Особенности кинетики ферментативных реакций

Михаэлис и Ментен предположили, что ферментативная реакция включает обратимое образование фермент-субстратного комплекса, который затем распадается с выделением свободного фермента и одного или более продуктов реакции. Таким образом, в простейшем случае реакцию можно представить как двустадийный процесс:

Е + S  ES  E + P

где Е – свободный фермент, S – субстрат, ЕS – фермент-субстратный комплекс, Р – продукт реакции, К₁ – константа скорости образования ES, K₂ – константа скорости диссоциации ES до E + S, K₃ – константа скорости диссоциации ES до E + P.

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.

Как можно видеть из рисунка, график зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата имеет вид гиперболы. При высокой концентрации субстрата, когда все молекулы фермента находятся в форме фермент-субстратного комплекса (полное насыщение), скорость реакции становится максимальной (Vmax). Другим важным параметром фермента является константа Михаэлиса (Км), по которой судят о сродстве фермента к субстрату. Она определяется как концентрация субстрата, при которой скорость ферментативной реакции равна половине от максимальной. Значение этого параметра хорошо видно на примере двух ферментов – гексокиназы и глюкокиназы, катализирующих одну и ту же реакцию фосфорилирования глюкозы:

глюкоза + АТФ  глюкозо-6-фосфат + АДФ

гексокиназа имеет Км  0,1 мМ и поэтому катализирует реакцию при нормальном уровне глюкозы в крови, в то время как глюкокиназа имеет Км = 10 мМ и поэтому катализирует реакцию только при повышенном (после приема пищи) уровне глюкозы в крови.

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента.

При насыщающих количествах субстрата зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента имеет линейный характер.

Поскольку количество фермента невозможно измерить в абсолютных величинах (например, в граммах), то пользуются условными единицами, основанными на линейной зависимости скорости реакции от количества фермента.

В системе СИ за единицу активности фермента (катал) принимают такое его количество, которое катализирует превращение 1 моль вещества за 1 секунду при оптимальных условиях (t, pH).

Часто, при проведении очистки фермента, определяют удельную активность фермента: она равна числу единиц фермента в образце, деленному на массу вещества (в г).

Зависимость скорости реакции от температуры

Согласно правилу Вант-Гоффа при повышении температуры на каждые 10^о скорость реакции увеличивается в 2-4 раза. Однако для ферментативных реакций это правило справедливо лишь в области низких температур. Для большинства ферментов оптимальная температура равна или несколько выше той, при которой в норме находятся клетки. Повышение реакции по мере приближения к оптимальной температуре слева объясняется увеличением кинетической энергии реагирующих молекул. При дальнейшем повышении температуры ускоряется денатурация фермента, что означает уменьшение его количества, соответственно снижается и скорость реакции.

В лабораторных условиях количественное определение ферментов проводят при температурах 25^о или 30^о, или 37^оС.