Кінетика ферментативних реакцій

Вивчаючи кінетику ферментативних реакцій, дослідники відзначили їх відмінність від звичайних хімічних реакцій. За малих концентрацій речовин, що вступають в реакцію, тобто субстрату, спостерігається закономірність, яка є характерною для звичайних хімічних реакцій: швидкість реакції пропорційна концентрації субстрату. При збільшенні концентрації субстрату швидкість реакції, як і в хімічних процесах, знаходиться в складній залежності від ряду причин. Однак при подальшому збільшенні концентрації субстрату швидкість ферментативної реакції стабілізується та припиняє залежати від концентрації субстрату. Це значить, що в процесі ферментативної реакції відбувається насичення ферменту субстратом.

Ферментативну реакцію можна зобразити в вигляді рівняння:

,

де Е – фермент; S – субстрат; ES – фермент-субстратний комплекс; Р – продукт реакції.

Співвідношення К₂/К₁=К_S має назву константи дисоціації.

Рівняння Міхаеліса-Ментена для визначення швидкості ферментативної реакції має вигляд:

.

В подальшому Дж. Б. Холдейн та Д. Бріггс удосконалили залежність Міхаеліса-Ментена:

.

Це рівняння відрізняється від попереднього тільки константою K_m, яка має більше значення, ніж константа K_S, оскільки вона дозволяє певною мірою враховувати вплив кінцевого продукту реакції.

Співвідношення називається константою Міхаеліса.

Константа Міхаеліса відповідає концентрації субстрату, при якій швидкість ферментативної реакції дорівнює половині її максимальної швидкості.

Рис.1. Залежність швидкості реакції від концентрації субстрату

Оброблюючи рівняння Міхаеліса-Ментена методом подвійних зворотних величин можна отримати рівняння прямої лінії типу у=ах+b, а саме:

.

Це рівняння є лінеаризацією залежності Міхаеліса-Ментена та називається рівнянням Лайнуівера-Берка.

Номенклатура і класифікація ферментів

За новою систематичною номенклатурою назви ферментів складаються з двох частин. Перша частина вказує на назву субстрату, на який діє фермент, а друга – на природу хімічної реакції, яку він каталізує, з додаванням суфікса -аза.

В основу класифікації ферментів покладено принцип розподілу їх за типами хімічних реакцій, які вони каталізують. На цій основі усі ферменти поділяють на шість класів.

1. Оксидоредуктази – каталізують окислювально-відновні процеси.

2. Трансферази – прискорюють реакції перенесення окремих атомів і груп атомів від одних субстратів до інших.

3. Гідролази – каталізують гідролітичні реакції.

4. Ліази – каталізують процеси відщеплення яких-небудь груп не гідролітичним шляхом з утворенням подвійного зв’язку або, навпаки, приєднання відповідних груп атомів по місцю подвійного зв’язку.

5. Ізомерази – прискорюють процеси ізомеризації органічних сполук.

6. Лігази (синтетази) – каталізують реакції синтезу, які пов’язані з використанням енергії АТФ та деяких інших трифосфатів.

Класи ферментів поділено на підкласи, а останні – на підпідкласи. До підпідкласу входять уже окремі представники ферментів.

Характеристика окремих класів ферментів

1. Окисдоредуктази

Схематично дію ферментів цього класу можна показати так:

Окисленням називають процес відщеплення атомів водню (електронів і протонів) субстратом, а відновленням – процес приєднання їх до акцептора.

Клас оксидоредуктаз поділяється на 19 підкласів залежно від того, на які субстрати вони діють.

1.1. Окисдоредуктази, які діють на СН–ОН–групу донорів. У даний підклас входять ферменти, які каталізують перетворення СН–ОН-групи у спиртах, цурках, оксикислотах, оксистероїдах на С=О-групу. При окисленні первинних спиртів утворюються альдегіди, а при окисленні вторинних груп спиртів – кетони. Ці ферменти називаються піридиновими (анаеробними) дегідрогеназами.

Акцепторами водню (електронів і протонів) можуть бути НАД⁺ або НАДФ⁺ (алкогольдегідрогеназа, або алкоголь: НАД оксидоредуктаза)

1.2. Оксидоредуктази, які діють на альдегідну або кетонну групу донорів. Ці оксидоредуктази окислюють альдегіди і кетони до кислот.

1.3. Оксидоредуктази, які діють на СН₂–СН₂-групу донорів. Дані ферменти переносять атоми водню від СН₂–СН₂-груп з утворенням С=С-груп, тобто відбувається дегідрування вуглецевих ланцюгів і перетворення насичених сполук на ненасичені.

1.4. Оксидоредуктази, які діють на СН–NН₂-групи донорів. Переважна більшість цих ферментів каталізує процеси дезамінування амінокислот і амінів.

1.5. Оксидоредуктази, які діють на С–NН-групу донорів, каталізують окислення заміщених амінів без виділення аміаку.

1.6. Оксидоредуктази, які діють на відновлені НАД або НАДФ. Для цих ферментів донором водню є відновлені форми коферментів. До цього підкласу відносяться флавінові (аеробні) дегідрогенази, їх активні групи ФМН та ФАД. Вони можуть передавати водень безпосередньо до кисню.

1.7. Оксидоредуктази, які діють на інші азотисті сполуки донорів. До цього класу відносяться ферменти, які каталізують окислення азоту, аміаку та деяких органічних нітросполук.

1.8. Оксидоредуктази, які діють на деякі сірковмісні групи донорів. Ферменти цього підкласу окислюють сульфгідрильні групи до дисульфідних.

1.9. Оксидоредуктази, які діють на групи гем донорів. До цього підкласу належить такий важливий фермент, як цитохром с – оксидаза, який відіграє важливу роль в процесах дихання організмів. За його участі відбувається перенесення електронів в цитохромній системі від цитохрому а на кисень.

1.10. Оксидоредуктази, які діють на дифеноли і близькі до них сполуки у вигляді донорів. Ферменти цього підкласу каталізують окислення о- і n-фенолів до відповідних о- і n-хінонів.

1.11. Оксидоредуктази, які діють на пероксид водню у вигляді акцептора. Сюди належать ферменти, в яких окислювачем є пероксид водню. Основними представниками цього підкласу ферментів є каталаза і пероксидаза.

1.12. Оксидоредуктази, які діють на окремі донори з включенням у них молекулярного кисню (оксигенази). Ферменти цього підкласу каталізують включення в свої субстрати одного або двох атомів кисню із О₂.