Том 1 (1128365), страница 21
Текст из файла (страница 21)
3-20). Любая ферментативная реакцияхарактеризуется своим значением Vmax. Эффект насыщения имеет место у всехферментов, однако среди фермент-субстратных пар наблюдается большойразброс концентраций субстрата, при которых происходит насыщение. Этообусловлено различиями в сродстве между ферментом и субстратом. Чемсильнее тенденция к образованию фермент-субстратного комплекса ES, тембольшая доля от полного количества Е полн фермента будет находиться в составекомплекса ES при любой фиксированной концентрации субстрата. Или, что тоже самое, чем больше сродство, тем меньшая концентрация субстрата требуетсядля насыщения фермента.
Между кинетикой реакциии сродством S к Е существует тесная связь. Общая теория механизма и кинетикиферментативных реакций была предложена Леонором Михаэлисом и Мод Л.Ментен в 1913 г. и позднее уточнена Джорджем Э. Бриггсом и Джоном Б. С.Холдей-ном. Их выход уравнения, где фигурирует константа Км, можно найтипрактически в любом учебнике по биохимии. Уравнение Михаэлиса-Ментендает выражение для начальной скорости v0 односубстрат ной реакции:где [S]-концентрация субстрата, Vmax-скорость реакции при избытке субстрата,1Км-константа Михаэлиса . Рассмотрим частный случай, когда v0 =Vmax.2Подставив его выражение в (3-7), имеемПоделив обе части равенства на Vmax, получимПосле некоторых преобразований получаемилиТаким образом, Км численно равна концентрации субстрата, при которойначальная скорость реакции составляет половину скорости, достигаемой принасыщении фермента субстратом.Это означает, что константа Михаэлиса Км (измеряемая в молях на литр)зависит от сродства между ферментом и субстратом.
Для любой пары ферментсубстрат она численно равна концентрации субстрата, при которой начальная1скорость реакции составляетVmax. Отсюда следует, что при концентрации2субстрата, равной Км, половина всего наличного фермента связывается ссубстратом, т. е. при данной концентрации [Е полн.]/[ЕS] = 2. Чем большесродство между ферментом и субстратом, тем меньше Км этого ферментсубстратного взаимодействия. Иначе говоря, величина 1/ Км служит меройсродства между ферментом и его субстратом.
Как показано на рис. 3-21, гдеизображены графики зависимости v0 от [S] для двух концентраций фермента, Кмне зависит от концентрации фермента.Приведенные на рис. 3-21 кривые, согласно уравнению (3-7), являютсяграфиками гиперболических функций, которые в данной системе координатневозможно построить иначе, как на основе большого числа экспериментальныхточек.
Это64Рис. 3.21.Константа Михаэлиса К м численно равна концентрации субстрата, при которойначальная скорость реакции составляет половину максимальной. Черная и цветнаякривые отвечают различным концентрациям фермента. Обратите внимание, что К мне зависит от [E].уравнение, однако, легко преобразовать к зависимости Лайнуивера-Бэрка, итогда соответствующий график можно без труда построить всего лишь понескольким экспериментальным точкам:В координатах (1/ v0; 1/[S]) график этой зависимости является прямой снаклоном Kм/Vmax, которая пересекает оси 1/v0 и 1/[S] в точках 1/Vmax и - 1/Км(рис. 3-22). Таким образом, для построения графика достаточно знать лишь Vmaxи определить v0 для какого-либо значения [S]. Найдя точку пересечения прямойс осью абсцисс, получим Км.Рис. 3.22.График Лайнуивера-Бэрка, представляющий зависимость обратной скоростиреакции 1/v 0 от обратной концентрации субстрата 1/[S].
Прямая пересекает осьабсцисс в точке -1/[S] = - 1/Км, а ось ординат - в точке 1/v 0 = 1/Vmax (Рапоп. 1965.)Следует отметить, что модель Михаэлиса - Мен-тен не ограничиваетсяслучаем фермент-субстратных взаимодействий, но может применяться (а частои применяется) к любой системе, для которой характерна гиперболическаязависимость скорости реакции при стремлении к насыщению, подобная той, чтоизображена на рис. 3-20. Пример такого рода приведен на рис. 4-27.6564 :: 65 :: Содержание65 :: 66 :: 67 :: Содержание3.5.9. Подавление активности ферментовНекоторые молекулы способны подавлять (ингибировать) активностьферментов. Ингибирование ферментов в живой клетке служит одним из средстврегуляции ферментативных реакции.
Благодаря исследованиям молекулярныхмеханизмов ингибиро-вания энзимологам удалось установить ряд важныхособенностей, касающихся активного центра фермента и механизма действияферментов.Ферменты могут быть выведены из строя веществами, которые образуюточень прочные ковалентные связи с группами, расположенными внутриактивного центра, и которые препятствуют тем самым образованию комплексаES. Взаимодействия такого рода могут привести к необратимомуингибированию. Для внутриклеточных процессов в норме, однако, болеехарактерно обратимое ингибирование двух типов. Первый - конкурентноеингибирование -становится все более эффективным при увеличенииконцентрации субстрата, тогда как второй - неконкурентное ингибирование - отконцентрации субстрата не зависит.
