Principiile generale ale cineticii reacțiilor chimice se aplică și reacțiilor enzimatice. Pe baza unui număr mare de studii experimentale, s-a constatat că dependența vitezei procesului enzimatic de concentrația substratului în general poate fi reprezentată de curba prezentată în Fig. 5.5.
Orez. 5.5. Vedere generală a dependenței vitezei la starea de echilibru a unei reacții enzimatice (v CT) de concentrația substratului ([S]) la o concentrație constantă a enzimei:
O- reacție de ordinul întâi (la [S] Km viteza de reacție este proporțională cu concentrația substratului); b- reacție de ordin mixt; V - reacție de ordin zero, când v ct ~ v max și viteza de reacție nu depinde de concentrația substratului
La concentrații scăzute de substrat, dependența vitezei de reacție la starea de echilibru de concentrația de substrat (vezi Fig. 5.5, secțiunea O) este aproape de liniar și se supune cineticii reacțiilor de ordinul întâi, adică viteza de reacție S -* P este direct proporțională cu concentrația substratului S și în orice moment t este determinată de următoarea ecuație cinetică: unde [S] este concentrația molară a substratului S; - d[S]/d/ - rata de pierdere a substratului; La constanta vitezei de reacție, care în acest caz are o dimensiune inversă unității de timp. La concentrații mari de substrat (secțiunea V) viteza de reacție este maximă, constantă și independentă de concentrația substratului [S]. În aceste condiții, reacția se supune cineticii reacției de ordinul zero v = k"și este în întregime determinată de concentrația enzimei.
În acest caz, se manifestă o caracteristică importantă a reacțiilor enzimatice - fenomenul de saturație a enzimei cu substratul. Pe site b viteza de reacție este proporțională cu produsul concentrațiilor a două substanțe care reacţionează (substrat și enzimă), adică reacția se desfășoară conform legilor reacțiilor de ordinul doi. Din cea prezentată în fig. Figura 5.5 arată că o modificare a concentrației substratului în regiunea valorilor scăzute afectează în mod semnificativ viteza procesului, iar la concentrații mari de substrat acest efect este foarte mic sau practic absent. La concentrații scăzute de substrat, viteza de reacție este controlată de doi factori: viteza reală a reacției catalizate de enzime și frecvența coliziunilor dintre enzimă și substrat. Pe măsură ce concentrația de substrat crește, frecvența de coliziune încetează să fie un factor în determinarea vitezei de reacție.
Ecuațiile de cinetică pentru reacțiile secvențiale (5.5), (5.8), (5.9) sunt valabile și pentru cinetica reacțiilor enzimatice, un studiu atent al cărora a arătat că aspectul general al curbelor cinetice ale consumului de substrat S are un 5- formă în formă, tipică pentru reacțiile de transformare secvențială (Fig. 5.6).
Orez. 5.6.
I este secțiunea inițială (perioada de inducție), care durează mai puțin de o fracțiune de secundă și ocupă o mică parte din timpul total de reacție. Aici viteza se schimbă de la zero la v CT; II - secțiune staționară. În această secțiune, viteza rămâne aproximativ constantă timp de câteva minute; III - regiunea principală, care reprezintă cea mai mare parte a timpului de reacție; aici viteza scade monoton
Acest tip de curbă de consum de substrat conform modelului propus de Michaelis și Menten se explică prin formarea unui complex intermediar în procesul enzimatic: în timpul reacției enzimatice, substratul S formează un compus cu molecula enzimei E - enzima-substrat. ES complex, care se dezintegrează în două direcții. Când se descompune de-a lungul primei căi, molecula originală a substratului S și enzima E se formează din nou. Astfel, mecanismul procesului enzimatic (cataliza enzimatică) este descris ca o reacție secvențială enzimă + substrat enzimă-substrat - produs + enzimă, în care enzima E se leagă de substratul S într-o reacție reversibilă (constante de viteză). k, k 2) cu formarea complexului enzimatic-substrat ES. Acesta din urmă se descompune într-o reacție cu o constantă de viteză Az în enzima E și produsul P:
Dovezile experimentale ale mecanismului de acțiune considerat al enzimelor au fost obținute pentru prima dată de L. Michaelis și M. Menten (1913), care au acceptat că complexul intermediar enzimă-substrat ES este format reversibil conform legii acțiunii masei:
Ei credeau că rata de dezintegrare a ES cu formarea produsului P este mică în comparație cu rata de echilibru determinată de LaŞi la 2. Pe baza acestor ipoteze, a fost derivată o ecuație, numită după autorii ecuația Michaelis-Menten, care exprimă relația cantitativă dintre concentrația substratului și viteza de echilibru a reacției enzimatice:
unde v max este viteza maximă de reacție la concentrații mari de substrat (vezi Fig. 5.6) și K m - constanta Michaelis, care este constanta de disociere a complexului enzimă-substrat în enzimă și substratul original. 
. ÎN
Modelul presupune că produsul nu poate fi convertit înapoi în substrat (ceea ce este valabil pentru etapele incipiente ale reacției, când concentrația produsului este scăzută). Deoarece în stadiul inițial al reacției concentrația de P este scăzută, probabilitatea unei reacții inverse a produsului cu enzima este infinit mică și apoi la) determină viteza întregului proces. În acest caz, viteza reacției enzimatice v CT este determinată ca 
,
ceea ce confirmă prezența unei secțiuni inițiale drepte în Fig. 5.6.
Acest model a fost ulterior dezvoltat ținând cont de faptul că concentrația complexului enzimatic-substrat ES poate scădea într-un ritm vizibil.
În ecuația Michaelis-Menten (5.12) valorile v max, K m sunt constante pentru o anumită enzimă, deși se pot schimba independent unele de altele în condiții diferite.
Dacă [S]« LA m, atunci
iar reacția se supune unei ecuații de ordinul întâi.
La [S] » K m
Aceasta înseamnă că reacția nu depinde de concentrația substratului și se desfășoară conform unei ecuații de ordin zero.
La K m= [S], g st = Vmax/2, adică. K m este numeric egală cu concentrația substratului [S], la care viteza de reacție este jumătate din valoarea maximă. Această egalitate poate fi folosită pentru a determina constanta Michaelis-Menten.
