Ֆերմենտային ռեակցիաների կինետիկա. Ֆերմենտային ռեակցիաների արագության կախվածությունը սուբստրատների, ֆերմենտների, ջերմաստիճանի կոնցենտրացիայից:Ո՞րն է ֆերմենտային ռեակցիայի հաջորդականությունը:

Ֆերմենտային ռեակցիաների արագությունը կախված է ենթաօրենսդրության կոնցենտրացիայից.

շերտ Այս կախվածությունը բարդ է, որը որոշ ֆերմենտների համար նկարագրվում է պարաբոլիկ կորով (նկ. 29):

Նկար 29 – Ֆերմենտային ռեակցիայի արագության կախվածությունը

ենթաշերտի կոնցենտրացիայի վրա

Կախվածության պարաբոլիկ բնույթը բացատրվում է նրանով, որ երբ ֆերմենտը փոխազդում է սուբստրատի հետ, ձևավորվում է ֆերմենտ-սուբստրատ բարդույթ։ Սկզբում, երբ սուբստրատի կոնցենտրացիան մեծանում է, ռեակցիոն խառնուրդում մեծանում է ֆերմենտ-սուբստրատ կոմպլեքսների կոնցենտրացիան, որն արտահայտվում է ռեակցիայի արագության զուգահեռ աճով։ Սուբստրատի որոշակի կոնցենտրացիայի դեպքում (հագեցում) տեղի է ունենում ռեակցիայի խառնուրդում ֆերմենտային մոլեկուլների բոլոր ակտիվ կենտրոնների մի տեսակ «հագեցվածություն»: Հագեցման կոնցենտրացիայի դեպքում ֆերմենտային ռեակցիայի արագությունը դառնում է առավելագույնը: Ռեակցիոն խառնուրդում սուբստրատի պարունակության հետագա աճով այն չի փոխվում:

Սուբստրատի կոնցենտրացիայից ֆերմենտային ռեակցիայի արագության կախվածության գրաֆիկից հաշվարկվում են երկու կարևոր ցուցանիշ.

1. Առավելագույն ռեակցիայի արագությունը (Վառավելագույնը): Այն սահմանվում է որպես ռեակցիայի արագություն սուբստրատի հագեցման կոնցենտրացիայի ժամանակ: Առավելագույն արագության արժեքը արտացոլում է ֆերմենտի կատալիտիկ հզորությունը: Ավելի մեծ ֆերմենտներ Վ max ավելի հզոր կատալիզատորներ են: Նրանք կատալիզացնում են ավելի մեծ թվով սուբստրատի մոլեկուլների փոխակերպումը մեկ միավոր ժամանակում։ Առավելագույն արագությունն արտահայտվում է ֆերմենտի պտույտների քանակով։ Շրջանառության թիվը գնահատվում է սուբստրատի մոլեկուլների քանակով, որոնք փոխակերպվում են ֆերմենտի կողմից մեկ միավորի ժամանակ (s -1): Ֆերմենտների մեծ մասի համար շրջանառության թիվը 10 4-ի սահմաններում է: Միաժամանակ կան ֆերմենտներ, որոնց համար արագությունզգալիորեն ավելի շատ (600,000 կարբանհիդրազի համար) կամ պակաս այս արժեքից (100 քիմոտրիպսինի համար):

2. Միքայելի հաստատուն (TOմ). Միքայելիսի հաստատունը սուբստրատի կոնցենտրացիան է, որի դեպքում ռեակցիայի արագությունը կես առավելագույնն է: Մեծություն TOմ-ն արտացոլում է ֆերմենտի կապը սուբստրատի նկատմամբ: Որքան մեծ է այս արժեքը, այնքան ավելի քիչ կապ ունի ֆերմենտը սուբստրատի նկատմամբ: TO m-ն արտահայտվում է սուբստրատի մոլերով։ Այսպիսով, արժեքը TOմ գլյուկոզայի նկատմամբ գլյուկոկինազա ֆերմենտի համար 10 մմոլ է, իսկ հեքսոկինազի համար՝ 0,01 մմոլ։ Հեքսոկինազը գլյուկոզայի նկատմամբ ավելի մեծ կապ է ցուցաբերում, քան գլյուկոկինազը; նույն սուբստրատի կոնցենտրացիայի դեպքում այն ​​կատալիզացնում է գլյուկոզայի ֆոսֆորիլացումը ավելի բարձր արագությամբ:

Հիմնվելով սուբստրատի կոնցենտրացիայից ֆերմենտային ռեակցիայի արագության կախվածության կորի մաթեմատիկական վերլուծության վրա՝ Լ. Միքայելիսը և Մ. Մենտենը (1913) ստացան մի բանաձև, որը թույլ է տալիս գնահատել ռեակցիայի արագության միջև կապը. առավելագույն փոխարժեքը և Միքայելի հաստատունը: Ներկայումս այն սահմանվում է որպես Միքայելիս–Մենտենի հավասարում։

Վ o = Վառավելագույնը [ Ս]/Կ m + [ Ս],

Որտեղ Վ o - ռեակցիայի արագությունը, Ս- սուբստրատի կոնցենտրացիան.

