов.
Существует несколько видов активации ферментов.
1. Активирование путем воздействия на субъединицы молекул фермента. Некоторые ферменты имеют ЧС в виде 2-х субъединиц: каталитической и регуляторной. При сохранении ЧС АЦФ скрыт.

Например, многие ферменты в организме вырабатываются в виде проферментов или зимогенов, то есть в неактивном состоянии. По мере необходимости определенное их количество активируется. Например, неактивный трипсиноген под действием фермента энтерокиназы превращается в активный трипсин.
2. На активирование ферментов влияют ионы:
а) катионы – их воздействие более специфично, чем анионов. Катионы могут сами выступать в виде простетических групп в ферментах (Fe в цитохроме) или своим присутствием воздействовать на фермент, активируя его. Например, угольная ангидраза активируется в присутствии Zn+2.
б) анионы – действуют менее специфично и обычно виляют на 2-й этап ф.р. – распад ES-комплекса. Однако иногда и анионы являются непосредственными активаторами ферментов. Например, Cl– активирует неактивный пепсиноген и превращает его в активный пепсин.
3. Активация путем защиты ферментов от инактивирующего влияния различных воздействий. Обеспечивается специфическими веществами, предупреждающими отрицательное влияние на ферменты.

Ингибирование ферментов.
Вещества, вызывающие частичное или полное торможение ферментов называются ингибиторами(I). Ингибиторы обладают свойством прочно связываться с ферментом. По этому признаку различают ингибирование: обратимое и необратимое.
При обратимом ингибировании I и Е вступают во взаимодействием. Если каким-нибудь образом ингибитор нейтрализовать (например, диализом), то активность Е восстанавливается. Если этого не удается достигнуть, то речь идет о необратимом ингибировании.
Обратимое ингибирование

конкурентное неконкурентное
Конкурентное ингибирование может быть вызвано веществами со структурой, сходной со структурой истинного S.

I и S конкурируют за АЦФ, комплекс с ферментом образует то соединение, молекул которого больше. С ферментом связывается либо I, либо S, для такого ингибирования справедливо уравнение: .
НИКОГДА при конкурентном ингибировании не образуется тройной комплекс E S I, чем этот вид ингибирования отличается от других.
Например, сукцинат ДГ входит в состав ферм. системы ЦТК. Его природный S – сукцинат. Ингибиторами могут быть оксалоацетат, малонат (квази-субстраты).

При избытке ингибитор связывается поляризованными группами с АЦФ сукцинат ДГ.
При конкурентном ингибировании Vmax никогда не меняется, но меняется Km. Наклон кривых в присутствии I увеличивается, в результате Km увеличивается

По результатам эксперимента по кривой Михаэлиса-Ментен можно установить конкурентную природу I (по увеличению Km и стабильности Vmax). Характер этой кривой свидетельствует и об обратимости процесса, то есть увеличивая [S], можно сократить время достижения Vmax.
Метод конкурентного ингибирования нашел широкое применение в медицинской практике.

Пара-аминобензойная кислота и сульфаниламид имеют сходную структуру. п-АБК-ту бактериальная клетка использует для синтеза фолиевой кислоты, являющейся составляющей частью ферментов бактерий. С/а блокирует действие ферментов, синтезирующих фолиевую кислоту, в результате рост бактерий останавливается.

Неконкурентное ингибирование – это обратимое торможение, когда I взаимодействует не с АЦФ, а с другими функциональными группами ферментов, то есть в данном случае I не имеет структурного сходства с S. Присоединение такого ингибитора снижает активность фермента, а не его сродство к S, то есть ингибитор не изменяет Km, а снижает макс. Vфр.

При этом виде ингибирования образуется неактивные малодиссоциирующие комплексы E I или E I S. Например, действие HCN, других химических соединений, связывающих ионы Ме или других функциональных групп в молекуле фермента.

Смешанное ингибирование (или частично неконкурентный тип) - снижение Vmax сочетается с увеличением Km.

При этом образуется Е I S-комплекс, а S в нем подвергается медленному каталитическому превращению.

