Н.С. Зефиров - Химическая энциклопедия, том 5 (1110092), страница 52
Текст из файла (страница 52)
' Базгьшинство ферментов обладает высокой субсгратной специфичностью, т. е. способностью катализировать превращение только аднопт или неск. близких по структуре в-в. Специфичность определяется топографией сызывающего субстрат участка жтивного центра, Ахтивность ферментов регулируется в процессе их биосинтеза (в т.ч. благодаря образованию изоферлеентав, к-рые катнлизируют идентичные р-иии, но отличаются строением и каталитич. св-вами) а также условиями среды (рН, т-ра, 152 ионная сила р-ра) и многочисленными ингибиторами и жтиваторами, присутствующими в организме. Ингибиторами и активаторами могут служить сами суГюграты (в определенных концентрациах), продукты р-ции, а также конечные продукты в цепи последоват, превращений в-ва (см.
Регуллслоры ферм илов). Эерментативные р-ции чувспютельиы к внеш. уалоитям, в частности к ионной силе р-ра и рН среды. Влияние т-ры на скорость ферментативной р-ции описываетса кривой с мжсимумом, восходящая ветвь к-рой отрв:кает обычную для хим. р-ций зависимость, выраженную ур-пнем Аррениуса. Нисходящая ветвь связана с тепловой денатурацией фермента. Мжсимум кривой соответствует оптимальной т-ре Т, значение к-рой для большинства ферментов ле:кит в пределах 40 — 50 'С. Для нек-рых ферментов, особенно ферментов термофильных микроорганизмов, Т 80 — 90'С.
ПодроГ>нее о кинетике ферментативных р-ций см. Фврмеюивтивныт реакций хин«нека. Осн. нвпражения совр. иссладоианий Ф.к.— выяснение механизма, обусловливающего высокие скорости процессов, высокую селективность (специфичность действия ферментов), изучение механизмов контролв и регуляции активности ерментов. Оказалось, в частности, что р-ции Ф.к. включают ольшае число стадий с участием лабильных промежуг, согде времена жизни к-рых изменяются в нано- и миллисекундном диапазонах.
На жтивных центрах ферментов протекают быстрые (нелимитирующие) стадии, в результате чего понижаетса энергетич. барьер для наиб. трудной, лимитирующей стадии. Установлен механизм регулирования ферментативной жтивноаги путем действия ингибитора (или жтиватора) на специфичный центр белковой молекулы с опосредованной передачей воздействия на жтивный центр фермента через белок. Обнаружены эффекты кооперативного взаимод. песк. молекул с)бстрата на белковой матрице.
Найден спсюоб «жесткооз» выведения фермента из процесса посредством индуцированной субстратом необратимой инжтивации. Ф. к.— основа мн. современных хим. технологий, в частности крупномасппабных процессов получения глюкозы и фруктозы, антибиотиков, аминокислот, витаминов и ретулаторов, а также тонкого орг. синтеза. Разработаны методы, позвашющие проводить ферментативные р-ции в орг.
р-рителях, обращенных мицеллах (см. Мицеллообрвзавинив). С Ф.к. связаны перспективы развития иммуноферментного и биолюминесцентнощ анализа, применения биосенсоров. Созданы методы, позволившие придать каталнтич, жтивность антителам, обнаружена каталитич. жтивносгь у рибонуклеиновой к-ты (абзимы, рибозимы соатв.), Ленке Б е р е а ил И.
В., Иселедоваюи а обласеифермеилиилвото к«талала и иииеиериой аювмолопеи, М., !Ура. См. такие лвт. т ет. Ькомекнологне, Генемнеесвм нов«нерка, Ферменмомненмк геккель «онемела, Ферме«ми. ц Д. Варфоломее« ФКРМВНТАТЙВНЫХ РВАКЦИЙ КИНВТИКА« изучает закономерности протекания во времени ферментативных р-ций, а тжже их механизм; раздел хини«лихи химической. Катвлигич, цикл конверсии в-ва 3 (субстрата) в продукт Р под действием фермента В протекает с образованием промежуг. саед. Хр к 1„1 1, Я+В-и — оХ1 — о-Хз — о ...Х,— ' ...Մ— ' Е+Р, где К, — константы скорости отдельных элементарных стадий, Ку — константа равновесия образования фермент-субстратного компЛекса Х, (Е3, комплжс Миха»лиса).