Ֆերմենտների ընդհանուր հատկությունները

Չնայած կառուցվածքի, ֆունկցիայի և ներբջջային տեղայնացման որոշակի տարբերությունների առկայությանը, ֆերմենտները բնութագրվում են մի շարք ընդհանուր հատկություններով. Դրանք ներառում են իրենց կատալիտիկ ակտիվության դրսևորման կախվածությունը շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանից (ջերմային կայունություն) և pH-ից, ինչպես նաև սուբստրատի առանձնահատկությունից:

Ֆերմենտների բնորոշ հատկությունն է ջերմակայունություն. Այս երևույթը կարելի է պատկերել ֆերմենտային ռեակցիայի արագության գրաֆիկով՝ ռեակցիայի խառնուրդի ջերմաստիճանի համեմատ (նկ. 30):

Նկար 30 – Ֆերմենտային ռեակցիայի արագության կախվածությունը ջերմաստիճանից

ռեակցիայի միջավայր ( տ opt - օպտիմալ ջերմաստիճան; Վ- արագության ռեակցիա)

Ինչպես երևում է ներկայացված գրաֆիկից, 4 o C-ին մոտ ջերմաստիճանում ֆերմենտային ռեակցիաներ գործնականում չեն առաջանում։ Այդ իսկ պատճառով, կենսաքիմիական ուսումնասիրություններ անցկացնելուց առաջ կենսաբանական առարկաները կարող են որոշ ժամանակ պահել սառը վիճակում։ Հենց ցուրտը թույլ է տալիս սննդամթերքը պահպանել ավտոլիզից (ինքնամարսողություն):

Ջերմաստիճանի բարձրացումը ուղեկցվում է ֆերմենտային ռեակցիայի արագության բարձրացմամբ։ Դրա պատճառը սուբստրատի և ֆերմենտի մոլեկուլների կինետիկ էներգիայի ավելացումն է, ինչը մեծացնում է նրանց միջև փոխազդեցության արագությունը։ Նմանատիպ երևույթ նկատվում է մինչև ֆերմենտի ջերմաստիճանի օպտիմալ ջերմաստիճանին համապատասխանող ջերմաստիճան։ Ֆերմենտի օպտիմալ ջերմաստիճանըհամապատասխանում է այն ջերմաստիճանին, որի դեպքում ֆերմենտային ռեակցիայի արագությունը առավելագույնն է: Տաք արյուն ունեցող կենդանիների ֆերմենտների համար այն սովորաբար 28 o C կամ 37 o C է:

Ռեակցիոն խառնուրդի ջերմաստիճանի հետագա բարձրացումը հանգեցնում է ֆերմենտային ռեակցիայի արագության աստիճանական նվազմանը: Այս երեւույթը պայմանավորված է սպիտակուցի պոլիպեպտիդ շղթայի ջերմային դենատուրացիայի գործընթացով։ Դենատուրացիան ուղեկցվում է ֆերմենտի ակտիվ կենտրոնի կառուցվածքի փոփոխությամբ, ինչը հանգեցնում է սուբստրատի նկատմամբ ֆերմենտի մերձեցման նվազմանը։ 55 o C-ից բարձր ջերմաստիճանի դեպքում ֆերմենտների մեծ մասն ամբողջությամբ կորցնում է իրենց կատալիտիկ հատկությունները (անակտիվացված): Այս առումով 55–56 o C ջեռուցումը լայնորեն կիրառվում է պաստերիզացման ընթացակարգի համար, ինչը մեծացնում է սննդամթերքի (կաթ և այլն) պահպանման ժամկետը։

Շրջակա միջավայրի pH-ը մեծ ազդեցություն ունի ֆերմենտային ռեակցիայի արագության վրա։ Ինչպես երևում է ցույց տրված նկարից. 31 գրաֆիկը, այն իր ձևով նման է ջերմաստիճանից ֆերմենտային ռեակցիայի արագության կախվածության գրաֆիկին:

Նկար 31 – Արագության կախվածություն ( Վ) ֆերմենտային ռեակցիա

շրջակա միջավայրի pH-ի վրա (pH opt – ֆերմենտի pH օպտիմալ)

Ծայրահեղ pH արժեքներում ֆերմենտային ռեակցիայի արագության կտրուկ նվազումը կապված է թթուների և ալկալիների ազդեցության տակ սպիտակուցի մոլեկուլի պոլիպեպտիդային շղթայի դենատուրացիայի երևույթի հետ: Ֆերմենտը առավելագույն կատալիտիկ հզորություն է ցուցաբերում pH արժեքով, որը որոշվում է տերմինով pH օպտիմալֆերմենտ. Հայտնի ֆերմենտների մեծ մասը ունեն օպտիմալ pH 5,0-ից 7,5 միջակայքում: Միևնույն ժամանակ, կան բազմաթիվ ֆերմենտների օրինակներ, որոնցում pH-ի օպտիմալ արժեքը տեղափոխվում է թթվային կամ ալկալային pH արժեքների շրջան: Այս ֆերմենտները ներառում են.

