Кінетика ферментативних реакцій розглядається в роботах Ментен та Міхаеліса. Докладно вчені описали дане питання в рівнянні фермент-субстратного комплексу.

Визначення

Особливості кінетики ферментативних реакцій розглядаються в науці про ферментах, яка вивчає залежність швидкості такого процесу від хімічних особливостей субстрату, середовища, чужорідних факторів, що впливають на хід хімічної реакції. При суттєвої концентрації субстрату, вона не буде чинити впливу на швидкість процесу.

Специфіка протікання

Аналіз активності ферментів здійснюється при значних концентраціях субстратів (нульовому порядку хімічного процесу). У подібних умовах на зміну швидкості процесу буде впливати лише кількість ферменту.


Кінетика ферментативних реакцій в живих клітинах має деякі відмітні характеристики. Ферменти в них застосовують не на всю силу. При надмірній кількості субстрату, що можливо в умовах експерименту, швидкість реакції буде пропорційна кількості ферменту. При істотному збільшенні цього показника, спостерігається порушення такої пропорційності.

Дія модуляторів на ферменти

Кінетика ферментативних реакцій пояснює лінійне зростання швидкості процесу з підвищенням утримання субстрату. При надмірному зростанні його концентрації спостерігається зменшення субстрату, знижується швидкість протікання хімічного процесу. Кінетика ферментативних реакцій підтверджує залежність активності ферментів від рН середовища, специфіки ферменту, його кількості. Речовини, які впливають на хід подібної реакції, називають модуляторами або ефекторами. Їх прийнято поділяти на інгібітори і активатори, що сприяють уповільнення або прискорення певного процесу.


Основи кінетики ферментативних реакцій дають можливість в повній мірі розуміти суть впливу цих речовин. Частина з них вважається натуральними регуляторами процесу метаболізму. Є різні типи модуляторів активності ферментів, які відрізняються один від одного за механізмом дії і будовою.

Варіанти активаторів

Чим характеризується кінетика ферментативних реакцій? Біохімія розглядає в якості активаторів жовчні кислоти, іони металів, аніони. Бувають такі ситуації, коли одна речовина щодо одного ферменту буде виступати активатором, а в іншому випадку є інгібітором. Специфічними активаторами для виявлення ферментів виступають іони металів. Вони можуть стимулювати процес приєднання до ферменту субстрату, беруть участь в утворенні його третинної структури яких можуть виступати в якості активного центру. Яка кінетика ферментативних реакцій? Коротко можна відзначити, що катіони багатьох металів – це обов'язкові компоненти, необхідні для повноцінної роботи багатьох ферментів. Для деяких з них вимагається відразу кілька різних іонів. Приміром, для Атфази, яка виробляє транспорт іонів через плазматическую мембрану, потрібні іони магнію, натрію, калію. Метали можуть перебувати у складі простетичною групи ферментів. Наприклад, залізо вважається важливим компонентом каталази у складі порфиринових сполук. Кобальт є в складі простетичною групи метилмалонилизомерази і гомоцистеинтрансметилази, а марганець необхідний для активації изоцитратдегидрогенази. Є група ферментів, яка активується з допомогою цАМФ. Подібні ферменти іменуються протеїнкінази. Вона складається з двох субодиниць:

каталітичної, яка містить активний центр;

регуляторна, де розташовується центр зв'язування цАМФ.

Тільки при взаємодії регуляторного центру ферменту і ц-АМФ, він набуває активність. Кінетика ферментативних реакцій: константа Міхаеліса, умови протікання, все це докладно розглядається у фізичній хімії.

Особливості ферментів

Вони є компактними молекулами, мають відносну молекулярну масу від 104 діаметр від 20А. Ферменти, які входять до складу глобулярних білків, утворюються при певному поєднанні пептидними зв'язками 20 амінокислотних залишків. Внутрішня будова ферментів в біохімії характеризується чотирма типами структур:

первинна пов'язана з генетичним кодом;

вторинна структура характеризує спирализацию ланцюга;

третинна визначає просторове укладання спіралі поліпептидного ланцюга;

четверичная пов'язана з об'єднанням глобул в активний олігомерний фермент.