Субстратное ингибирование – это снижение Vфр при значительном повышении [S]. Первоначально, с увеличением [S] Vфр растет, достигая своего максимума, но при дальнейшем увеличении [S] Vфр начинает падать.
Механизм ингибирующего действия избытка S разнообразен. Чаще всего это взаимодействие промежуточных соединений E S с еще одной иди несколькими молекулами S, в результате чего образуется неактивное соединение, то
есть комплекс, не дающий продуктов реакции.

Методы регуляции активности ферментов
В живом организме одновременно происходят реакции синтеза, распада и взаимопревращений тысяч разнообразных веществ. Все эти множества реакций регулируются в организме посредством различных механизмов, наиболее важными из которых являются:
а) регуляция по типу обратной связи; характерна обычно для реакций синтеза. Накопление продуктов реакции свыше допустимого уровня оказывает сильное ингибирующее действие на первую стадию процесса:

б) аллостерическая регуляция активности ферментов – характерна только для особой группы ферментов с ЧС, имеющих регуляторные центры для связывания аллостерических эффекторов. Отрицательные эффекторы тормозят превращение S и выступают в роли аллостерических ингибиторов. Положительные эффекторы, напротив, ускоряют Vфр, поэтому их относят к к аллостерическим активаторам.

Механизм действия аллостерических ингибиторов на фермент заключается в изменении АЦФ этого фермента. Уменьшение Vфр является либо следствием увеличения Km, либо результатом уменьшенияVmax, при тех же насыщающих концентрациях S. Аллостерические активаторы напротив облегчают превращение S в АЦФ, что сопровождается либо уменьшением Km, либо увеличением Vmax.

Компартментализация – явление, при котором с помощью мембран пространственно разъединяется
а) фермент от своих S (например, лизомальные ферменты от веществ, на которые они действуют в цитоплазме);
б) взаимно несовместимые в одно и тоже время процессы. Синтез жк происходит в растворимой части цитоплазмы, а распад жк – в митохондриях.

Кинетика ферментативных реакций. Этот раздел энзимологии изучает влияние хими ческих и физических факторов на скорость ферментативной реакции. В 1913 г. Михаэлис и Ментен создали теорию ферментативной кинетики, исходя из того, что фермент (Е) вступает во взаимодействие с субстратом (S) с образованием промежуточного ферментсубстратного комплекса (ЕS), который далее распадается на фермент и продукт реакции по уравнению:

Каждый этап взаимодействия субстрата с ферментом характеризуется своими константами скорости. Отношение суммы констант скорости распада ферментсубстратного комплекса к константе скорости образования ферментсубстратного комплекса называется константой Михаелиса (Кm). Она определят сродство фермента к субстрату. Чем ниже константа Михаелиса, тем выше сродство фермента к субстрату, тем выше скорость ка тализируемой им реакции. По величине Кm каталитические реакции можно поделить на быстрые (Кm 106 моль/л и меньше) и медленные (Кm 102 до 106).

Скорость ферментативной реакции зависит температуры, реакции среды, концентрации реагирующих веществ, количества фермента и других факторов.

1. Рассмотрим зависимость скорости реакции от количест ва фермента. При условии избытка субстрата скорость реакции пропорциональна количеству фермента, но при избыточном количестве фермента прирост скорости реакции будет сни жаться, поскольку уже не будет хватать субстрата.

2. Скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих ве ществ (закон действующих масс). Этот закон применим и для ферментативных реакций, но с определенными ограничениями. При постоян

ных количествах фермента скорость реакции действительно пропорциональна концентрации субстрата, но, только в области низких концен траций. При высоких концентрациях субстрата наступает насыщение фермента субстратом, то есть наступает такой момент, когда уже все мо лекулы фермента задействованы в каталитическом процессе и прироста скорости реакции не будет. Скорость реакции выходит на макси мальный уровень (Vmax) и дальше уже не зависит от концентрации субстрата. Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата следует определять в той части кривой, кото рая ниже Vmax. Технически легче определить не максимальную скорость, а ½ Vmax. Этот параметр является главной характеристикой ферментативной реакции и дает возможность определить константу Михаелиса (Кm).

Кm (константа Михаэлиса) – это такая концентрация субстрата, при которой ско рость ферментативной реакции равна по ловине максимальной. Отсюда выводится уравнение Михаэлиса–Ментена скорости ферментативной реакции.