Ֆերմենտային ռեակցիաների արագության pH-ից կախվածության գոյության պատճառը պայմանավորված է նրանով, որ միջավայրի pH արժեքը ընդգծված ազդեցություն ունի սուբստրատի ֆունկցիոնալ խմբերի իոնացման աստիճանի վրա։ Սուկինինաթթվի մոլեկուլի իոնացման առանձնահատկությունները շրջակա միջավայրի տարբեր թթվայնության դեպքում (pH).

Միևնույն ժամանակ, շրջակա միջավայրի pH-ն ազդում է նաև ամինաթթուների ռադիկալների իոնացման աստիճանի վրա, որոնք կազմում են ֆերմենտի ակտիվ կենտրոնը.

Եթե ​​ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրի առաջացումը կայունանում է էլեկտրաստատիկ փոխազդեցությունների շնորհիվ, ապա պարզ է դառնում pH-ի դերը ֆերմենտային ռեակցիայի ընթացքի համար օպտիմալ պայմաններ ապահովելու գործում (նկ. 24):

Ֆերմենտների կողմից կատալիզացված ռեակցիաների արագությունը, որոնց փոխազդեցության դեպքում սուբստրատների հետ էլեկտրաստատիկ փոխազդեցությունները նշանակալի չեն, փոքր չափով կախված է միջավայրի pH-ից։ Նկ. Նկար 32-ը ցույց է տալիս պապաինի կողմից սպիտակուցի հիդրոլիզի արագության կախվածությունը: Այս ֆերմենտի սուբստրատի հետ փոխազդեցության դեպքում առաջնային նշանակություն են ստանում հիդրոֆոբ փոխազդեցությունները։ Ինչպես երևում է ներկայացված գրաֆիկից, պապաինը սովորաբար չունի հստակ սահմանված pH օպտիմալ:

Նկար 32 - pH-ի ազդեցությունը պապաինի կողմից սպիտակուցի հիդրոլիզի արագության վրա:

Ֆերմենտները ունեն որոշակի կոնկրետությունսուբստրատների վերաբերյալ. Կոնկրետությունը վերաբերում է ֆերմենտների ունակությանը կատալիզացնելու կառուցվածքով նման սուբստրատների մեկ կամ խմբի փոխակերպումը: Կան ֆերմենտների առանձնահատկությունների մի քանի տեսակներ.

· Բացարձակ կոնկրետություն.Այն վերաբերում է ֆերմենտի կարողությանը կատալիզացնելու միայն մեկ սուբստրատի փոխակերպումը: Բացարձակ առանձնահատկություն ունեցող ֆերմենտները ներառում են արգինազ, ուրիկազի սահմանափակող ֆերմենտներ և այլն:

· Հարաբերական առանձնահատկություն. Դա նշանակում է ֆերմենտի ունակություն՝ կատալիզացնելու կառուցվածքով համանման սուբստրատների խմբի փոխակերպումը (այսպես կոչված պրոտեոլիտիկ ֆերմենտները հիդրոլիզացնում են տարբեր սպիտակուցներ, գլիցերինի լիպազային էսթեր և բարձր ճարպաթթուներ, հեքսոկինազ ֆոսֆորիլացնում տարբեր մոնոսաքարիդներ): Այս դեպքում սպեցիֆիկությունը որոշվում է նրանով, որ ֆերմենտը ազդում է միայն որոշակի տեսակի կապի վրա (պրոտեոլիտիկ ֆերմենտները հիդրոլիզացնում են պեպտիդային կապը, լիպազը՝ էսթերային կապը և այլն)։

· Ստերեոսպեցիֆիկություն . Այս տերմինը վերաբերում է սուբստրատի մեկ ստերեոիզոմերի փոխակերպումը կատալիզացնելու ֆերմենտի կարողությանը: Այսպիսով, մոնոսաքարիդների փոխակերպման մեջ ներգրավված ֆերմենտները իրենց յուրահատկություն են ցուցաբերում Դ-ստերեոիզոմերներ և ամինաթթուների փոխակերպման մեջ ներգրավված ֆերմենտներ՝ դրանց Լ-ստերեոիզոմերներ.

Ֆերմենտային ակտիվություն

Ֆերմենտների՝ որպես կատալիզատորների առանձնահատկությունն այն է, որ տարբեր արտաքին գործոնների ազդեցության տակ նրանք ունակ են փոխել իրենց կատալիտիկ հատկությունները։ Ֆերմենտների կատալիտիկ գործողության ուժի չափանիշը նրանց գործունեություն. