Кинетика ферментативных реакций

- Влияние количества субстрата на скорость химической реакции.

Вначале при увеличении концентрации субстрата скорость реакции быстро возрастает, далее прирост скорости замедляется, а затем прекращается (кривая Михаэлиса).

Km - характеризует сродство фермента к субстрату. Чем Km меньше, тем выше сродство фермента к субстрату (на примере глюкокиназы и гексокиназы).

- Влияние количества фермента на скорость химической реакции.

Зависимость прямо пропорциональная, то есть чем больше фермента в клетке, тем больше скорость ферментативной реакции.

- Влияние температуры на скорость химической реакции.

При увеличении температуры до 40ºС скорость ферментативной реакции возрастает (на каждые 10ºС, в 1,5-2 раза). При дальнейшем повышении температуры скорость реакции резко падает, вследствие тепловой денатурации ферментов.

- Влияние pH среды на скорость химической реакции.

Каждый фермент проявляет максимальную активность при оптимальном для него значении pH среды. Оптимум pH для большинства ферментов лежит в нейтральной среде (исключения: для пепсина оптимум pH - 1,5-2, для щелочной фосфатазы - 9-10).

Активирование ферментов может протекать различными путями, например, активность аллостерических ферментов повышается в присутствии положительного модификатора; проферменты активируются путем гидролиза (пепсиноген ® пепсин); некоторые ферменты активируются по принципу ковалентной модификации (фосфорилирование/дефосфорилирование).

Ингибирование ферментов бывает:

1) необратимое – при связывании с ингибитором активность фермента не восстанавливается (например, действие диизопропилфторфосфата на ацетилхолинэстеразу).

2) обратимое – после отделения ингибитора от фермента его активность восстанавливается.

Конкурентное ингибирование – разновидность обратимого. Конкурентный ингибитор похож по структуре на субстрат и способен связываться с активным центром фермента. Степень ингибирования зависит от соотношения концентраций субстрата и ингибитора. При повышении концентрации субстрата можно снять ингибирование. Примеры конкурентных ингибиторов: малонат Na для сукцинатдегидрогеназы; трасилол для трипсина; прозерин для ацетилхолинэстеразы.

Ингибирование по типу обратной связи: продукты реакции ингибируют аллостерический фермент, который находится в начале биохимического процесса, например, холестерин ингибирует ГМГ-редуктазу.

Специфичность действия ферментов определяется уникальным набором радикалов в активном центре и их расположением. Высокоспецифичные ферменты катализируют превращение только одного субстрата, например, аргиназа действует только на аргинин. Более широкий вид специфичности, когда фермент может действовать на несколько различных веществ, например, монооксигеназа в присутствии цитохрома Р450 окисляет множество различных гидрофобных веществ, ксенобиотиков.

Ферменты классифицируют по типу химической реакции на 6 классов.

I – оксидоредуктазы – катализируют окислительно-восстановительные реакции.

II – трансферазы – обеспечивают перенос групп атомов.

III – гидролазы – расщепляют внутримолекулярные связи с участием воды.

IV – лиазы – катализируют разрыв С-О; С-С; С-N и др. связей без участия воды.

V – изомеразы – катализируют реакции изомеризации, например превращение альдозы в кетозу.

VI – лигазы (синтетазы) – катализируют реакции синтеза молекул с участием АТФ.

Номенклатура ферментов – название ферментов.

Рабочее наименование фермента составляется из названия субстрата + тип реакции + окончание «аза», например, лактатдегидрогеназа.

Систематическое название фермента складывается из названия субстратов + тип реакций + окончание «аза», например, L-лактат:НАД-оксидоредуктаза = ЛДГ₅.

Методы определения активности ферментов:

Активность фермента определяется в стандартных (оптимальных) условиях по:

- убыли концентрации исходных субстратов или

- приросту продуктов реакции.

Единицы активности ферментов:

1Е = 1 мкмоль/мин, то есть это такое количество фермента, которое превращает 1 мкмоль субстрата за 1 минуту при оптимальных условиях.

1 катал = 1 моль/сек.

Удельная активность фермента = мкмоль/(мин ´ мг белка).

Медицинская энзимология

Энзимопатология – раздел медицины, изучающий заболевания, связанные с нарушением функционирования ферментов. Различают энзимопатии:

1) первичные (наследственные), например, фенилкетонурия, галактоземия, гликогенозы и др.

2) вторичные (приобретенные), например, снижение активности пепсина при нарушении выработки соляной кислоты в желудке и др.

Энзимодиагностика – определение активности органоспецифичных ферментов в биологических жидкостях (крови, моче и др.) с целью постановки диагноза заболевания, а также использование ферментных препаратов в качестве реактивов при проведении биохимических анализов. Например, при инфаркте миокарда в сыворотке крови увеличивается активность ЛДГ₁, АСТ (аспартатаминотрансфераза), КФК (креатинфосфокиназа, МВ-форма). При поражении поджелудочной железы – амилаза. При заболевании печении – АЛТ (аланинаминотрансфераза).

Энзимотерапия – использование в лечебных целях ферментов и лекарственных средств, влияющих на активность ферментов. Например, пепсин, трипсин применяют для лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта; коллагеназу, гиалуронидазу - для обработки ран с интенсивным воспалением с целью предотвращения келоидных рубцов.