Биологический каталог




Ферменты. Том 1

Автор М.Диксон, Э.Уэбб

ом случае после диализа препарата фермента причины нелинейности графика сохраняются.

Несмотря на рассмотренные выше исключения, в подавляющем большинстве случаев наблюдается строгая пропорциональность между концентрацией фермента и начальной скоростью реакции. Предположение о подобной строгой пропорциональности является основным постулатом в большинстве опубликованных исследований по кинетике действия ферментов.

Б. ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ СУБСТРАТА

Ферментативная кинетика односубстратных реакций

В подавляющем большинстве^случаев в ферментативных реакциях участвует щ^один^ а большее число субстратов. Это* справедливо даже для~гидролазных реакций, которые часто-рассматривают как односубстратные, поскольку второй субстрат (вода) присутствует в очень высоких концентрациях, и можно считать, что фермент постоянно насыщен водой. Хотя односубстратные реакции встречаются в биохимических системаЗГотно-сительно редко, они, однако, являются весьма полезной простой моделью для построения и обсуждения теорий ферментативной кинетики; при этом большинство получаемых выводов могут быть непосредственно использованы при рассмотрении более-сложных ферментативных реакций.

Вначале мы подробно рассмотрим кинетику односубстратных реакций, а затем кинетику реакций, протекающих с участием-нескольких субстратов и продуктов.

Теория Михаэлиса

Концентрация субстрата — один из наиболее важных факторов, определяющих скорость ферментативныТ'реакций. Почти-во всех случаях трафик зависимости между начальной скоростью и концентрацией субстрата представляет собой часть равнобочной гиперболы, как показано на рис. 4.10. Соответствующее уравнение имеет вид

(а — v) (u-f-s) = const. (4.4)

(Иногда скорость может падать при высоких концентрациях субстрата, но это особый случай, который мы рассмотрим ниже.)

Подобный результат получается всякий раз, когда процесс связан с обычной диссоциацией. Если процесс диссоциации XY^X+Y происходит при постоянной {Y], то кривая зависи-

Кинетика действия ферментов 6

Рис. 4.10. Типичная кривая зависимости между скоростью реакции и концентрацией субстрата, имеющая форму гиперболы.

мости [XY] от [X] бывает подобна кривой, изображенной на рис. 4.10.

Браун [570, 571] и Анри [1905] предположили, что фермент вначале образует комплекс со своим субстратом, а затем этот комплекс распадается с освобождением свободного фермента и продуктов реакции

Е + S ES, (4.5}

k-i

ES (+ второй реагент)-*¦ E -4- Продукты реакции, (4.6)

где k+\, k-i и k+2 являются константами скорости индивидуальных реакций. Если в реакции участвует второй субстрат, то его концентрация включается в величину k+2.

Представление о том, что фермент образует сначала комплекс с субстратом, является центральным для всех современных концепций о механизме действия ферментов. Простая теория, основанная на этом представлении, была впервые предложена Михаэлисом и Ментен в 1913 г. '[3149]. Эта теория основана на двух важных предпосылках.

1. Реакция между ферментом и субстратом (4.5) находится1 в состоянии равновесия; предполагается, что реакция (4.6) практически не оказывает влияния на равновесие. Это условие выполняется, если скорость распада "комплекса ES на свободные фермент и субстрат значительно больше скорости распада его до свободного фермента и продукта (k-i^$>k+2).

2. Концентрация свободного субстрата остается практически постоянной в течение начального^ периода"*ре~акции, так что в. уравнениях (4.5) и (4.6) 'концентрацйя субстрата (s) может быть принята равной полной концентрации субстрата (St). ДанГлава 4

ное условие обычно выполняется, если полная концентрация субстрата значительно больше полной концентрации фермента, как это обычно "имеет место при кинетических исследованиях.

Другая ситуация, при которой концентрация свободного субстрата можег быть постоянной (причем эта концентрация не обязательно должна превосходить концентрацию фермента), возникает в тех случаях, когда скорость поступления субстрата равна скорости его превращения. Подобная ситуация может реализовываться в ходе метаболических процессов в клетке; в связи с этим часто приводимое положение о том, что условия Михаэлиса не соблюдаются, если внутриклеточная концентрация фермента является величиной того же порядка, что и стационарная концентрация его субстрата, следует использовать с осторожностью.