Ecuația Michaelis-Menten (5.12) poate fi transformată în mod similar cu transformările Henderson-Hasselbach pentru disocierea electroliților slabi:
sau 
Orez. 5.7.
În fig. Figura 5.7 prezintă curba cinetică a unei reacții enzimatice, construită folosind ecuația Michaelis-Menten, care reprezintă o dependență hiperbolică a vitezei de echilibru ale reacției catalizate de enzime de concentrația substratului.
Pentru definirea grafică K m ecuația (5.12) poate fi rearanjată după cum urmează:
din care rezultă o dependenţă liniară de 1/v faţă de 1/[S].
G. Lineweaver și D. Burke au fost primii care au propus o astfel de transformare, așa că ecuația (5.13) și graficul (Fig. 5.8) poartă numele lor. Tangenta unghiului de înclinare a dreptei din Fig. 5,8 este egal cu raportul
Orez. 5.8.
K m/v max , valoarea interceptată pe axa 1/v corespunde valorii
Dacă trasați o linie pe grafic (vezi Fig. 5.8) până când aceasta se intersectează cu axa 1/[S], atunci în punctul 1/v = O 1/[S] - -1/*m-
Astfel, prin determinarea experimentală a vitezei procesului la cel puțin două concentrații diferite de substrat, se poate obține constanta Pentru m.
Cinetica reacțiilor enzimatice. Cinetica studiază vitezele, mecanismele reacțiilor și influența asupra acestora a unor factori precum concentrațiile de enzime și substraturi, temperatura, pH-ul mediului, prezența inhibitorilor sau activatorilor.
La o concentrație constantă de substrat, viteza de reacție este direct proporțională cu concentrația de enzimă. Graficul dependenței vitezei unei reacții enzimatice de concentrația substratului are forma unei hiperbole echilaterale.
Dependența vitezei de reacție enzimatică de concentrația enzimei (a) și a substratului (b)
Este descrisă dependența vitezei unei reacții enzimatice de concentrația substratului Ecuația Michaelis-Menten:
unde V este viteza de echilibru a reacției biochimice; Vmax - viteza maxima; Km - constanta Michaelis; [S] - concentrația substratului.
Dacă concentrația de substrat este scăzută, adică [S]<< Кm, то [S] в знаменателе можно пренебречь.
Apoi 
Astfel, la concentrații scăzute de substrat, viteza de reacție este direct proporțională cu concentrația de substrat și este descrisă printr-o ecuație de ordinul întâi. Aceasta corespunde secțiunii drepte inițiale a curbei V = f[S] (Figura b).
La concentrații mari de substrat [S] >> Km, când Km poate fi neglijat, ecuația Michaelis-Menten ia forma, i.e. V=Vmax.
Astfel, la concentrații mari de substrat, viteza de reacție devine maximă și este descrisă de o ecuație de ordin zero. Aceasta corespunde secțiunii curbei V =f [S] paralelă cu axa absciselor.
La concentrații de substrat comparabile numeric cu constanta Michaelis, viteza de reacție crește treptat. Acest lucru este destul de în concordanță cu ideile despre mecanismul reacției enzimatice:
unde S este substratul; E - enzimă; ES - complex enzima-substrat; P - produs; k1 este constanta de viteză pentru formarea complexului enzimă-substrat; k2 este constanta de viteză pentru dezintegrarea complexului enzimă-substrat cu formarea de reactivi inițiali; k3 este constanta de viteză pentru dezintegrarea complexului enzimă-substrat odată cu formarea unui produs.
Rata de conversie a substratului cu formarea produsului (P) este proporţională cu concentraţia complexului enzimă-substrat. La concentrații scăzute de substrat în soluție există un anumit număr de molecule de enzime libere (E) nelegate într-un complex (ES). Prin urmare, odată cu creșterea concentrației de substrat, concentrația de complexe crește și, prin urmare, crește și rata de formare a produsului. La concentrații mari de substrat, toate moleculele de enzime sunt legate într-un complex ES (fenomenul de saturație a enzimei), prin urmare, o creștere suplimentară a concentrației de substrat practic nu crește concentrația complexelor, iar rata de formare a produsului rămâne constantă.
Astfel, sensul fizic al vitezei maxime a unei reacții enzimatice devine clar. Vmax este viteza cu care o enzimă reacţionează atunci când există în întregime ca un complex enzimă-substrat..
Constanta Michaelis corespunde numeric cu concentrația de substrat la care viteza la starea de echilibru este egală cu jumătate din maxim. Această constantă caracterizează constanta de disociere a complexului enzimă-substrat:
Semnificația fizică a constantei Michaelis prin aceea că caracterizează afinitatea enzimei pentru substrat. Km are valori mici atunci când k1 > (k2 + k3), adică. procesul de formare a complexului ES prevalează asupra proceselor de disociere ES. În consecință, cu cât valoarea Km este mai mică, cu atât este mai mare afinitatea enzimei pentru substrat. Și, invers, dacă Km este de mare importanță, atunci (k2 + k3) > k1 și procesele de disociere ES predomină. În acest caz, afinitatea enzimei pentru substrat este scăzută.
Inhibitori și activatori de enzime . Inhibitori de enzime se numesc substante care reduc activitatea enzimatica. Orice agenți de denaturare (de exemplu, săruri de metale grele, acizi) sunt inhibitori de enzime nespecifici.
Inhibitori reversibile- sunt compuși care interacționează necovalent cu enzima. Inhibitori ireversibili- sunt compuși care leagă în mod specific grupările funcționale ale centrului activ și formează legături covalente cu enzima.
Inhibarea reversibilă este împărțită în competitivă și necompetitivă. Inhibarea competitivă sugerează o asemănare structurală între inhibitor și substrat. Inhibitorul ocupă spațiu în locul activ al enzimei și un număr semnificativ de molecule de enzime sunt blocate. Inhibarea competitivă poate fi eliminată prin creșterea concentrației de substrat. În acest caz, substratul înlocuiește inhibitorul competitiv de la locul activ.
Inhibarea reversibilă poate fi necompetitivîn raport cu substratul. În acest caz, inhibitorul nu concurează pentru locul de atașare la enzimă. Substratul și inhibitorul se leagă de diferiți centri, astfel încât devine posibil să se formeze complexul IE, precum și complexul ternar IES, care se poate descompune pentru a elibera produsul, dar cu o rată mai mică decât complexul ES.
De natura actiunii sale inhibitorii sunt împărțiți în:
- specific,
- nespecific.
Inhibitori specificiîși exercită efectul asupra enzimei prin unirea cu o legătură covalentă în centrul activ al enzimei și oprirea acesteia din domeniul de acțiune.
Inhibarea nespecifică implică efectul agenților de denaturare asupra enzimei (săruri ale metalelor grele, uree etc.). În acest caz, ca urmare a distrugerii structurii cuaternare și terțiare a proteinei, activitatea biologică a enzimei se pierde.
Activatori enzimatici- Sunt substanțe care cresc viteza reacțiilor enzimatice. Cel mai adesea, ionii metalici (Fe2+, Fe3+, Cu2+, Co2+, Mn2+, Mg2+ etc.) acţionează ca activatori. Există metale găsite în metaloenzime, care sunt cofactori,și acționând ca activatori enzimatici. Cofactorii se pot lega strâns de partea proteică a enzimei, ca și pentru activatori, ei sunt ușor separați de apoenzimă. Astfel de metale sunt participanți obligatorii la actul catalitic, determinând activitatea enzimei. Activatori intensifică efectul catalitic, dar absența lor nu împiedică desfășurarea reacției enzimatice. De regulă, cofactorul metalic interacționează cu grupurile încărcate negativ ale substratului. Un metal cu valență variabilă participă la schimbul de electroni dintre substrat și enzimă. În plus, ei participă la formarea unei conformații stabile de tranziție a enzimei, care contribuie la formarea mai rapidă a complexului ES.
Reglarea activității enzimelor . Unul dintre principalele mecanisme de reglare a metabolismului este reglarea activității enzimelor. Un exemplu este reglarea alosterică, reglarea prin activatori și inhibitori. Se întâmplă adesea ca produsul final al unei căi metabolice să fie un inhibitor al unei enzime reglatoare. Acest tip de inhibiție se numește retroinhibarea sau inhibiția bazată pe principiul feedback-ului negativ.
Multe enzime sunt produse ca precursori inactivi ai proenzimei și apoi sunt activate la momentul potrivit prin proteoliză parțială. Proteoliză parțială- scindarea unei părți a moleculei, ceea ce duce la modificarea structurii terțiare a proteinei și formarea centrului activ al enzimei.
Unele enzime oligomerice își pot modifica activitatea datorită asocieri – disocieri de subunități, incluse în componența lor.
Multe enzime pot fi găsite sub două forme: ca o simplă proteină și ca o fosfoproteină. Trecerea de la o formă la alta este însoțită de o schimbare a activității catalitice.
Viteza reacției enzimatice depinde de cantitatea de enzimă, care într-o celulă este determinată de raportul dintre ratele de sinteză și dezintegrare. Această metodă de reglare a vitezei unei reacții enzimatice este un proces mai lent decât reglarea activității enzimatice.
§ 12. CINETICA REACŢIILOR ENZIMATIVE
Cinetica reacțiilor enzimatice este știința vitezei reacțiilor enzimatice și a dependenței lor de diverși factori. Viteza unei reacții enzimatice este determinată de cantitatea chimică a substratului reacționat sau a produsului de reacție rezultat pe unitate de timp pe unitate de volum în anumite condiții:
unde v este viteza reacției enzimatice, este modificarea concentrației substratului sau a produsului de reacție, t este timpul.
Viteza unei reacții enzimatice depinde de natura enzimei, care determină activitatea acesteia. Cu cât activitatea enzimei este mai mare, cu atât este mai rapidă viteza de reacție. Activitatea enzimatică este determinată de viteza de reacție catalizată de enzimă. Măsura activității enzimatice este o unitate standard a activității enzimatice. O unitate standard de activitate a enzimei este cantitatea de enzimă care catalizează conversia a 1 µmol de substrat în 1 minut.
În timpul unei reacții enzimatice, o enzimă (E) interacționează cu un substrat (S), ducând la formarea unui complex enzimă-substrat, care apoi se dezintegrează pentru a elibera enzima și produsul (P) al reacției:
Viteza reacției enzimatice depinde de mulți factori: concentrația substratului și a enzimei, temperatura, pH-ul mediului, prezența diferitelor substanțe reglatoare care pot crește sau scădea activitatea enzimelor.
Interesant de știut! Enzimele sunt folosite în medicină pentru a diagnostica diferite boli. În timpul infarctului miocardic, din cauza deteriorării și defalcării mușchiului inimii, conținutul enzimelor aspartat transaminaza și alanin aminotransferaza din sânge crește brusc. Detectarea activității lor face posibilă diagnosticarea acestei boli.
Efectul concentrației de substrat și enzimă asupra vitezei de reacție enzimatică
Să luăm în considerare efectul concentrației substratului asupra vitezei reacției enzimatice (Fig. 30). La concentrații scăzute ale substratului, viteza este direct proporțională cu concentrația acestuia, apoi, pe măsură ce concentrația crește, viteza de reacție crește mai lent, iar la concentrații foarte mari ale substratului, viteza este practic independentă de concentrația acestuia; valoarea maximă (V max). La astfel de concentrații de substrat, toate moleculele de enzimă fac parte din complexul enzimă-substrat și se realizează saturarea completă a centrilor activi ai enzimei, motiv pentru care viteza de reacție în acest caz este practic independentă de concentrația substratului.
Orez. 30. Dependenţa vitezei unei reacţii enzimatice de concentraţia substratului
Graficul dependenței activității enzimelor de concentrația substratului este descris de ecuația Michaelis–Menten, care și-a primit numele în onoarea remarcabililor oameni de știință L. Michaelis și M. Menten, care au adus o mare contribuție la studiul cineticii reacții enzimatice,
unde v este viteza reacției enzimatice; [S] – concentrația substratului; K M – constanta lui Michaelis.
Să luăm în considerare semnificația fizică a constantei Michaelis. Cu condiția ca v = ½ V max , obținem K M = [S]. Astfel, constanta Michaelis este egală cu concentrația de substrat la care viteza de reacție este jumătate din maxim.
