Механизм и стадии ферментативного катализа

Химическая реакция – это результат столкновения молекул, которые зависит от величины энергии молекул и от прочности той связи между атомами в молекуле, которая должна быть разорвана. Молекул с очень низкой и очень высокой энергией мало, большинство молекул обладает средним запасом энергии. Они и определяют скорость реакции.

Способы ускорения химических реакций:

1.увеличить среднюю энергию молекул;

2.снизить энергетический барьер реакции.

Энергетический барьер реакции – это значение энергии когда все молекулы взаимодействуют.

Энергия активации – количество энергии, необходимое для того, чтобы все молекулы смогли прозаимодействовать, т.е. преодолеть энергетический барьер.

В общем виде уравнение химической реакции в присутствии фермента можно записать

E + S↔ES↔EZ→EP→E+P,

где Е – фермент, S – субстрат, Р – продукт, Z – промежуточный комплекс.

Ферментативная реакция протекает в три стадии:

Ι стадия: Е + S↔ЕS – образование фермент - субстратного комплекса. Протекает очень быстро. Субстрат присоединяется к якорному участку активного центра.

В 1894 году Фишер предложил модель взаимодействия фермента с субстратом «Ключ – замок», т.е. субстрат подходит к ферменту как ключ к замку.

Согласно этой модели у фермента имеется окончательно сформированный активный центр. Ещё задолго до взаимодействия с субстратом. Эта модель объясняла абсолютную специфичность фермента и не могла объяснить относительной, поэтому Кошланд предложил модель «Индуцированного соответствия». Согласно этой модели, окончательное формирование активного центра ферментапроисходит в момент взаимодействия с субстратом т.е. при связывании субстрата с якорным участком активного центра происходит изменение конформации каталитического участка активного центра, обеспечивающее его комплементарность поверхности субстрата.

Причины ускорения реакции на первой стадии:

1. Происходит сближение и правильная ориентация молекул субстрата в области активного центра фермента.

2. Это приводит к увеличению эффективной концентрации молекул субстрата, т.е. тех молекул которые взаимодействуют, так как в растворе без фермента их столкновения были случайными.

ΙΙ стадия: на стадии фермент - субстратного комплекса происходит химическая реакция через переходное состояние ES↔EZ, где Z – это уже не субстрат но ещё и не продукт. Именно эта стадии лежит в основе субстратной специфичности фермента. Неспецифические взаимодействия субстрата с ферментом нарушаются при образовании переходного состояния, при специфическом взаимодействии на стадии переходного состояния происходит резкое увеличение скорости реакции. На этой стадии происходит ускорение реакции вследствие уменьшения энергии активации.

Причины снижения энергии активации:

1. Фермент передает часть своей энергии субстрату в ходе взаимной подгонки конформации субстрата и фермента. Субстрат в ходе взаимодействия с активным центром фермента деформируется, что облегчает разрыв его связей.

2. Уменьшается энергетический барьер реакции путем разбивки её на ряд промежуточных стадий, каждая из которых имеет низкий энергетический барьер.

ΙΙΙ стадия: EP → E + P реакция происходит быстро, выделяется продукт реакции, а фермент выделяется в неизменном количестве и качестве.

Факторы влияющие на скорость ферментативных реакций:

Концентрация субстрата

В 1913 году Михаэлис и Ментен показали, что скорость ферментативной реакции изменяется не пропорционально концентрации субстрата. При увеличении концентрации субстрата и постоянной концентрации фермента скорость в начале увеличивается линейно (а – реакция первого порядка), затем переходит в реакцию смешенного порядка (b) затем стремиться к максимальной скорости (с – реакция нулевого порядка)

V   c V max   b     V max/2 а   Km [s]   .

Кm- численно равна концентрации субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной величины Кm = ½ V max.

Кm – это мера сродства данного субстрата к ферменту: если Кm велика реакция идет медленно и сродство субстрата к ферменту низкое, если Кm малая величина, то для насыщения фермента требуется небольшое количество субстрата и сродство субстрата к ферменту высокое.

Уравнение Михаэлиса-Ментена описывает реакцию Ι пор. Например, если Кm велика, то для достижения ½ Vmax потребуется много субстрата