Свойства ферментов, О.А. Тимин - MedFsh.ru
ОМТ, Биохимия, Тимин, Свойства ферментов
Общая медицинская теория
ОМТ

Свойства ферментов

1. Зависимость активности фермента от температуры – описывается колоколообразной кривой с максимумом скорости при значениях оптимальной температуры для данного фермента.

Закон о повышении скорости реакции в 2-4 раза при повышении температуры на 10°С справедлив и для ферментативных реакций, но только в пределах до 55-60°С, т.е. в значениях до денатурации белков. Наряду с этим, как исключение, имеются ферменты некоторых микроорганизмов, существующих в воде горячих источников и гейзеров.

Зависимость скорости реакции от температуры

При понижении температуры активность ферментов понижается, но не исчезает совсем. Иллюстрацией может служить зимняя спячка некоторых животных (суслики, ежи), температура тела которых понижается до 3-5°С. Это свойство ферментов также используется в хирургической практике при проведении операций на грудной полости, когда больного подвергают охлаждению до 22°С.

2. Зависимость активности фермента от рН – описывается колоколообразной кривой с максимумом скорости при оптимальном для данного фермента значения рН.

Для каждого фермента существует определенный узкий интервал рН среды, который является оптимальным для проявления его высшей активности. Например, оптимальные значения рН для пепсина 1,5-2,5, трипсина 8,0-8,5, амилазы слюны 7,2, аргиназы 9,7, кислой фосфатазы 4,5-5,0, сукцинатдегидрогеназы 9,0.

Зависимость скорости реакции от величины pH

Объясняется это наличием таких аминокислот в структуре фермента, заряд которых изменяется при изменении рН (лизин, аргинин, глутамат, аспартат). Изменение ионизации аминокислот приводит к изменению конформации молекулы и, следовательно, субстрат связывается или не связывается с активным центром.

3. Зависимость от количества фермента

При увеличении количества молекул фермента скорость реакции возрастает непрерывно и прямо пропорционально количеству фермента, т.к. большее количество молекул фермента производит большее число молекул продукта Зависимость активности фермента от субстрата описывает ферментативная кинетика, ее центральным понятием является константа Михаэлиса (Km) (см. ниже).

4. Зависимость активности фермента от концентрации субстрата

При увеличении концентрации субстрата скорость реакции сначала возрастает, т.к. к катализу добавляемых молекул субстрата подключаются новые и новые молекулы фермента. Т.е. скорость накопления продукта возрастает, и это означает увеличение активности фермента. Затем наблюдается эффект насыщения (плато на кривой), когда все молекулы фермента заняты молекулами субстрата и непрерывно ведут катализ. Здесь скорость реакции максимальна. В некоторых случаях, при дальнейшем увеличении концентрации субстрата между его молекулами возникает конкуренция за активный центр фермента и активность фермента (скорость реакции) снижается.

Графическая иллюстрация уравнения Михаэлиса-Ментен

Уравнение Михаэлиса-Ментен

Зависимость активности фермента от субстрата описывает уравнение Михаэлиса-Ментен, использующее константу Михаэлиса (Km), биологический смысл которой заключается в характеристике сродства фермента к субстрату, а именно: увеличение величины Кm означает снижение сродства фермента к субстрату.

Уравнение Михаэлиса-Ментен показывает взаимосвязь максимальной и реальной скоростей реакции, константы Михаэлиса и концентрации субстрата.

Уравнение Михаэлиса-Ментен

Выделяют три решения уравнения:

  1. Концентрация субстрата равна величине константы Михаэлиса ([S] = Km). В этом случае, решая уравнение Михаэлиса-Ментен, получаем, что скорость реакции V будет равна половине максимальной Vmax.(V = ½ Vmax). В математическом смысле Km соответствует концентрации субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной.
  2. Концентрация субстрата [S] значительно больше Km ([S] >> Km). В этом случае, величиной Km можно пренебречь и при решении получаем, что скорость реакции максимальна (плато на графике).
  3. Концентрация субстрата значительно меньше Km ([S] << Km). В этом случае, знаменатель уравнения мало изменяется при изменении [S], а величина скорости реакции V прямо пропорциональна [S] (график линеен).

Специфичность ферментов

Специфичность основана на комплементарности структуры субстрата и активного центра фермента.

  1. Стереоспецифичность – катализ только одного из стереоизомеров, например:
    • специфичность к L- или D-аминокислотам – например, почти все ферменты человека взаимодействуют с L-аминокислотами,
    • специфичность к цис— и трансизомерам. Например, аспартаза реагирует только с трансизомером – фумаровой кислотой, но не с малеатом (цис-изомер),
  2. Абсолютная специфичность – фермент производит катализ только одного вещества. Например, уреаза расщепляет только мочевину, глюкокиназа фосфорилирует только D- глюкозу.
  3. Групповая специфичность – катализ субстратов с общими структурными особенностями, т.е. при наличии определенной связи или химической группы:
    • наличие пептидной связи, например, 1) бактериальный фермент субтилизин специфичен к пептидной связи независимо от строения образующих ее аминокислот, 2) пепсин катализирует разрыв пептидной связи, образованной аминогруппами ароматических аминокислот (см «Внешний обмен белков»), 3) тромбин в своих субстратах расщепляет пептидную связь только между аргинином и глицином.
    • наличие ОН-группы, например, алкогольдегидрогеназа окисляет до альдегидов одноатомные спирты (этанол, метанол, пропанол).
  4. Относительная групповая специфичность – превращение субстратов с некоторыми общими признаками. Например, цитохром Р450 окисляет только гидрофобные вещества, которых насчитывается около 7000.

Механизмы специфичности

В общем виде все сводится к комплементарному взаимодействию фермента и субстрата. При этом функциональные группы субстрата взаимодействуют с соответствующими им функциональными группами фермента. Наличие субстратной специфичности объясняют две гипотезы:

  1. Гипотеза Фишера (модель «жесткой матрицы», «ключ-замок») – активный центр фермента строго соответствует конфигурации субстрата и не изменяется при его присоединении. Эта модель хорошо объясняет абсолютную специфичность, но не групповую.
Теория Фишера - модель специфичности ключ-замок
  1. Гипотеза Кошланда (модель «индуцированного соответствия», «рука-перчатка») – подразумевает гибкость активного центра. Присоединение субстрата к якорному участку фермента вызывает изменение конфигурации каталитического центра таким образом, чтобы его форма соответствовала форме субстрата.
Теория Кошланда - модель специфичности рука-перчатка