Viteza reacției enzimatice depinde și de concentrația enzimei (Fig. 31). Această dependență este simplă.
Orez. 31. Dependenţa vitezei unei reacţii enzimatice de concentraţia enzimei
Efectul temperaturii asupra vitezei de reacție enzimatică
Dependența vitezei de reacție enzimatică de temperatură este prezentată în Fig. 32.
Orez. 32. Dependenţa vitezei de reacţie enzimatică de temperatură.
La temperaturi scăzute (până la aproximativ 40 - 50 o C), o creștere a temperaturii la fiecare 10 o C în conformitate cu regula lui Van't Hoff este însoțită de o creștere a vitezei de reacție chimică de 2 - 4 ori. La temperaturi ridicate de peste 55 - 60 o C, activitatea enzimei scade brusc din cauza denaturarii sale termice si, drept urmare, se observa o scadere brusca a vitezei reactiei enzimatice. Activitatea enzimatică maximă este de obicei observată în intervalul 40 - 60 o C. Temperatura la care activitatea enzimatică este maximă se numește temperatura optimă. Temperatura optimă pentru enzimele microorganismelor termofile este în zona temperaturilor mai ridicate.
Efectul pH-ului asupra vitezei de reacție enzimatică
Dependența activității enzimatice de pH este prezentată în Fig. 33.
Orez. 33. Influența pH-ului asupra vitezei de reacție enzimatică
Graficul pH-ului este în formă de clopot. Se numește valoarea pH-ului la care activitatea enzimatică este maximă pH optim enzimă. Valorile optime ale pH-ului pentru diferite enzime variază foarte mult.
Natura dependenței reacției enzimatice de pH este determinată de faptul că acest indicator afectează:
a) ionizarea reziduurilor de aminoacizi implicate în cataliză,
b) ionizarea substratului,
c) conformaţia enzimei şi a centrului său activ.
Inhibarea enzimatică
Viteza unei reacții enzimatice poate fi redusă printr-un număr de substanțe chimice numite inhibitori. Unii inhibitori sunt otrăvuri pentru oameni, de exemplu, cianura, alții sunt folosiți ca medicamente.
Inhibitorii pot fi împărțiți în două tipuri principale: ireversibilŞi reversibil. Inhibitorii ireversibili (I) se leagă de enzimă pentru a forma un complex, a cărui disociere cu restabilirea activității enzimatice este imposibilă:
Un exemplu de inhibitor ireversibil este fluorofosfatul de diizopropil (DFP). DPP inhibă enzima acetilcolinesteraza, care joacă un rol important în transmiterea impulsurilor nervoase. Acest inhibitor interacționează cu serina în centrul activ al enzimei, blocând astfel activitatea acesteia din urmă. Ca urmare, capacitatea proceselor celulelor nervoase ale neuronilor de a conduce impulsurile nervoase este afectată. DPP este unul dintre primii agenți nervoși. Pe baza acestuia, au fost create o serie de produse care sunt relativ netoxice pentru oameni și animale. insecticide - substanțe otrăvitoare pentru insecte.
Inhibitorii reversibili, spre deosebire de cei ireversibili, pot fi ușor separați de enzimă în anumite condiții. Activitatea acestuia din urmă este restabilită:
Inhibitorii reversibile includ competitivŞi necompetitiv inhibitori.
Un inhibitor competitiv, fiind un analog structural al substratului, interacționează cu centrul activ al enzimei și astfel blochează accesul substratului la enzimă. În acest caz, inhibitorul nu suferă transformări chimice și se leagă de enzimă în mod reversibil. După disociarea complexului EI, enzima poate intra în contact fie cu substratul și să-l transforme, fie cu un inhibitor (Fig. 34). Deoarece atât substratul, cât și inhibitorul concurează pentru spațiu la locul activ, această inhibiție se numește competitivă.
Orez. 34. Mecanismul de acţiune al unui inhibitor competitiv.
Inhibitorii competitivi sunt utilizați în medicină. Medicamentele sulfonamide au fost utilizate anterior pe scară largă pentru combaterea bolilor infecțioase. Ele sunt apropiate ca structură de acid para-aminobenzoic(PABA), un factor de creștere esențial pentru multe bacterii patogene. PABA este un precursor al acidului folic, care servește ca cofactor pentru mai multe enzime. Medicamentele sulfonamide acționează ca un inhibitor competitiv al enzimelor pentru sinteza acidului folic din PABA și, prin urmare, inhibă creșterea și reproducerea bacteriilor patogene.
Inhibitorii necompetitivi nu sunt similari structural cu substratul și, atunci când se formează EI, ei interacționează nu cu centrul activ, ci cu un alt situs al enzimei. Interacțiunea inhibitorului cu enzima duce la o modificare a structurii acesteia din urmă. Formarea complexului EI este reversibilă, prin urmare, după descompunerea acestuia, enzima este din nou capabilă să atace substratul (Fig. 35).
Orez. 35. Mecanismul de acțiune al unui inhibitor necompetitiv
Cianură CN - poate acționa ca un inhibitor necompetitiv. Se leagă de ionii metalici care fac parte din grupările protetice și inhibă activitatea acestor enzime. Otrăvirea cu cianură este extrem de periculoasă. Pot fi fatale.
Enzime alosterice
Termenul „alosteric” provine din cuvintele grecești allo - alt, stereo - site. Astfel, enzimele alosterice, împreună cu centrul activ, au un alt centru numit centru alosteric(Fig. 36). Substanțele care pot modifica activitatea enzimelor se leagă de centrul alosteric se numesc aceste substanțe efectori alosterici. Efectorii sunt pozitivi - activează enzima, iar negativi - inhibă, de exemplu. reducerea activității enzimelor. Unele enzime alosterice pot fi afectate de doi sau mai mulți efectori.
Orez. 36. Structura unei enzime alosterice.
Reglarea sistemelor multienzimatice
Unele enzime acționează în mod concertat, combinându-se în sisteme multienzimatice în care fiecare enzimă catalizează o etapă specifică a căii metabolice:
Într-un sistem multienzimatic, există o enzimă care determină viteza întregii secvențe de reacții. Această enzimă este de obicei alosterică și este situată la începutul căii metaboliților. Este capabil, prin recepționarea diferitelor semnale, să crească și să scadă viteza reacției catalizate, reglând astfel viteza întregului proces.
Viteza reacțiilor enzimatice depinde de concentrația sub-
strat. Această dependență este complexă, ceea ce pentru anumite enzime este descrisă printr-o curbă parabolică (Fig. 29).
Figura 29 – Dependența vitezei de reacție enzimatică
asupra concentrației substratului
Natura parabolica a dependentei se explica prin faptul ca atunci cand enzima interactioneaza cu substratul, se formeaza un complex enzima-substrat. Inițial, pe măsură ce concentrația de substrat crește, crește concentrația de complexe enzimă-substrat în amestecul de reacție, ceea ce se manifestă printr-o creștere paralelă a vitezei de reacție. La o anumită concentrație a substratului (saturare), are loc un fel de „saturare” a tuturor centrilor activi ai moleculelor de enzime din amestecul de reacție. Viteza reacției enzimatice la concentrație de saturare devine maximă. Odată cu o creștere suplimentară a conținutului de substrat din amestecul de reacție, acesta nu se modifică.
Din graficul dependenței vitezei unei reacții enzimatice de concentrația substratului, se calculează doi indicatori importanți:
1. Viteza maximă de reacție (V max). Este definită ca viteza de reacție la concentrația de saturare a substratului. Valoarea vitezei maxime reflectă puterea catalitică a enzimei. Enzime mai mari V max sunt catalizatori mai puternici. Ele catalizează transformarea unui număr mai mare de molecule de substrat pe unitatea de timp. Viteza maximă este exprimată prin numărul de rotații ale enzimei. Cifra de afaceri este estimată prin numărul de molecule de substrat convertite de enzimă pe unitatea de timp (s -1). Pentru majoritatea enzimelor, cifra de afaceri este de 104. În același timp, există enzime pentru care viteză semnificativ mai mare (600.000 pentru carbanhidrază) sau mai mică decât această valoare (100 pentru chimotripsină).
2. Michaelis constantă (LA m). Constanta Michaelis este concentrația de substrat la care viteza de reacție este jumătate maximă. Magnitudinea LA m reflectă afinitatea enzimei pentru substrat. Cu cât această valoare este mai mare, cu atât mai puțină afinitate are enzima pentru substrat. LA m este exprimat în moli de substrat. Deci, valoarea LA m în raport cu glucoza pentru enzima glucokinază este de 10 mmol, iar pentru hexokinază - 0,01 mmol. Hexokinaza prezintă o afinitate mai mare pentru glucoză decât glucokinaza la aceeași concentrație de substrat, catalizează fosforilarea glucozei la o rată mai mare.
Pe baza unei analize matematice a curbei dependenței vitezei unei reacții enzimatice de concentrația substratului, L. Michaelis și M. Menten (1913) au derivat o formulă care permite evaluarea relației dintre viteza de reacție, rata maximă și constanta Michaelis. În prezent este definită ca ecuația Michaelis–Menten.
V o = V max [ S]/K m + [ S],
Unde V o – viteza de reacție, S– concentrația substratului.
Proprietățile generale ale enzimelor
În ciuda existenței unor diferențe de structură, funcție și localizare intracelulară, enzimele se caracterizează printr-o serie de proprietăți comune. Acestea includ dependența manifestării activității lor catalitice de temperatură (termolabilitatea) și pH-ul mediului, precum și specificitatea substratului.
O proprietate caracteristică a enzimelor este termolabilitatea. Acest fenomen poate fi ilustrat printr-un grafic al vitezei unei reacții enzimatice în funcție de temperatura amestecului de reacție (Fig. 30).
Figura 30 – Dependența vitezei de reacție enzimatică de temperatură
mediu de reacție ( t opt – temperatura optima; V- viteza de reactie)
După cum se poate observa din graficul prezentat, la o temperatură apropiată de 4 o C, reacțiile enzimatice practic nu au loc. Din acest motiv, obiectele biologice pot fi depozitate la rece pentru un anumit timp înainte de a efectua studii biochimice. Este frigul care permite conservarea produselor alimentare de la autoliză (autodigestie).
O creștere a temperaturii este însoțită de o creștere a vitezei reacției enzimatice. Motivul pentru aceasta este o creștere a energiei cinetice a substratului și a moleculelor de enzimă, ceea ce crește rata de interacțiune între ele. Un fenomen similar se observă până la o temperatură care corespunde temperaturii optime a enzimei. Temperatura optimă a enzimei corespunde temperaturii la care viteza reacției enzimatice este maximă. Pentru enzimele animalelor cu sânge cald este de obicei 28 o C sau 37 o C.
O creștere suplimentară a temperaturii amestecului de reacție conduce la o scădere treptată a vitezei reacției enzimatice. Acest fenomen se datorează procesului de denaturare termică a lanțului polipeptidic proteic. Denaturarea este însoțită de o modificare a structurii centrului activ al enzimei, ceea ce are ca rezultat o scădere a afinității enzimei pentru substrat. La temperaturi peste 55 o C, majoritatea enzimelor își pierd complet proprietățile catalitice (inactivate). În acest sens, încălzirea la 55–56 o C este utilizată pe scară largă pentru procedura de pasteurizare, care crește durata de valabilitate a produselor alimentare (lapte etc.).
pH-ul mediului are o mare influență asupra vitezei reacției enzimatice. După cum se poate observa din figura prezentată. 31 grafic, seamănă în formă cu un grafic al dependenței vitezei unei reacții enzimatice de temperatură.
Figura 31 – Dependența de viteză ( V) reacție enzimatică
asupra pH-ului mediului (pH opt – pH optim al enzimei)
O scădere bruscă a vitezei de reacție enzimatică la valori extreme ale pH-ului este asociată cu fenomenul de denaturare a lanțului polipeptidic al unei molecule de proteine sub influența acizilor și alcalinelor. Enzima prezintă putere catalitică maximă la o valoare a pH-ului, care este determinată de termen pH optim enzimă. Cele mai multe enzime cunoscute au un pH optim în intervalul de la 5,0 la 7,5. În același timp, există multe exemple de enzime în care valoarea optimă a pH-ului este deplasată în regiunea valorilor pH acide sau alcaline. Aceste enzime includ:
Motivul existenței unei dependențe a vitezei reacțiilor enzimatice de pH se datorează faptului că valoarea pH-ului mediului are un efect pronunțat asupra gradului de ionizare a grupărilor funcționale ale substratului. Caracteristici ale ionizării moleculei de acid succinic la aciditate diferită a mediului (pH):
În același timp, pH-ul mediului afectează și gradul de ionizare al radicalilor de aminoacizi care alcătuiesc centrul activ al enzimei:
Dacă formarea complexului enzimă-substrat este stabilizată datorită interacțiunilor electrostatice, atunci rolul pH-ului în asigurarea condițiilor optime pentru desfășurarea reacției enzimatice devine clar (Fig. 24).