При данной т-ре скорость р-ции зависит ат концентраций фермента, с)бстрата и состава среды. Различают стационарную, предстационарную и релжсационную кинетигу ферментативных р-ций. Стационарная кинетнка. В стационарном состоянии по ПрОМЕХСУГОЧНЫМ Сасд. (С(Х1/С(1«к О, 1= 1, ..., Л) И Прн ИэбЫтКЕ субстрата [3)е».[В)а где [3)о и [В)л — начютьные концентрации соотв. субстрата и фермента, кинетика процесса харжтеризуется поагоанным, неизменным во времени уровнем 153 б Хамло. аил., т.
5 ФЕРМЕНТАТИВНЫХ 81 концентраций промежуг. саед« а выражение длв скорости процесса ты нвз. начальной стационарной скоростью, имеет вид (ур-ние Михаэлиса — Ментен); Кк~(Е)л(3)л оо = (1) «и + 18)к ще значения вк и Км — ф-ции констант скорости элементарных стадий и заданы ур-пениями: н1 1 Ь =(У~— скз Км= — 5[(у~ 1) с»2 Величину л нвз. эффективной каталитич, константой скорости процесса, параметр Км — константой Михаэлиса.
Значение к,м определяется величинами Кс наиб, медленных стадий каталитич. р-ций и иногда наз. числом оборотов фермента (феРментной системы); кл хаРахтериз Уст число каталитич, циклов, совершаемых ферментнои сиатемой в единицу сцтемени. Наиб. Распространены ферменты, имеющие значение К для специфич. субстратов в диапазоне 102-102 с '. Типичные значения константы Михаэлиса люкат в интервале 10 2-10 ' М.
При Гюльших концентрациях субстрага, когда [3)лж'Км, 1 и к„м [В)е = о„„т. е, скоРосгь Р-ции не зависит от концентрации субстрата и достигает постоянной величины, нвз. мжс. скоростью. Графически ур-ние Миха»лиса — Ментен представляет собой гиперболу. Вго можно линеаризовать, используя метод двойных обратных величин (метод Лайнуивера — Берка), т.е. строи зависимость 1Ь от 1/[3)е, или др. методы. Линейная форма ур-ния (1) имеет вид: Км 1«е = е- (2) сн к [5)л 1'н Она позволвет определить графически значения Км и о„, (рис. 1).
-1/Ки Рве. 1. Графви лилсйаой траисформитж ур-иве Мила»лиса — Мевтеи в даойвмк обратима леюлввис (ио Лайвувверу - Берку). Величина Км численно равна концентрации субстрата, при К-Рай СКОРОСП Р-ЦИИ РаВНа Вз Р„о ПавтОМУ КМ Чаата СЛУжнт мерой сродства субстрата и фермента, однжо это справедливо лишь, если Км — Ку. Величины Км и р,„изменяются в зависимости от значений рН. Это свгзано со способностью участвующих в катализе трупп молекулы фермента изменять свое состояние иоиизации и, тем самым, свою каталитич. эффективность. В простейшем случае изменение РН приводит к протонированию или депротонированию, по крайней мере, двух ионизируюшихся групп фермента, участвующих в катализе. Если при этом только одна форма фермент-субстратного комплекаа (напр« ВЗН) из трех возможных (Е3, ВЗН и Е3Н2) способна 154 82 ФЕРМЕНТАТИВНЫХ превращаться в продукт р-пии, то зависимость скорости от рй описываетси ф-лой; (Р.„У')!Е!ЫЗ!о у= Км///' !3!о где / = 1 т (Н')/Ка+ Кь/(Н') и / ' = 1 ь (Н')/Ка+ Кь/(Н') т.
нвз. рН-ф-ции Михээлиса, а К, Кь и К,', Кь — константы ионизации групп а и Ь соотв, сноб. фермента и фермент-субстрагного комплекса. В координатах !К !с — рй эта зависимость представлена на рис. 2, причем тангенсы углов наклона касательных к восходящей, независимой от РН, и нисходишей ветвям кривой должны быль равны соответственно +1, 0 и -1. Из такого графика можно определить значения РК„ /рупп, участвуюших в катализе. Рве. 2. Зависимость катавитнт.