Установлено, что конкурентныеингибиторы реагируют непосредственно с активным центром фермента, тогдакак неконкурентные - с участком фермента вне активного центра.Конкурентные ингибиторы (рис. 3-23) представляют собой обычно структурныеаналоги субстрата, неконкурентные же ингибиторы, напротив, могутсовершенно не походить по химической структуре и составу на субстрат.Конкурентный ингибитор конкурирует с молекулами субстрата за активныйцентр. Поэтому при увеличении концентрации одного из этих компонентовуменьшается вероятность связывания другого. Поскольку неконкурентныйингибитор связывается с участком фермента вне активного центра, молекулысубстрата не могут конкурировать с ним за его место связывания, поскольку необладают сродством к аллостерическому центру.Конкурентное и неконкурентное ингибирование легко различить спомощью графиков Лайнуивера -Бэрка.
В присутствии конкурентногоингибитора наклон прямой увеличивается, что соответствует уменьшениюскорости реакции (рис. 3-24, A). Однако, несмотря на увеличение наклона,величина отрезка, отсекаемого этой прямой от оси 1/v0, остается прежней;другими словами, если провести65Рис. 3.23. Конкурентный ингибитор связывается с активнымцентром фермента, препятствуя тем самым связыванию субстрата. Он может вытесняться молекулойсубстрата.экстраполяцию к бесконечной концентрации субстрата (т.е.
к точке 1/[S] = 0),то окажется, что скорость реакции не зависит от присутствия конкурентногоингибитора. Это объясняется тем, что по мере увеличения концентрациисубстрата последний все более успешно конкурирует с ингибитором заактивный центр и в конце концов полностью вытесняет ингибитор вгипотетической ситуации при бесконечной концентрации субстрата. Зная длинуотрезка, отсекаемого прямой от оси 1/[S], мы можем найти константу Км. Изрисунка видно, что последняя растет по мере увеличения концентрации [I]конкурентного ингибитора. Это просто означает, что в присутствииконкурентного ингибитора требуется большая концентрация субстрата для того,чтобы в начальном периоде реакции половина всех молекул ферментанаходилась в комплексе с субстратом.
Этот эффект выражен тем сильнее, чембольше [I]. Чем прочнее ингибитор связывается с ферментом (т. е. чем меньшеконстанта диссоциации KI комплекса фермент-ингибитор), тем большаяконцентрация субстрата требуется для того, чтобы вытеснить соответствующуюдолю ингибитора из комплекса с ферментом.В присутствии неконкурентных ингибиторов также наблюдаетсяувеличение наклона прямой на графике Лайнуивера-Бэрка (рис. 3-24, Б), однакоэтот эффект сопровождается уменьшением скорости реакции при бесконечнойконцентрации субстрата. На графике это уменьшение выражается в увеличенииординаты точки пересечения прямой с осью l/ v0. Эти кинетические эффектыобъясняются тем,Рис. 3.24.Графики Лайнуивера-Бэрка для случая конкурентного (А) и неконкурентного (Б)ингибирования.
Видно, что Км завиаип от концентрации конкурентного ингибитора.Кинетический эффект от присутствия неконкурентного ингибитора эквивалентенуменьшению концентрации фермента, что никак не сказывается на величине К м.Здесь I-ингибитор, S-субстрат, KI-константа диссоциации комплекса ферментингибитор.
(Lehninger, 1975.)что повышение концентрации субстрата не приводит к уменьшениюконцентрации неконкурентного ингибитора на аллостерических центрахфермента. Данная ситуация эквивалентна полному выведению из оборота техмолекул фермента, которые ассоциированы с ингибитором. При этом прямыепересекают ось 1/[S] в одной и той же точке независимо66от того, есть или нет в системе неконкурентный ингибитор, т.е. присутствиепоследнего никак не сказывается на величине Км фермент-субстратногокомплекса.
Как мы только что отмечали, эффект, вызванный присутствиемнеконкурентного ингибитора, эквивалентен уменьшению концентрациифермента. Поэтому неудивительно, что К м фермент-субстратного комплексаостается неизменным при добавлении неконкурентного ингибитора, потому чтоКм не зависит от [Е].6765 :: 66 :: 67 :: Содержание67 :: 68 :: Содержание3.6. Механизмы регуляцииметаболизмаЕсли бы отсутствовала регуляция скоростей реакций, метаболизм в клеткеосуществлялся бы внутренне несогласованно и был неуправляем.
Рост,дифференцировка и функционирование организма были бы невозможны, неговоря уже о компенсаторной реакции биологических систем в ответ навнешние раздражители. Регуляция осуществляется в основном путем измененияконцентрации и активности различных ферментов, которые катализируютпрактически все биохимические реакции. Ниже мы рассмотрим три основныхтипа регуляции метаболизма.3.6.1. Генетическая регуляциясинтеза ферментовКонцентрация фермента в клетке определяется соотношением скоростей егосинтеза и разрушения. Молекулы фермента денатурируют при повышениитемпературы и расщепляются под воздействием протеолитических ферментов.Скорость синтеза может снижаться при определенных обстоятельствах,например при недостаточном питании или при нехватке предшественниковаминокислот, но в нормальных условиях скорость синтеза любого ферментарегулируется посредством генетических механизмов регуляции.
Структурныегены (т.е. сегменты молекулы ДНК, кодирующие аминокислотныепоследовательности одной или нескольких полипептидных цепей, из которыхсостоит молекула фермента) могут "выключаться" при помощи белковрепрессоров, которые кодируются генами-регуляторами. Молекула репрессорапрепятствует транскрипции структурного гена с ДНК в РНК, связываясь с геномеще одного типа, так называемым оператором. Последний контролируеттранскрипцию с образованием матричной (информационной) РНК одного илинескольких структурных генов, которые входят в состав оперона,"обслуживаемого" данным оператором.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
