3.1. Влияние факторов среды на скорость ферментативных реакций
Мерой скорости ферментативных реакций служит количество субстрата, подвергшегося превращению в единицу времени, или количество образовавшегося продукта. Изменение скорости проводят на начальной стадии реакции, когда продукт ещё практически отсутствует, и обратная реакция не идёт. Кроме того, на начальной стадии реакции концентрация субстрата соответствует его исходному количеству.
Зависимость скорости ферментативной реакции (V) от концентрации фермента [Е] (рисунок 9). При высокой концентрации субстрата (многократно превышающей концентрацию фермента) и при постоянстве других факторовскорость ферментативной реакции пропорциональна концентрации фермента. Поэтому зная скорость реакции, катализируемой ферментом, можно сделать вывод о его количестве в исследуемом материале.
Рисунок 8 - Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента
Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата [S]. График зависимости имеет вид гиперболы (рисунок 9). При постоянной концентрации фермента скорость катализируемой реакции возрастает с увеличением концентрации субстрата до максимальной величины Vmax, после чего остаётся постоянной. Это следует объяснить тем, что при высоких концентрациях субстрата все активные центры молекул фермента оказываются связанными с молекулами субстрата. Любое избыточное количество субстрата может соединиться с ферментом лишь после того, как образуется продукт реакции и освободится активный центр.
Рисунок 9. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.
Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата может быть выражена уравнением Михаэлиса — Ментен:
 ,
где V — скорость реакции при концентрации субстрата [S] , Vmax —максимальная скорость и KM —константа Михаэлиса.
Константа Михаэлиса равна концентрации субстрата, при которой скорость реакции составляет половину максимальной. Определение KM и Vmax имеет важное практическое значение, так как позволяет количественно описать большинство ферментативных реакций, включая реакции с участием двух и более субстратов. Различные химические вещества, изменяющие активность ферментов, по-разному воздействуют на величины Vmax и KM.
Зависимость скорости реакции от t – температуры, при которой протекает реакция (рисунок 10), имеет сложный характер. Значение температуры, при котором скорость реакции максимальна, представляет собой температурный оптимум фермента. Температурный оптимум большинства ферментов организма человека приблизительно равен 40°С. Для большинства ферментов оптимальная температура равна или выше той температуры, при которой находятся клетки.
Рисунок 10 - Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры.
При более низких температурах (0° — 40°С) скорость реакции увеличивается с ростом температуры. При повышении температуры на 10°С скорость ферментативной реакции удваивается (температурный коэффициент Q10 равен 2). Повышение скорости реакции объясняется увеличением кинетической энергии молекул. При дальнейшем повышении температуры происходит разрыв связей, поддерживающих вторичную и третичную структуру фермента, то есть тепловая денатурация. Это сопровождается постепенной потерей каталитической активности.
Зависимость скорости реакции от рН среды (рисунок 11). При постоянной температуре фермент работает наиболее эффективно в узком интервале рН. Значение рН, при котором скорость реакции максимальна, представляет собой оптимум рН фермента. У большинства ферментов организма человека оптимум рН находится в пределах рН 6 – 8, но есть ферменты, которые активны при значениях рН, лежащих за пределами этого интервала.
Изменение рН как в кислую, так и в щелочную сторону от оптимума приводит к изменению степени ионизации кислых и основных групп аминокислот, входящих в состав фермента (например, СООН-группы аспартата и глутамата, NН2-группы лизина и т.д.). Это вызывает изменение конформации фермента, в результате чего изменяется пространственная структура активного центра и снижение его сродства к субстрату. Кроме того, при экстремальных значениях рН происходит денатурация фермента и его инактивация.
Рисунок 11 - Зависимость скорости ферментативной реакции от рН среды.
Следует отметить, что свойственный ферменту оптимум рН не всегда совпадает с рН его непосредственного внутриклеточного окружения. Это позволяет предположить, что среда, в которой находится фермент, в какой-то мере регулирует его активность.
Зависимость скорости реакции от присутствия активаторов и ингибиторов. Активаторы повышают скорость ферментативной реакции. Ингибиторы понижают скорость ферментативной реакции.
В качестве активаторов ферментов могут выступать неорганические ионы. Предполагают, что эти ионы заставляют молекулы фермента или субстрата принять конформацию, способствующую образованию фермент-субстратного комплекса. Тем самым увеличивается вероятность взаимодействия фермента и субстрата, а следовательно и скорость реакции, катализируемой ферментом. Так, например, активность амилазы слюны повышается в присутствии хлорид-ионов.