Если обозначить концентрацию свободного субстрата через s (считая ее в соответствии с п. 2 равной полной концентрации субстрата), полную концентрацию фермента через е и концентрацию фермент-субстратного комплекса через х, то концентрация свободного фермента (есв) будет равна (е—х); поскольку система находится в равновесии, выражение для константы диссоциации (Ks) будет следующим:

^__(е —х)s есв5 (4 7)

Это уравнение можно преобразовать и получить выражение для концентрации фермент-субстратного комплекса:

Скорость реакции будет определяться скоростью распада фермент-субстратного комплекса согласно уравнению (4.6):

v=k+2x. (4.9)

Подставляя в уравнение (4.9) выражение для х (4.8), получаем

v= fe+2l . (4.10)

Если s становится большим по сравнению с Ks, то v будет равно k+2e; можно обозначить эту максимальную скорость, полученную в условиях насыщения фермента субстратом, через V, так что

(4.11)

Кинетика действия ферментов Это' хорошо известное уравнение Михаэлиса. Оно может быть преобразовано в уравнение

(V-v)(K,+s) = VKs, (4.12)

которое имеет такой же вид, как и уравнение (4.4). Можно отметить, что, когда s равно Ks, v равно V/2. Величина s, при которой в эксперименте наблюдается скорость, равная половине максимальной (константа Михаэлиса), обычно обозначается через Км, так что в рассматриваемых условиях Km = Ks- Это равенство оказывается справедливым при условии, если между ES, Е и S сохраняется равновесие [предположение, сделанное при выводе уравнения (4.5)], что, однако, не всегда выполняется.

Теория стационарного состояния

Как уже указывалось выше, теория Михаэлиса исходит из; допущения, согласно которому равновесие между ферментом и субстратом {реакция (4.5)] достигается гораздо быстрее, чем успевает распасться комплекс ES [реакция (4.6)], так что все время, пока функционирует фермент, комплекс ES находится в равновесии с Е и S. Принимая во внимание очень высокую каталитическую активность, свойственную многим ферментам, можно считать весьма вероятным, что сделанное выше допущение не всегда справедливо и что реальное значение х будет отличаться от его значения в условиях равновесия. Анализ кинетики реакции с учетом этого обстоятельства был предложен Бриггсом и Холдейном [557] в 1925 г. Этот анализ основывается на постулате, согласно которому в любой момент реакции скорости образования и распада комплекса ES практически равны, так что концентрация комплекса ES, т. е. х, может считаться постоянной в течение короткого периода времени, необходимого для измерения скорости. В течение более продолжительного периода времени х, конечно, будет изменяться по ходу реакции в связи с падением концентрации субстрата; однако скорость изменения величины х всегда будет существенно меньше, чем скорость ферментативной реакции.

В дополнение к этому постулату в теории стационарного состоянии, как и в теории Михаэлиса (с. 93), делается допущение о том, что концентрация свободного субстрата может считаться постоянной.

Для реакции

k k

E'+S ES -Д- E+ Продукты (4.13)

k-i

скорость образования ES будет равна k+i(e—x)s, а скорость распада ES будет равна сумме двух скоростей: скорости расГлава 4

пада ES до Е и S и скорости распада ES до Е и продуктов, т. е. к-\х и k+zx соответственно. Следовательно, результирующая скорость изменения д; будет равна

Ах

-5Г=Ме—x)s—(k.i+kjx. (4.14)

Для стационарного состояния, при котором dx/dt=0, имеем, следовательно,

• (416)

-г--(- s

Это новое значение х заменяет значение, полученное на основе простой равновесной теории Михаэлиса [уравнение (4.8)]. Скорость ферментативной реакции, измеряемая по скорости образования продуктов реакции, будет равна

у=? *=__*±?f-. (4.16)

-г--(- S

Максимальная скорость определяется выражением

v=v. (4Л7)

так что уравнение (4.16) может быть записано в виде

V

(4.18)

Это уравнение идентично уравнению Михаэлиса (4.11), за исключением того, что вместо Ks стоит Км, определяемое выражением

*См-Ч+*+2 (4-19)

Если k+2 значительно меньше k-\, последним членом можно [Пренебречь, и Км. становится равным отношению k-ifk+i, или Ks- Допущение, что &+2<С&-ь было основным в простой равновесной теории 'Михаэлиса и Ментен, и эта теория может, следовательно, рассматриваться как частный случай более общей теории стационарного состояния.

Отметим, что, приняв cbc/cU=0 в уравнении (4.14) и сделав «соответствующую подстановку из (4.19), мы получим Ки = ~ecasjx. Ks также обычно принимают равным ecaslx [уравнение >(4.7)], но при этом концентрации есв, s и х являются равновесными. Отсю

страница 23
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88

Скачать книгу "Ферменты. Том 1" (3.77Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(10.12.2018)