конвента от рн в логврнфмит. коордтмал Скорость ферментативной р-ции не всегда подчиняется ур-нию (1). Один из часто встречающихся случаев — участие в р-ции анлостерич. ферментов (см. Регуляторы ферментов), дяя к-рых зависимость степени насыщения фермента от (3)в имеет негиперболич. харжтер (рис. 3).
Это авление обусловлено кооперативностью связывания субстрата, т.е. когда связывание субстрата на одном из участков макромолекулы фермента увеличивает (положит. кооперативность) или уменьшает (отрицат. кооперативность) сродство х субсграту др. участка. !Ез! (Е!о !З!о Рис. 3: Зависимость стеиевн насмшенва фермента с)бстратом от коваетраини субстрата ирн п О) и отр виательноа (П) т оонератнен ости, атанио в ее отсутствии ПП). Предстациеиарная кинетика.
При быстром смещении р-ров фермента и субстрата в янтарные времен 10 о — !О ' с можно наблюдать переходные процессы, предшествующие образованию устойчивого стационарного состояния. В этом предстационарном режиме при использовании большого избьггка субстрата ((3)о» (Е)о) система лифференц, ур-ний, описываюшая кинетику процессов, линейна. Решение данного типа системы линейных дифференц. ур-ний дается суммой жспоненциальных членов. Твк, для кинетич.
схемы, представленной выше, кинетика нжопления продукта имеет вид: л/, ~„,ь (Р!(т)= ) а г (ет/ — !)+ /, 'Х, н„ где Ао Ь, а„— ф-ции элементарных констант скорости; ат— корни соответствующего харюсгеристич. ур-ния. 155 Величина, обратны )и, наз. харжтерисгич. временем процесса: т, = — !/к/ Ды р-иии, протекающей с участием н промежуг. соед., можно получить л харжтеристич. времен. Исследование кинетики ферментативной р-пии в предста- ционэрном режиме позволяет получить предстыление о де тальном механизме хатэлитич, цикла и определить константы скорости элементарных стадий процесса. Эхспериментаньно кинетику ферментативной р-ции в предстационаоном режиме исследуют с помощью метода осгановленнои игрун (см.
Струнные кинетические методы), позволяющего смешивать компоненты р-ции в течение 1 мс. Релакеациенная кинетики, При быстром возмущающем вощейсгвии на систему (изменение т-ры, давления, электрич. поля) время, к-рое необходимо системе для достижения новопз равновесия или стационарного состояния, зависит от скорости процессов, определяющих каталитич. ферментатив- ный цикл. Система ур-ний, описывающая кинетику процесса, линей- на, если смешение от положения равновесия невелико. Ре- шение системы приводит к зависимостям концентраций ком- понентов рвзл.
с/эдий процесса в виде суммы экспоненциаль- ных членов, показатели экспонент к-рых имеют харжтер времен релаксаций. Результатом исследования является спектр времен релжсации, соответствующий числу про- межуг, сосл., участвующих в процессе. Величины времен релжсаций зыиагг от констант скорости элементарных ста- дий процессов, Рллаксалионмме гесиоды кинетики позволяют определить константы скорости отдельных элементарных стадий транс- формации интермедиатов. Методы изучения релжсационной кинетики имеют Разя.
Раззпешаюпбзо способность: поглоще- ние ультразвука — 10 е — 10 в с, температурный скачок — 10 4— 10 е с, метод электрич. импульса — 10 4 — 10 о с, скачок давле- ния — 10 2 с. При исследовании кинетихи ферментативных р-ций наиб. применение нашел метод температурного скачка. Макрнкииетика ферментативных процессов. Развитйе методов получения гетерогенных хатализаторов путем иммо- билтгзации ферментов на разя. носителях (см. Нммобилизо- нпннме ферменты) обусловило необходимость анализа кипе тики процессов с учетом массопереноса субстрата. Теорети- чески и жспериментально исследованы закономерности кинетики р-ций с учетом эффектов диффузионного слоя и для систем с внугридиффузионными затруднениями при рас- пределении фермента внутри носителя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
