Ферментативная кинетика изучает влияние различных факторов (концентрация S и E, рН, температура, давление, ингибиторы и активаторы) на скорость ферментативных реакций. Главной целью изучения кинетики ферментативных реакций является получение информации, позволяющей глубже понять механизм действия ферментов.
Кинетическая кривая позволяет определить начальную скорость реакции V 0 .
Кривая субстратного насыщения.
Зависимость скорости реакции от концентрации фермента.
Зависимость скорости реакции от температуры.
Зависимость скорости реакции от рН.
|
|
Оптимум рН действия большинства ферментов лежит в пределах физиологических значений 6,0-8,0. Пепсин активен при рН 1,5-2,0, что соответствует кислотности желудочного сока. Аргиназа, специфичный фермент печени, активен при 10,0. Влияние рН среды на скорость ферментативной реакции связывают с состоянием и степенью ионизации ионогенных групп в молекуле фермента и субстрата. Этот фактор определяет конформацию белка, состояние активного центра и субстрата, формирование фермент-субстратного комплекса, собственно процесс катализа. |
Математическое описание кривой субстратного насыщения, константа Михаэлиса .
|
|
Уравнение, описывающее кривую субстратного насыщения, было предложено Михаэлисом и Ментон и носит их имена (уравнение Михаэлиса-Ментен): V = (V MAX *[ S ])/(Km +[ S ]) , где Km – константа Михаэлиса. Легко рассчитать, что при V = V MAX /2 Km = [S], т.е. Km – это концентрация субстрата, при которой скорость реакции составляет ½ V MAX . С целью упрощения определения величины V MAX и Km уравнение Михаэлиса-Ментен можно пересчитать. 1/V = (Km+[S])/(V MAX *[S]), 1/V = Km/(V MAX *[S]) + 1/V MAX , |
|
|
1/ V = Km / V MAX *1/[ S ] + 1/ V MAX уравнение Лайнуивера-Берка. Уравнение, описывающее график Лайнуивера-Берка – это уравнение прямой линии (y = mx + c), где 1/V MAX – это отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат; Km/V MAX - тангенс угла наклона прямой; пересечение прямой с осью абсцисс дает величину 1/Km. График Лайнуивера-Бэрка позволяет определить Km по относительно небольшому числу точек. Этот график также используют при оценке действия ингибиторов, о чем будет сказано ниже. Значение Km изменяются в широких пределах: от 10 -6 моль/л для очень активных ферментов, до 10 -2 – для малоактивных ферментов. |
Оценки Km имеют практическую ценность. При концентрациях субстрата в 100 раз превышающих Km, фермент будет работать практически с максимальной скоростью, поэтому максимальная скорость V MAX будет отражать количество присутствующего активного фермента. Это обстоятельство используют для оценки содержания фермента в препарате. Кроме того, Km является характеристикой фермента, что используется для диагностики энзимопатий.
Ингибирование активности ферментов.
Чрезвычайно характеристикой и важной особенностью ферментов является их инактивация под влиянием определенных ингибиторов.
Ингибиторы – это вещества, вызывающие частичное или полное торможение реакций, катализируемых ферментами.
Ингибирование ферментативной активности может быть необратимым или обратимым, конкурентным или неконкрентным.
Необратимое ингибирование – это стойкая инактивация фермента, возникающая в результате ковалентного связывания молекулы ингибитора в активном центре или в другом особом центре, изменяющим конформацию фермента. Диссоциация столь устойчивых комплексов с регенерацией свободного фермента практически исключена. Для преодоления последствий такого ингибирования организм должен синтезировать новые молекулы фермента.
Обратимое ингибирование – характеризуется равновесным комплексообразованием ингибитора с ферментом за счет нековалентных связей, вследствие чего такие комплексы способны к диссоциации с восстановлением активности фермента.
Классификация ингибиторов на конкурентные и неконкурентные основана на том, ослабляется (конкурентное ингибирование ) или не ослабляется (неконкурентное ингибирование ) их ингибирующие действие при повышении концентрации субстрата.