Энергия, необходимая для того, чтобы заставить вещества вступить в реакцию, называется энергией активации [Eα] (рисунок 12). Чем больше необходимая энергия активации, тем ниже скорость реакции при данной температуре.
Рисунок 12 - Энергетические барьеры катализируемой и некатализируемой реакций.
В любой совокупности молекул того или иного вещества индивидуальные молекулы при постоянной температуре сильно различаются по количеству содержащейся в них энергии. Лишь небольшая часть их может преодолеть активационный барьер и вступить в реакцию в отсутствие катализатора. Поэтому скорость реакции в таких условиях будет очень низкой.
Фермент, соединяясь с субстратом, образует короткоживущий фермент-субстратный комплекс (рисунок 13), которому соответствует более низкая энергия активация по сравнению с субстратом в некатализируемой реакции; такой энергией обладает уже значительно больше молекул субстрата. По завершении реакции фермент-субстратный комплекс распадается на продукт (или продукты) и фермент. Фермент по окончании реакции остаётся таким же, как был до неё, и может взаимодействовать с новой молекулой субстрата.
Рисунок 13 - Образование фермент-субстратного комплекса в ходе катализируемой реакции.
Именно таким образом ферменты снижают энергетический барьер реакции: в их присутствии гораздо большее число молекул вступает в реакцию за единицу времени.
Активный центр фермента
В процессе формирования фермент-субстратного комплекса субстрат присоединяется к специфическому участку на молекуле фермента, который называется активным центром.
Активный центр – участок молекулы фермента, который связывает субстраты и от которого зависит специфичность каталитического действия ферментов; активный центр содержит функциональные группы остатков аминокислот и коферментов, пространственно сближенных и определённым образом ориентированных.
Несмотря на огромное разнообразие структуры ферментов, их специфичности и механизма действия, существует ряд общих закономерностей формирования активных центров.
Во-первых, на активный центр приходится относительно малая часть объёма фермента. Роль остальных аминокислотных остатков, составляющих основную массу фермента, состоит в том, чтобы обеспечить молекуле фермента правильную глобулярную форму.
Во-вторых, активный центр – это сложная трёхмерная структура, и в её образовании принимают участие группы, принадлежащие разным частям линейной последовательности аминокислот. Радикалы аминокислот, образующих активный центр, оказываются вблизи друг от друга в результате формирования третичной структуры белка (рисунок 14). Поэтому при воздействии факторов, вызывающих денатурацию (нагревание, концентрированные кислоты и щёлочи) утрачивается конформация активного центра и фермент теряет свою активность.
Рисунок 14 - А. Участие аминокислотных остатков, образующих активный центр фермента, во взаимодействии с субстратом. Б. Положение этих аминокислотных остатков в первичной структуре фермента.
В-третьих, активный центр имеет форму узкого углубления или щели, в которую ограничен доступ воде, за исключением тех случаев, когда вода является одним из реагирующих веществ. В этом углублении присутствует несколько полярных аминокислотных остатков, необходимых для связывания субстрата и катализа.
В-четвёртых, в составе активного центра можно условно выделить две части: а) контактный или якорный участок, где происходит связывание субстрата в нужной ориентации; б) каталитический участок, обеспечивающий протекание реакции.
Рисунок 15 - Состав активного центра фермента (на примере химотрипсина).
В-пятых, субстраты относительно слабо связываются с ферментами. В связывании и превращении субстрата принимают участие следующие группировки аминокислотных радикалов:
полярные заряженные: карбоксильные группы глутамата и аспартата, аминогруппы лизина; гуанидиновые группы аргинина; имидазольные группы гистидина;
полярные незаряженные: гидроксильные группы серина и треонина; сульфгидрильные группы цистеина; фенольные группы тирозина;
неполярные группы: углеводородные цепи алифатических аминокислот; ароматические кольца фенилаланина и триптофана.
У сложных ферментов в формировании активных центров принимают участие также функциональные группы коферментов.
В образовании фермент-субстратных комплексов принимают участие те же молекулярные взаимодействия, что и обеспечивают формирование пространственной структуры макромолекул, межклеточные контакты и другие процессы в биологических системах:
водородные связи между полярными незаряженными группировками субстрата и фермента;
ионные связи между противоположно заряженными группировками субстрата и фермента;
гидрофобные взаимодействия между неполярными группировками субстрата и фермента.
Эти три основных типа нековалентных связей различаются по своей геометрии, энергии, специфичности.
|