Viteza reacțiilor catalizate de enzime, în a căror interacțiune cu substraturile interacțiunile electrostatice nu sunt semnificative, depinde într-o măsură mai mică de pH-ul mediului. În fig. Figura 32 arată dependența ratei de hidroliză a proteinei de către papaină. În interacțiunea acestei enzime cu substratul, interacțiunile hidrofobe devin de importanță primordială. După cum se poate observa din graficul prezentat, papaina, în general, nu are un pH optim clar definit.
Figura 32 - Efectul pH-ului asupra vitezei de hidroliză a proteinelor de către papaină.
Enzimele au o anumită specificitate referitor la substraturi. Specificitatea se referă la capacitatea enzimelor de a cataliza transformarea unuia sau a unui grup de substraturi similare structural. Există mai multe tipuri de specificitate enzimatică.
· Specificitate absolută. Se referă la capacitatea unei enzime de a cataliza transformarea unui singur substrat. Enzimele cu specificitate absolută includ arginaza, enzimele de restricție a uricazei etc.
· Specificitate relativă. Înseamnă capacitatea unei enzime de a cataliza transformarea unui grup de substraturi asemănătoare ca structură (așa-numitele enzime proteolitice hidrolizează diverse proteine, esterii lipază ai glicerolului și acizii grași superiori, hexokinaza fosforilează diverse monozaharide). În acest caz, specificitatea este determinată de faptul că enzima afectează doar un anumit tip de legătură (enzimele proteolitice hidrolizează legătura peptidică, lipaza hidrolizează legătura esterică etc.).
· Stereospecificitate . Acest termen se referă la capacitatea unei enzime de a cataliza conversia unui stereoizomer al unui substrat. Astfel, enzimele implicate în conversia monozaharidelor prezintă specificitate în raport cu acestea D-stereoizomerii, și enzimele implicate în transformarea aminoacizilor - în lor L-stereo-izomeri.
Activitatea enzimatică
Particularitatea enzimelor ca catalizatori este că sunt capabile să-și schimbe proprietățile catalitice sub influența diverșilor factori externi. O măsură a puterii acțiunii catalitice a enzimelor este lor activitate. Capacitatea enzimelor de a-și schimba activitatea în diferite condiții are un mare sens biologic. Această proprietate permite unei celule vii să adapteze starea proceselor metabolice la nevoile imediate ale celulelor, care se pot schimba semnificativ sub influența diferiților factori externi.
Determinarea activității enzimatice joacă un rol important în caracterizarea lor. Există câteva principii generale pentru cuantificarea activității enzimatice. Activitatea enzimatică poate fi determinată după cum urmează:
· fie prin viteza de acumulare în amestecul de reacție în care se află enzima produsului de reacție;
· sau prin viteza de disparitie a substratului reactiei enzimatice din amestecul de reactie.
Ambele abordări sunt echivalente și pot fi utilizate în practică. Cu toate acestea, la determinarea activității enzimatice, trebuie respectate următoarele condiții: în amestecul de reacție în care este determinată activitatea enzimatică,
· temperatura trebuie să corespundă cu temperatura optimă a enzimei;
· pH-ul mediului trebuie să corespundă cu pH-ul optim al acestei enzime;
· concentratia substratului nu trebuie sa fie mai mica decat cea saturata;
· cofactorii trebuie să fie prezenți dacă această enzimă are;
Activatorii enzimatici trebuie să fie prezenți.
Astfel, activitatea enzimei este determinată în condiții optime. În aceste condiții, activitatea enzimei este proporțională cu conținutul ei din proba de testat și, prin urmare, poate fi utilizată pentru a estima indirect concentrația acesteia.
Activitatea enzimatică este exprimată cantitativ în unități de activitate. O unitate de activitate a enzimei (U) este activitatea enzimatică la care, sub influența sa, se formează 1 µmol de produs de reacție (sau 1 µmol de substrat dispare) pe minut.. În sistemul SI, unitatea de activitate enzimatică este katal (kat). 1 catal corespunde activității enzimatice în care se formează un mol de produs de reacție (un mol de substrat dispare) pe secundă.
Valoarea activității specifice este, de asemenea, utilizată pentru a caracteriza enzimele. Această unitate reflectă activitatea enzimei pe unitate de masă și este exprimată în µmol/min mg proteină. Unități de activitate specifice sunt utilizate pentru a evalua puritatea preparatelor enzimatice. Cu cât activitatea specifică este mai mare, cu atât preparatul enzimatic este mai pur.
CINETICA REACȚIEI ENZIMATIVE
studiază modelele de trecere a reacțiilor enzimatice în timp, precum și mecanismul acestora; capitol cinetica chimică.
catalitic ciclul de conversie a substanței S (substrat) în produs P sub acțiunea enzimei E continuă cu formarea intermediarilor. conn. X i:
Unde ki- constantele de viteză ale etapelor elementare individuale,
formarea complexului enzimă-substrat X 1 (ES, complexul Michaelis).
La o anumită temperatură, viteza reacției depinde de concentrațiile enzimei, substratului și compoziția mediului. Există cinetice staționare, pre-staționare și de relaxare ale reacțiilor enzimatice.