Конкурентные ингибиторы – это, как правило, соединения, структура которых сходна со структурой субстрата. Это позволяет им связываться в том же активном центре, что и субстраты, препятствуя взаимодействию фермента с субстратом уже на стадии связывания. После связывания ингибитор может быть превращен в некий продукт или остается в активном центре, пока не произойдет диссоциация.
Обратимое конкурентное ингибирование можно представить в виде схемы:
E↔ E-I → E + P 1
S (неакт)
Степень ингибирования фермента определяется соотношением концентраций субстрата и фермента.
Классическим примером подобного типа ингибирования является торможение активности сукцинатдегидрогеназы (СДГ) малатом, который вытесняет сукцинат из субстратного участка и препятствует его превращению в фумарат:
Ковалентное связывание ингибитора в активном центре приводит к инактивации фермента (необратимое ингибирование). Примером необратимого конкурентного ингибирования может служить инактивация триозофосфатизомеразы 3-хлорацетолфосфатом. Этот ингибитор является структурным аналогом субстрата – диоксиацетонфосфата и необратимо присоединяется к остатку глутаминовой кислоты в активном центре:
Некоторые ингибиторы действуют менее избирательно, взаимодействуя с определенной функциональной группой в составе активного центра разных ферментов. Так, связывание йодацетата или его амида с SH-группой аминокислоты цистеина, находящийся в активном центре фермента и принемающей участие в катализе, приводит к полной утрате активности фермента:
R-SH + JCH 2 COOH → HJ + R-S-CH 2 COOH
Поэтому эти ингибиторы инактивируют все ферменты, которые имеют SH-группы, участвующие в катализе.
Необратимое ингибирование гидролаз при действии нервно-паралитических газов (зарин, зоман) обусловлено их ковалентным связыванием с остатком серина в активном центре.
Метод конкурентного ингибирования нашел широкое применение в медицинской практике. Сульфаниламидные препараты – антагонисты п-аминобензойной кислоты, могут служить примером метаболизируемых конкурентных ингибиторов. Они связываются с дигидроптератсинтетазой – бактериальным ферментом, осуществляющим превращение п-аминобензоата в фолиевую кислоту, необходимую для роста бактерий. Бактерия погибает в результате того, что связавшийся сульфаниламид превращается в другое соединение и фолиевая кислота не образуется.
Неконкурентные ингибиторы обычно связываются с молекулой фермента в участке, отличном от места связывания субстрата, и субстрат непосредственно не конкурирует с ингибитором. Поскольку ингибитор и субстрат связываются с разными центрами возможно образование как комплекса E-I, так и комплекса S-E-I. Комплекс S-E-I тоже распадается с образованием продукта, однако с меньшей скоростью, чем E-S, поэтому реакция будет замедляться, но не остановится. Таким образом, могут протекать следующие параллельные реакции:
E↔ E-I ↔ S-E-I → E-I + P
Обратимое неконкурентное ингибирование встречается сравнительно редко.
Неконкурентные ингибиторы называют аллостерическими в отличие от конкурентных (изостерических ).
Обратимое ингибирование может быть количественно изучено на основе уравнения Михаэлиса-Ментен.
При конкурентном ингибировании V MAX остается постоянной, а Km возрастает.
|
|
|
При неконкурентном ингибировании снижается V MAX при неизменном Km.
|
|
|
Если продукт реакции ингибирует фермент, катализирующий его образование, такой способ ингибирования называется ретроингибированием или ингибированием по принципу обратной связи . Например, глюкоза тормозит глюкозо-6-фосфатазу, которая катализирует гидролиз глюкозо-6-фосфата.
Биологическое значение такого ингибирования – регуляция определенных метаболических путей (см. следующее занятие).
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Задание студентам
1. Изучить денатурацию белков под действием растворов минеральных и органических кислот и при нагревании.
2. Обнаружить кофермент НАД в дрожжах.
3. Определить амилазную активность в моче (сыворотке крови).
9. ЭТАЛОНЫ ОТВЕТОВ НА ЗАДАЧИ , тестовые вопросы, используемые при контроле знаний на занятии (можно в виде приложения)
10. ХАРАКТЕР И ОБЪЕМ ВОЗМОЖНОЙ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ
(Указать конкретно характер и форму УИРС: подготовка реферативных выступлений, проведение самостоятельных исследований, имитационная игра, оформление истории болезни с использованием монографической литературы и др. формы)
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.
Свойства ферментов
1. Зависимость скорости реакции от температуры
Зависимость активности ферментов (скорости реакции) от температуры описывается колоколообразной кривой с максимумом скорости при значениях оптимальной температуры для данного фермента . Повышение скорости реакции при приближении к оптимальной температуре объясняется увеличением кинетической энергии реагирующих молекул.
Зависимость скорости реакции от температуры
Закон о повышении скорости реакции в 2-4 раза при повышении температуры на 10°С справедлив и для ферментативных реакций, но только в пределах до 55-60°С, т.е. до температур денатурации белков. При понижении температуры активность ферментов понижается, но не исчезает совсем.
Как исключение, имеются ферменты некоторых микроорганизмов, существующих в воде горячих источников и гейзеров, у них оптимум температуры приближается к точке кипения воды. Примером слабой активности при низкой температуре может служить зимняя спячка некоторых животных (суслики, ежи), температура тела которых понижается до 3-5°С. Это свойство ферментов также используется в хирургической практике при проведении операций на грудной полости, когда больного подвергают охлаждению до 22°С.
Ферменты могут быть очень чувствительны к изменению температуры:
- у сиамских кошек мордочка, кончики ушей, хвоста, лапок черного цвета. В этих областях температура всего на 0,5°С ниже, чем в центральных областях тела. Но это позволяет работать ферменту, образующему пигмент в волосяных луковицах, при малейшем повышении температуры фермент инактивируется,
- обратный случай - при понижении температуры окружающего воздуха у зайца-беляка пигментообразующий фермент инактивируется и заяц получает белую шубку,
- противовирусный белок интерферон начинает синтезироваться в клетках только при достижении температуры тела 38°С,
Бывают и уникальные ситуации:
- для большинства людей повышение температуры тела на 5°С (до 42°С) несовместимо с жизнью из-за дисбаланса скорости ферментативных реакций. В то же время у некоторых спортсменов обнаружено, что при марафонском беге их температура тела составила около 40°С, максимальная зарегистрированная температура тела была 44°С.
2. Зависимость скорости реакции от рН
Зависимость также описывается колоколообразной кривой с максимумом скорости при оптимальном для данного фермента значении рН.
Данная особенность ферментов имеет существенное значение для организма в его адаптации к изменяющимся внешним и внутренним условиям. Сдвиги величины рН вне- и внутри клетки играет роль в патогенезе заболеваний, изменяя активность ферментов разных метаболических путей.
Для каждого фермента существует определенный узкий интервал рН среды, который является оптимальным для проявления его высшей активности. Например, оптимальные значения рН для пепсина 1,5-2,5, трипсина 8,0-8,5, амилазы слюны 7,2, аргиназы 9,7, кислой фосфатазы 4,5-5,0, сукцинатдегидрогеназы 9,0.
Зависимость скорости реакции от величины pH
Зависимость активности от кислотности среды объясняется наличием аминокислот в структуре фермента, заряд которых изменяется при сдвиге рН (глутамат, аспартат, лизин, аргинин, гистидин). Изменение заряда радикалов этих аминокислот приводит к изменению их ионного взаимодействия при формировании третичной структуры белка, изменению его заряда и появлению другой конфигурации активного центра и, следовательно, субстрат связывается или не связывается с активным центром.
Изменение активности ферментов при сдвиге рН может нести и адаптивные функции. Так, например, в печени ферменты глюконеогенеза требуют меньшей рН, чем ферменты гликолиза , что удачно сочетается с закислением жидкостей организма при голодании или физической нагрузке.
Для большинства людей сдвиги величины рН крови за пределы 6,8-7,8 (при норме 7,35-7,45) несовместимы с жизнью из-за дисбаланса скорости ферментативных реакций. В то же время у некоторых марафонцев обнаружено снижение рН крови в конце дистанции до 6,8-7,0. И ведь при этом они сохраняли работоспособность!
