Основы кинетики биохимических реакций и химического равновесия

Специфические свойства ферментовРазмеры ферментов колеблются от 105 до 107 относительной молекулярной массы.Высокая каталитическая активность заключается в снижении времени полупревращения для реакции в присутствии фермента.Высокая специфичность, т.е. каждый фермент катализирует только оптределенный тип химических реакций.В зависимости от механизма действия различают ферменты с относительной (или групповой) и абсолютной специфичностью. Так, для действия некоторых гидролитических ферментов наибольшее значение имеет тип химической связи в молекуле субстрата. Например, пепсин в одинаковой степени расщепляет белки животного и растительного происхождения, несмотря на то что эти белки существенно отличаются друг от друга как по химическому строению и аминокислотному составу, так и по физико-химическим свойствам. Однако пепсин не расщепляет ни углеводы, ни жиры. Объясняется это тем, что точкой приложения, местом действия пепсина является пептидная —СО—NH-связь. Для действия липазы, катализирующей гидролиз жиров на глицерин и жирные кислоты, подобным местом является сложноэфирная связь.Абсолютной специфичностью действия называют способность фермента катализировать превращение только единственного субстрата. Любые изменения (модификации) в структуре субстрата делают его недоступным для действия фермента. Примерами таких ферментов могут служить аргиназа, расщепляющая в естественных условиях (в организме) аргинин, уреаза, катализирующая распад мочевины, и др.Необходимость строго определенных условий – означает, что ферменты работают только в определенных диапазонах рН, температуры и т.д.Ферменты обычно наиболее активны в пределах узкой зоны концентрации водородных ионов, соответствующей для животных тканей в основном выработанным в процессе эволюции физиологическим значениям рН среды 6,0–8,0. При графическом изображении на кривой колоколообразной формы имеется определенная точка, в которой фермент проявляет максимальную активность; эту точку называют оптимумом рН среды для действия данного фермента.Термолабильность, или чувствительность к повышению температуры, является одним из характерных свойств ферментов, резко отличающих их от неорганических катализаторов. В присутствии последних скорость реакции возрастает экспоненциально при повышении температуры При температуре 100°С почти все ферменты утрачивают свою активность (исключение составляет, очевидно, только один фермент мышечной ткани – миокиназа, которая выдерживает нагревание до 100°С). В настоящее время для пепсина, трипсина и ряда других ферментов доказано существование прямой зависимости между скоростью инактивации фермента и степенью денатурации белка.Влияние активаторов и ингибиторовАктиватор, взаимодействуя с активным центром фермента, упрощают образование фермент-субстратного комплекса, тем самым облегчая работу фермента. Ингибиторы же тормозят действие ферментов.Различают три типа обратимого ингибирования ферментов: конкурентное, неконкурентное и бесконкурентное.Конкурентным называют ингибитор, обратимо взаимодействующий с активным центром фермента. Как правило, конкурентные ингибиторы по структуре похожи на субстрат и могут вытесняться из фермент-ингибиторного комплекса избытком субстрата. Взаимодействие с конкурентным ингибитором не приводит к денатурации или инактивации фермента, поэтому при замене ингибитора на субстрат скорость ферментативной реакции не снижается.При взаимодействии фермента с конкурентным ингибитором изменяется значение константу Михаэлиса, соответствующей ферментативной реакции.Сходство субстрата и конкурентного ингибитора достаточно для взаимодействия и образования фермент-ингибиторного комплекса, однако этого недостаточно для ферментативной реакции.В данном случае сульфаниламид является конкурентным ингибитором фермента синтеза фолиевой кислоты.Неконкурентные ингибиторы взаимодействуют с ферментами не в области активного центра, а на каком-то другом участке, причем избытком субстрата из комплекса не удаляются. При взаимодействии ингибитора с ферментом происходит изменение его конформации с последующей частичной дезинтеграцией активного центра. При взаимодействии фермента с неконкурентным ингибитором изменяется механизм ферментативной реакции.Бесконкурентное ингибирование имеет место, когда ингибитор взаимодействует с ферментом только в составе фермент-субстратного комплекса, таким образом, тормозя его распад. Это были виды обратимого ингибирования. При необратимом же ингибировании ингибитор блокирует его активный центр, и фермент не может продолжать свою работу. Причем ингибитор структурно схож с субстратом.Особенности кинетики ферментативных реакцийСхему превращений при ферментативном катализе можно представить в виде:Тогда видно, что скорость ферментативной реакции будет определяться лимитирующей стадией. Обычно это процесс распада фермент-субстратного комплекса на продукты реакции и свободный фермент.Скорость такой реакции будет зависеть от концентрации субстрата:Скорость ферментативной реакции выражается как:Данное выражение называется уравнением Михаэлиса-Ментен, а Км – константой михаэлиса. Константа Михаэлиса является очень важным параметром ферментативной реакции, она позволяет судить о сродстве субстрата к ферменту. Из графика видно, что константа МИхаэлиса соответствует такой концентрации субстрата, при которой скорость реакции равна половине от максимальной.В биохимических системах обычно протекают сопряженные реакции – реакции, каждая из которых происходит только при условии протекания другой реакции, причем обе реакции должны иметь общий промежуточный продукт. Тогда продукт реакции может выполнять роль ингибитора. Такое явление называется автокатализом, или автоингибированием.Автокатализ – этосамоускорение реакции, обусловленное накоплением конечного или промежуточного продукта, обладающего каталитическим действием на данную реакцию.При наличии таких реакций в системе может наблюдаться автоколебательный режим. Данный режим хорошо изучен на модели гликолиза.Таким образом, изучение кинетики и термодинамики процессов приводит позволяет более подробно понять и изучить важнейшие реакции, проходящие как во внешней среде, так и в организме. Химическая кинетика дает возможность моделирования важнейших биохимических реакций, проходящих в организме, на основе которых могут быть изучены, например, возможности применения тех или иных лекарств.