Cinetica staționară.În stare staționară prin conexiuni intermediare. (dX i/dt= 0, i = 1, ..., n) și cu un exces de substrat, unde [S] 0 și, respectiv, [E] 0 sunt concentrațiile inițiale. substrat și enzimă, cinetica procesului este caracterizată printr-un nivel constant, invariant în timp al concentrațiilor. conn. și expresia pentru viteza procesului v 0, numit viteza inițială staționară, are forma (ecuația Michaelis-Menten):
(1)
unde valorile lui k cat și K m -> funcțiile constantelor de viteză ale etapelor elementare și sunt date de ecuațiile:
Valoarea lui k cat
numit K m -> catalitic eficient constanta vitezei de proces, parametru
Michaelis constantă. k valoarea pisicii determinat de cantitati
max. etape lente ale catalitice raioane și uneori numite numărul de rotații ale enzimei (sistemul enzimatic); k pisica
caracterizează numărul de catalitic cicluri efectuate de sistemul enzimatic pe unitatea de timp. Naib. comună, având valoarea k cat. pentru specific substraturi în intervalul 10 2 -10 3 s -1. Valorile tipice ale constantei Michaelis se află în intervalul 10 -3 - 10 -4 M.
(2)
La concentrații mari ale substratului, când, adică, viteza reacției nu depinde de concentrația substratului și atinge o valoare constantă, numită. Max. viteză. Grafic, ecuația Michaelis-Menten este o hiperbolă. Poate fi liniarizat folosind metoda reciprocelor duble (metoda Linewere-Burk), adică construirea dependenței 1/v de la 1/[S] 0 sau alte metode. Forma liniară a ecuației (1) are forma: Vă permite să determinați grafic valorile K m
Orez. 1. Graficul transformării liniare a ecuației Michaelis - Menten în reciproce duble (după Lineweaver - Burke).
Magnitudinea K m > este numeric egală cu concentrația substratului, la care viteza de circulație este, prin urmare, egală Vă permite să determinați grafic valorile servește adesea ca măsură a afinității substratului și a enzimei, dar aceasta este valabilă numai dacă
Cantitati K m >Şi variază în funcție de valorile pH-ului. Acest lucru se datorează capacității grupelor de molecule de enzime implicate în cataliză de a-și schimba starea de ionizare și, prin urmare, activitatea lor catalitică. eficienţă. În cel mai simplu caz, o modificare a pH-ului are ca rezultat protonarea sau deprotonarea a cel puțin două grupări ionizabile ale enzimei implicate în cataliză. Dacă, în acest caz, doar o formă a complexului enzimă-substrat (de exemplu, ESH) din trei forme posibile (ES, ESH și ESH 2) poate fi convertită într-un produs al soluției, atunci dependența de rata pH-ului este descrisă de formula:
Unde f = 1 + / Și f" = 1 +
+K" b />-T. numit funcțiile pH ale lui Michaelis și Ka, KbŞi K" a, K" b -> constantele de ionizare ale grupelor a și bresp. gratuit enzima si complexul enzima-substrat. În coordonate lg - pH această dependență este prezentată în Fig. 2, iar tangentele unghiurilor de pantă ale tangentelor la ramurile ascendente, independente de pH și descendente ale curbei ar trebui să fie egale cu +1, 0 și, respectiv, -1. Dintr-un astfel de grafic puteți determina valorile pK a grupuri implicate în cataliză.
Orez. 2. Dependenta de catalitic constante de la pH la logaritmice. coordonate.
Viteza reacției enzimatice nu respectă întotdeauna ecuația (1). Unul dintre cele mai frecvente cazuri este participarea alostericului la reacție. enzime (vezi regulatori ai enzimelor), pentru care dependenţa gradului de saturaţie al enzimei de [S] 0 este nehiperbolic. caracter (fig. 3). Acest fenomen se datorează cooperativității legării substratului, adică atunci când legarea unui substrat pe unul dintre situsurile macromoleculei enzimatice crește (cooperativitate pozitivă) sau scade (cooperativitate negativă) afinitatea pentru substratul altui situs.
Orez. H Dependența gradului de saturație a enzimei cu substratul de concentrația substratului cu cooperativitate pozitivă (I) și negativă (II), precum și în absența acestuia (III).
Cinetica pre-staționare. Cu amestecarea rapidă a soluțiilor de enzimă și substrat în intervalul de timp de 10 -6 -10 -1 s, se pot observa procese tranzitorii care preced formarea unei stări staționare stabile. În acest mod pre-staționar, atunci când se utilizează un exces mare de substrat, sistemul diferențial. Ecuația care descrie cinetica proceselor este liniară. Soluția acestui tip de sistem diferențial liniar. Ecuația este dată de suma termenilor exponențiali. Deci, pentru cinetică schema prezentată mai sus, cinetica acumulării produsului are forma:
unde A eu ->, b și n -> funcții ale constantelor elementare de viteză; -rădăcinile caracteristicii corespunzătoare. nivel.
Mărimea reciprocă se numește caracteristică timpul procesului:
Pentru un râu care curge cu participarea nintervals. conexiune, puteți obține caracteristici. ori
Studiul cineticii reacției enzimatice într-un mod pre-staționar ne permite să ne facem o idee despre mecanismul detaliat al reacțiilor catalitice. ciclul și determinați constantele de viteză ale etapelor elementare ale procesului.
Experimental, cinetica reacției enzimatice în mod prestațional este studiată folosind metoda cu jet oprit (vezi. metode cinetice cu jet), permițând amestecarea componentelor soluției în 1 ms.
Cinetica de relaxare. Cu un efect perturbator rapid asupra sistemului (modificarea temperaturii, presiunii, câmpului electric), timpul necesar sistemului pentru atingerea unui nou echilibru sau stare staționară depinde de viteza proceselor care determină reacția catalitică. ciclu enzimatic.
Sistemul de ecuații care descriu cinetica procesului este liniar dacă deplasarea față de poziția de echilibru este mică. Soluția sistemului duce la dependențe ale concentrațiilor componentelor, dec. etape ale procesului sub forma unei sume de termeni exponențiali, ai căror exponenți au caracter de timpi de relaxare. Rezultatul studiului este un spectru de timpi de relaxare corespunzător numărului de intervale. conexiuni care participă la proces. Timpii de relaxare depind de constantele de viteză ale etapelor elementare ale proceselor.
Tehnici de relaxare cinetica face posibilă determinarea constantelor de viteză ale etapelor elementare individuale de transformare a intermediarilor. Metodele de studiu a cineticii relaxării variază. rezolutie: absorbtie ultrasunete - 10 -6 -10 -10
s, salt de temperatură - 1O -4 -10 -6 s, metoda electrică. impuls - 10 -4 -10 -6 s, salt de presiune - 10 -2 s. La studierea cineticii reacțiilor enzimatice, metoda saltului de temperatură a găsit aplicație.