Специфіка процесів з одним субстратом

Кінетика ферментативних реакцій рівняння Міхаеліса - Ментен пояснює зв'язок між швидкістю і концентраціями субстрату. У 1903 році Л. Анрі допустив, що фермент з субстратом утворює якесь проміжне з'єднання. Якщо сам фермент вважати Ті, субстрат S, в такому випадку интермедиат буде мати вигляд ES.
Л. Міхаеліс взяв для аналізу кінетики цього процесу механізм, який включає в себе дві стадії: оборотну, необоротну. Кінетичні рівняння двох цих процесів мають досить складний вид. Для їх розв'язання використовують стаціонарні концентрації. Швидкість отримання проміжного з'єднання описується законом діючих мас, пов'язує між собою початкові концентрації субстрату і ферменту, поточні показники, а також концентрації проміжної речовини і продукту взаємодії.

Особливості вирішення

Які основні кінетики ферментативних реакцій? Таблиця, що використовується у фізичній хімії, дозволяє вирішувати систему рівнянь у наступних випадках:

при зменшенні концентрації вихідних речовин;

при перевищенні кількості продукту в порівнянні з проміжним комплексом.

Для ферментативних процесів виконується співвідношення швидкостей, при якому друга константа істотно перевищує величину першої. Причина нестійкості проміжного з'єднання, його незначної концентрації. За рішенням ІЮПАК константа, що дозволяє описувати кінетику хімічного процесу, була названа константою Міхаеліса. Експериментальним шляхом було підтверджено лінійна залежність початкової швидкості від концентрації субстрату.

Фізичний зміст константи Міхаеліса

Для того щоб відповісти на це питання, приймають концентрацію субстрату, при якій фермент проявляє половину своєї активності. Константа Міхаеліса має таку ж розмірність, що й первісна концентрація субстрату: мольл. Чисельні параметри даної постійної величини розташовуються в межах 10 -2-10-8 М. В ході експериментальних досліджень було встановлено, що константа Міхаеліса є функцією температури. Вона залежить від наявності інших речовин, які виконують у процесі роль активатора або інгібітора.

Приватний випадок

Якщо в ході процесу досягається стан, при якому спостерігається рівність констант, в системі встановлюється рівновага. Це дає можливість застосовувати в ході аналізу ферментативних процесів наближення квазірівноважних концентрацій. У підсумку істотно спрощується вираз для константи Міхаеліса, вона характеризує спорідненість ферменту до використовуваного субстрату.

Інгібування ферментативних процесів

В якості таких речовин виступають реактиви, які при введенні їх в реакційну систему, істотно зменшують швидкість взаємодії. Для ферментативного каталізу вимагається попередній адсорбція субстрату, його чітке орієнтування щодо активних груп каталітичного центру, а для інгібування можна обмежитися тільки звичайного зв'язування інгібітора з деякими фрагментами адсорбційного ділянки. Проявляти властивості інгібіторів з'єднання можуть із-за утворення міцних комплексів (ціаніди), а також при дії на карбонильную групу з денатурацією білків.

Типи інгібування

Ефект уповільнення хімічної взаємодії спостерігається з кількох причин:

Інгібітор конкурує за активний центр з субстратом, створюючи з ферментом неактивний центр. У випадку зростання концентрації субстрату, відновлюється активність у розчині самого ферменту.

Інгібітор приєднується до іншої частини молекули білка, формуючи при цьому неактивний комплекс. Фермент відновлює свою початкову активність під впливом інших речовин, не зачіпаючи субстрату.

Швидкість процесу пов'язана зі швидкістю формування кінцевого продукту через концентрації, константу Міхаеліса. Останню величину можна визначати графічно, а також висловлювати математичним шляхом з формули. При неактивному комплексі інгібітор не заважає реакції між ферментом і субстратом, але істотно знижує швидкість процесу. При статистичній обробці експериментальних даних вдалося для неконкурентного інгібування виявити основні параметри, довести зв'язок між величиною швидкості і показниками концентрацій. Кінетика хімічних процесів передбачає опис особливостей всіх стадій хімічних процесів, використовуючи постійні величини, рівняння Міхаеліса-Ментен. В ході експериментальних досліджень була виявлена залежність між швидкістю ферментативного процесу і зміною концентрації продукту взаємодії або вихідного субстрату. Крім того, встановлено зв'язок швидкості з природою ферменту. Саме від його особливостей безпосередньо залежить активність, особливості поведінки в ході взаємодії. Мірою активності ферменту вважається одна стандартна одиниць, що характеризує кількість ферменту, катализирующее перетворення до мкмоль вихідного субстрату за хвилину. Ферменти широко застосовуються в сучасній медицині, від їх активності безпосередньо залежить швидкість визначення проблеми, а також якість постановки медичного діагнозу пацієнту.