Кинетика ферментативного катализа имеет некоторые особенности. Способность ферментов специфически связывать свои субстраты обусловливает важнейшую особенность катализируемых ими реакций: они начинаются с образования фермент-субстратного комплекса. Связывание субстратов ограничивает их подвижность, сближает и ориентирует их относительно друг друга оптимальным образом для осуществления реакции; уменьшение степеней свободы поступательного и вращательного движения приводит к снижению энтропии. Важным следствием сближения и взаимной ориентации реагирующих групп субстратов, с одной стороны, и функциональных групп фермента, с другой, является то, что катализ становится внутримолекулярным. Это существенно увеличивает его эффективность, так как продуктивные столкновения между молекулами в растворе относительно редки.

По Л. Михаэлису и М. Ментен образование фермент-субстратного комплекса осуществляется в результате сравнительно быстрой обратимой стадии:

k₁

E + S ES

k_-1

Затем комплекс более медленно распадается с образованием продукта и высвобождением фермента:

k₂

ES E + P

k_-2

Вторая стадия реакции является лимитирующей. Общая скорость реакции пропорциональна концентрации фермент-субстратного комплекса. В начальный период реакции концентрация продукта пренебрежимо мала, и вторую стадию можно считать необратимой. В таком случае начальная скорость ферментативной реакции выражается уравнением:

R_o = k₂[ES]

Приняв, что [E_o] - общая концентрация фермента, а ([E_o] - [ES]) соответствует концентрации свободного фермента, а также что [S] >> [E_o], можно получить выражение для [ES]:

[ES] = ([E_o]• [S]/{ [S] + (k₂ + k_-1)/k₁}

Отношение (k₂ + k_-1)/k₁ называется константой Михаэлиса ( К_М); с учетом этого концентрация фермент-субстратного комплекса и начальная скорость могут быть описаны уравне-ниями:

[ES] = [E_o]• [S]/ (К_М + [S])

R_o = k₂[ES] = k₂[E_o]• [S]/ (К_М + [S])

Последнее уравнение называют уравнением Михаэлиса-Ментен. Необходимо отметить, что величина К_М совпадает с термодинамической константой диссоциации фермент-субстратного комплекса только в случае квазиравновесия первой стадии и лимитирования процесса второй стадией. Во всех остальных случаях К_М является сложным комплексом констант скорости стадий ферментативного процесса.

5. Механизм функционирования ферментативного катализатора на примере гидролитического фермента химотрипсина

Химотрипсин - фермент поджелудочной железы, функция которого в организме заключается в расщеплении белков пищи, т.е. пептидной связи. Кроме этого химотрипсин может катализировать гидролиз сложных эфиров и некоторые другие реакции. Брутто формула химотрипсина, включающего 241 остаток аминокислот, не несет информации о строении: С₁₁₀₅H₁₇₃₂O₃₄₄N₃₀₀S₁₂, также как перечисление количества аминокислотных остатков: аланин₂₂ аргинин₃ аспарагиновая кислота₈ аспарагин₁₄ глутаминовая кислота₃ глутамин₁₀ глицин₂₄ гистидин₂ изолейцин₁₀ лейцин₁₉ лизин₁₄ метионин₂ полуцистин₁₀ пролин₉ серин₂₈ треонин₂₂ триптофан₈ тирозин₄ валин₂₃ фенилаланин₆. Перечисленные аминокислотные остатки соединены в полипептидную цепь в определенной последовательности (первичная структура). Отдельные части полипептидной цепи за счет образования дополнительных связей (см.выше) скручиваются в б-спирали, в-тяжи и петли (вторичная структура). Перечисленные элементы вторичной структуры за счет дополнительных взаимодействий сворачиваются в два домена, в месте соприкосновения которых возникает активный центр фермента, включающий остаток серина (Х - -СН₂ОН ), аспарагиновой кислоты ( Х - -СН₂СОО^-), гистидина.

Механизм реакции гидролиза сложного эфира показан на схеме. 2. При подходе субстрата к активному центру фермента неполярная гидрофобная часть субстрата взаимодействует с гидрофобной частью активного центра, протон от серина переходит на азот гистидина, а протон от второго азота гистидина смещается к аниону остатка аспарагиновой кислоты. Образовавшийся из гидроксильной группы серина сильный нуклеофил - -О атакует электрофильный углерод субстрата, в то время как нуклеофильная часть субстрата взаимодействует с протоном, связанным с гистидином. В результате этих взаимодействий образуется фермент-субстратный комплекс. На следующей стадии рвется связь С-Х в субстрате, уходит молекула НХ, а ее место в активном центре занимает молекула воды. Протон от остатка аспарагиновой кислоты возвращается к второму азоту гистидина. Затем рвется предварительно активированная связь О-Н в молекуле воды (протон связывается с первым азотом гистидина, а гидроксил - с углеродом бывшего субстрата). Протон от второго азота гистидина опять возвращается к остатку аспарагиновой кислоты. И наконец выделяется кислота, место которой занимает новый субстрат или активный центр возвращается в исходное состояние.

фермент белок катализатор

Использованная литература

1. Г. Хенрици-Оливэ С. Оливэ. Химия каталитического гидрирования СО. Москва, Мир, 1987 г.

2. Ф. Басоло, Р. Джонсон. Химия координационных соединений. Москва, Мир, 1966.

3. Под ред. Г. Цейсса. Химия металлоорганических соединений. Москва, Мир, 1964.

4. Э. Фишер, Г. Вернер. р-Комплексы металлов. Москва, Мир, 1968.