Macrocinetica proceselor enzimatice. Dezvoltarea metodelor de producere a catalizatorilor eterogene prin imobilizarea enzimelor pe decomp. mass-media (vezi Enzime imobilizate) a necesitat analiza cineticii proceselor ținând cont de transferul de masă al substratului. Cinetica reacțiilor a fost studiată teoretic și experimental, ținând cont de efectele stratului de difuzie și pentru sistemele cu dificultăți de intradifuzie în timpul distribuției enzimei în purtător.
În condițiile în care cinetica procesului este afectată de transferul de difuzie al substratului, catalitic. eficiența sistemului scade. Factorul de eficiență este egal cu raportul dintre densitatea curgerii produsului în condiții de curgere enzimatică cu o concentrație de substrat redusă difuziv și debitul care ar putea fi realizat în absența restricțiilor de difuzie. În regiunea pur difuziei, când viteza procesului este determinată de transferul de masă al substratului, factorul de eficiență pentru sistemele cu inhibare a difuziei externe este invers proporțional cu modulul de difuzie:
Unde
grosimea stratului de difuzie, D - coeficient. difuzia substratului.
Pentru sistemele cu inhibare a intradifuziei în regiunile de ordinul întâi
unde Ф T- modul adimensional (modul Thiele).
La analiza cinetică modelele din reactoare enzimatice sunt larg teoretice. și experimentează. Au fost dezvoltate modele de reactoare „ideale”: reactor cu flux (reactor cu flux cu amestec ideal), reactor cu flux cu deplasare ideală și reactor cu membrană.
Cinetica proceselor multienzimatice.În organism (celulă), enzimele nu acționează izolat, ci catalizează lanțuri de transformare a moleculelor. R-tions în sisteme multienzimatice cu cinetică. punctele de vedere pot fi considerate ca fiind consistente. procese, specifice O caracteristică a cărei caracteristică este enzimele fiecărei etape:
Unde ,
resp. max, viteza procesului și constanta Michaelis i respectiv etapa a raionului.
O caracteristică importantă a procesului este posibilitatea formării unei stări staționare stabile. Condiția pentru apariția acesteia poate fi inegalitatea > v 0 , unde v 0 este viteza treptei de limitare, caracterizată prin cea mai mică constantă de viteză și determinând astfel viteza a tot ceea ce urmează. proces. În starea de echilibru, concentrațiile metaboliților după stadiul de limitare sunt mai mici decât constanta Michaelis a enzimei corespunzătoare.
Specific grupul sistemelor multienzimatice este format din sisteme care realizează oxido-reducerea. r-tions cu participarea purtătorilor de electroni proteici. Transportatorii forme specifice structuri, complexe cu o succesiune deterministă de transfer de electroni. Cinetică. descrierea acestui gen de sisteme consideră starea circuitelor cu descompunere ca o variabilă independentă. gradul de populație de electroni.
Aplicație. F.r. K. sunt utilizate pe scară largă în practica cercetării pentru a studia mecanismele de acțiune a enzimelor și sistemelor enzimatice. Un domeniu practic semnificativ al științei enzimelor este enzimologie de inginerie, operează cu conceptele lui F. r. pentru optimizarea biotehnologiei. proceselor.
Lit.: Poltorak O. M., Chukhrai E. S., Fundamentele fizico-chimice ale catalizei enzimatice, M., 1971; Berezin I.V., Martinek K., Fundamentele chimiei fizice ale catalizei enzimatice, M., 1977; Varfolomeev S. D., Zaitsev S. V., Metode cinetice în cercetarea biochimică, M.. 1982. S. D. Varfolomeev.
Enciclopedie chimică. - M.: Enciclopedia Sovietică. Ed. I. L. Knunyants. 1988 .
Vedeți ce este „CINETICA REACȚIEI ENZIMATIVE” în alte dicționare:
catalitic radio ciclic un proces constând dintr-un număr de mișcări elementare, ale căror viteze sunt descrise de legea acțiunii în masă. Această lege are o formă simplă pentru amestecuri de gaze ideale, lichide ideale și straturi de suprafață ideale.... ... Enciclopedie chimică
Cinetica reacțiilor chimice, studiul proceselor chimice, legile apariției lor în timp, viteze și mecanisme. Cele mai importante domenii ale chimiei moderne și ale chimiei... ... sunt asociate cu studiile cineticii reacțiilor chimice. Marea Enciclopedie Sovietică
CINETICA CHIMICA- (din mișcarea greacă kinesis), un departament de chimie teoretică dedicat studiului legilor chimiei. reactii. Pot fi identificate mai multe tipuri de substanțe chimice. interacțiuni și, în primul rând, să distingem reacțiile care au loc într-un mediu omogen (omogen) de reacții... ... Marea Enciclopedie Medicală
- (biocataliza), accelerarea biochimice. rații cu participarea macromoleculelor proteice numite enzime. F. k. este un tip de cataliză, deși termenul de fermentație (fermentare) este cunoscut încă din cele mai vechi timpuri, când nu exista conceptul de chimie. cataliză. Mai întâi…… Enciclopedie chimică
- (din latinescul re prefix care înseamnă acțiune inversă, și acțiune actio), transformarea unora în (compuși inițiali) în altele (produse ale dietei) cu imuabilitatea nucleelor atomice (spre deosebire de reacțiile nucleare). Compuși inițiali în R. x. numit uneori...... Enciclopedie chimică
- (din latinescul fermentum starter) (enzime), proteine care actioneaza ca catalizatori in organismele vii. De bază funcțiile F. de a accelera transformarea substanțelor care pătrund în organism și formate în timpul metabolismului (pentru a reînnoi structurile celulare, pentru a-i asigura ... Enciclopedie chimică
- (din grecescul pharmakon medicina si kinetikos punerea in miscare), studiaza cinetica. modele de procese care au loc cu lek. Miercuri vom în corp. De bază farmacocinetice procese: absorbție, distribuție, metabolism și excreție (eliminare).... ... Enciclopedie chimică