Понятие об энергии активации и энергетическом барьере
С точки зрения термодинамики ферменты ускоряют ход химической реакции за счет снижения энергии активации. Энергия активации – это количество энергии, которое необходимо для перевода всех молекул 1 моля вещества (субстрата) в активное состояние. Энергетический барьер – это такое количество энергии, которое необходимо преодолеть молекулам, чтобы вступить в химическое взаимодействие. Молекулы в субстрате имеют различные энергии и только немногие способны преодолеть энергетический барьер. В этих условиях реакция может не пройти или пройти очень медленно. В состоянии газов или растворов энергия молекул может быть повышена за счет энергии в виде тепла; больше молекул будут преодолевать энергетический барьер и реакция ускорится. В теле этого не может быть, учитывая строгий контроль постоянства температуры. В такой ситуации то же самое может быть достигнуто путем снижения энергетического барьера, вместо повышения энергии молекул. Это является функцией ферментативного катализа. На рисунке 9.4. верхняя линия показывает действие на скорость некатализированной реакции за счет повышения внешней энергии.
Пик кривой представляет состояние перехода и энергию, которая необходима молекуле, чтобы такая реакция произошла. Свободная энергия, которая должна быть обеспечена, чтобы достичь этого, является энергией активации. Нижняя линия показывает подобный участок для каталитической реакции фермент – субстрат. В этом случае энергия протекания реакций ниже, больше молекул способны достичь ее и скорость реакции повышается. Важно подчеркнуть, что катализатор не изменяет равновесия, но снижает энергетический барьер катализируемой реакции и изменяет скорость, с которой она достигается.
Кинетика ферментативных реакций. Этот раздел энзимологии изучает влияние химических и физических факторов на скорость ферментативной реакции. В 1913 г. Михаэлис и Ментен создали теорию ферментативной кинетики, исходя из того, что фермент (Ф) вступает во взаимодействие с субстратом (С) с образованием промежуточного ферментсубстратного комплекса (ФС), который далее распадается на фермент и продукт (П) реакции по уравнению:
где, К1 – константа скорости образования фермент-субстратного комплекса- ФС ; К2 – константа скорости расхода фермент-субстратного комплекса из исходного вещества; К3 – константа скорости распада фермент-субстратного комплекса на продукт и фермент (Ф+П).
Каждый этап взаимодействия субстрата с ферментом характеризуется своими константами скорости. Отношение суммы констант скорости распада фермент-субстратного комплекса к константе скорости образования фермeнт-cyбcтpaтнoгo комплекса называется константой Михаэлиса ( Km ). По величине Km каталитические реакции можно поделить на быстрые ( Km 10-6 моль/л и меньше) и медленные ( Km 10-2 – до 10-6 ).
Зависимость активности фермента от количества субстрата
Слишком низкая концентрация субстрата приводит к низкой скорсти реакции фермент-субстрат. Это происходит из-за того, что все каталитические участки на ферменте в любой данный момент времени оказывается незанятыми субстратом. Очевидно, что в этих условиях каталитический потенциал системы не может полностью реализоваться. По мере увеличения концентрации субстрата скорость реакции фермент – субстрат увеличивается до максимальной Vmax (рис. 9.5).
Начиная с этой точки, концентрация субстрата становится слишком высокой, чтобы все каталитические участки фермента были задействованы. При высоких концентрациях субстрата наступает насыщение фермента субстратом, то есть наступает такой момент, когда уже все молекулы фермента задействованы в каталитическом процессе и прироста скорости реакции не будет.
9.4. Кофакторы ферментов
Активность ряда ферментов зависит только от структуры его белковой молекулы, тогда как для других требуется, кроме того, присутствие определенных групп небелковой природы, так называемых, кофакторов . В роли кофакторов могут выступать или ионы металлов, или