3. Зависимость от количества фермента
При увеличении количества молекул фермента скорость реакции возрастает непрерывно и прямо пропорционально количеству фермента, т.к. большее количество молекул фермента производит большее число молекул продукта.
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.
Металлы могут находиться в составе простетической группы ферментов. К примеру, железо считается важным компонентом каталазы в составе порфириновых соединений. 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: моль\л.
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 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.
Скорость ферментативных реакций зависит от концентрации фермента, субстрата, температуры, рН, наличия активаторов и ингибиторов.
В условиях избытка субстрата скорость реакции прямо пропорциональна концентрации фермента (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Зависимость скорости реакции от концентрации фермента.
Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата представлена на рисунке 3.3.
Рис. 3.3. Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата.
На графике выделяют 3 участка. При низкой концентрации субстрата (участок а ) скорость реакции прямо пропорциональна концентрации субстрата и подчиняется кинетике первого порядка. На участке b (реакция смешанного порядка) эта зависимость нарушается. На участке c скорость реакции максимальна и не зависит от концентрации субстрата.
Ферментативная реакция характеризуется формированием фермент-субстратного комплекса , который распадается с образованием свободного фермента и продукта реакции.
В этом уравнении k 1 – константа скорости образования фермент-субстратного комплекса, k 2 – константа диссоциации фермент-субстратного комплекса с образованием свободного фермента и субстрата и k 3 – константа скорости диссоциации фермент-субстратного комплекса до свободного фермента и продукта реакции.
Михаэлис и Ментен предложили уравнение, которое описывает зависимость скорости реакции от концентрации субстрата.
v – скорость реакции при данной концентрации субстрата; Ks – константа диссоциации фермент-субстратного комплекса; Vmax – максимальная скорость реакции.
Ks=k -2 /k 1 т.е. отношение константы обратной реакции к константе прямой реакции.
Однако данное уравнение описывает только участок а на графике и не учитывает влияния на скорость ферментативного процесса продуктов реакции.
Холдейн и Бриггс заменили в уравнении константу диссоциации на константу Михаэлиса (Кm).
Константа Михаэлиса численно равна концентрации субстрата , при которой скорость реакции равна половине максимальной. Константа Михаэлиса характеризует сродство фермента и субстрата. Высокое сродство фермента к субстрату характеризуется низкой величиной Кm и наоборот.
Использование графика, предложенного Михаэлисом и Ментен неудобно. Для более удобного графического представления Г.Лайнуивер и Д.Бэрк преобразовали уравнение Холдейна и Бриггса по методу двойных обратных величин, исходя из того принципа, что если существует равенство между двумя величинами, то и обратные величины также будут равны.
Графическое изображение зависимости скорости реакции от рН имеет колоколообразную форму. Значение рН, при котором фермент проявляет максимальную активность, называется оптимумом рН (рис. 5.4 А). Для большинства ферментов оптимум рН равен 6-8. Исключение составляет пепсин, оптимум которого равен 2,0. При изменении рН в ту или другую сторону от оптимума скорость реакции уменьшается, вследствие ионизации функциональных групп фермента и субстрата, что нарушает образование фермент-субстратного комплекса.
Рис. 3.4. Зависимость скорости реакции от рН (А) и температуры (Б).
Скорость химической реакции повышается в 2 раза при повышении температуры на 10°С. Однако вследствие белковой природы фермента при дальнейшем повышении температуры наступает денатурация фермента. Температура, при которой скорость реакции максимальна, называется температурным оптимумом (рис. 3.4. Б). Для большинства ферментов оптимум температуры составляет 37-40°С. Исключение составляет миокиназа мышц, которая выдерживает нагревание до 100°С.
Активаторы ферментов – это вещества 1) формирующие активный центр фермента (Co 2+ ,Mg 2+ , Zn 2+ , Fe 2+ , Са 2+); 2) облегчающие образование фермент-субстратного комплекса (Мg 2+); 3) восстанавливающие SH-группы (глутатион, цистеин, меркаптоэтанол); 4) стабилизирующие нативную структуру белка-фермента. Активируют ферментативные реакции обычно катионы (в таблице Менделеева с 19 по 30). Анионы менее активны, хотя ионы хлора и анионы некоторых других галогенов могут активировать пепсин, амилазу, аденилатциклазу. Активаторами могут быть белки: апопротеин А-I (ЛХАТ), апопротеин С-II (ЛПЛ).
Механизм действия активаторов:
1) участвуют в формировании активного центра ферментов;
2) облегчают связывание субстрата и фермента;
3) участвуют в формировании нативной структуры фермента.
Ингибиторы – вещества, вызывающие частичное или полное торможение реакций, катализируемых ферментами.
Ингибиторы классифицируются на неспецифические и специфические . Действие неспецифических ингибиторов не связано с механизмом действия ферментов. Эти ингибиторы вызывают денатурацию белка-фермента (нагревание, кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов и др.).
Специфические ингибиторы влияют на механизм действия ферментов. Специфические ингибиторы делятся на 2 группы: обратимые и необратимые . Необратимые ингибиторы вызывают стойкое необратимое изменение или модификацию функциональных групп фермента путем прочного или ковалентного связывания. К этой группе относятся: 1) ингибиторы металлосодержащих ферментов (HCN, RCN, HF, CO и др.). Эти соединения связываются с металлами с переменной валентностью (Cu или Fe), в результате чего нарушается процесс переноса электронов по дыхательной цепи ферментов. Поэтому эти ингибиторы называются дыхательными ядами. 2) ингибиторы ферментов, содержащих SH-группы (монойодацетат, дийодацетат, йодацетамид, соединения мышьяка и ртути). 3) ингибиторы ферментов, содержащих ОН-группу в активном центре (фосфороорганические соединения, инсектициды). Эти ингибиторы тормозят, прежде всего, активность холинэстеразы – фермента, играющего первостепенную роль в деятельности нервной системы.
Обратимое ингибирование поддается количественному изучению на основе уравнения Михаэлиса-Ментен. Обратимые ингибиторы делятся на конкурентные и неконкурентные .
Конкурентные ингибиторы – это вещества по структуре похожие на субстрат. Ингибитор связывается с активным центром фермента и препятствует образованию фермент-субстратного комплекса.
Классическим примером конкурентного ингибирования является торможение сукцинатдегидрогеназы малоновой кислотой. Сукцинатдегидрогеназа катализирует окисление янтарной кислоты (сукцината) путем дегидрирования в фумаровую кислоту.
Если в среду добавить малоновую кислоту (ингибитор), то в результате структурного сходства с истинным субстратом сукцинатом он будет реагировать с активным центром с образованием фермент-ингибиторного комплекса, однако реакция происходить не будет.
Действие ингибитора устраняется путем увеличения концентрации субстрата . При конкурентном ингибировании изменяется кинетика ферментативных реакций: увеличивается Кm, V max остается постоянной (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Влияние конкурентных ингибиторов на скорость ферментативной реакции
Метод конкурентного ингибирования нашел применение в медицинской практике, в качестве антиметаболитов .
Например, для лечения некоторых инфекционных заболеваний, вызываемых бактериями, применяют сульфаниламидные препараты. Эти препараты имеют структурное сходство с парааминобензойной кислотой, которую бактериальная клетка использует для синтеза фолиевой кислоты, необходимой для жизнедеятельности бактерий. Благодаря этому структурному сходству сульфаниламид блокирует действие фермента путем вытеснения парааминобензойной кислоты из комплекса с ферментом, синтезирующим фолиевую кислоту.
Неконкурентные ингибиторы – вещества, не имеющие структурного сходства с субстратами. Неконкурентные ингибиторы связываются не с активным центром, а в другом месте молекулы фермента, например, в аллостерическом центре. Это изменяет конформацию активного центра таким образом, что нарушается взаимодействие с ним субстрата.
При неконкурентном ингибировании: V max уменьшается, а K m не изменяется (рис. 3.6).
