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 К_р. Так, например, для реакции:

А+В С+Д, К_р= .

Константы равновесия обычно находят из соотношения констант скоростей прямой и обратной реакций: К_р= 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 К_s.

Так, в реакции E+ S ES, К_s= = константа К_s зависит от химической природы субстрата и определяет степень их родства. Чем ниже значение К_s, 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 S → P прямо пропорциональна концентрации субстрата). При высоких концентрациях субстрата скорость реакции максимальна, становится постоянной и не зависящей от концентрации субстрата. Реакция подчиняется кинетике нулевого порядка и целиком определяется концентрацией фермента. Возможны также реакции второго порядка, скорость которых пропорциональна произведению концентраций двух реагирующих веществ. 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];
K_s – константа диссоциации фермент-субстратного комплекса, моль/л; V_max – 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 К_m представляет собой константу Михаэлиса.

К_m = K_s+

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

,

разделив обе части уравнение на V_max

или К_m+[S]=2[S], откуда К_m= [S].

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

Определение величины К_m имеет важное значение при выяснение механизма действия эффектов на активность ферментов и др.

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.

8. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений / Н.Н. Третьяков, Е.И. Кошкин, Н.М. Макрушин и др.; Под ред. Н.Н. Третьякова. – М.: Колос, 2000. – 640 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. В 1912 году польский исследователь К.Функ выделил вещество в кристаллическом виде из экстрактов оболочек риса, которое предохраняло от развития бери-бери и представляло собой органическое соединение, содержащее аминогруппу. К. 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 В_с (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.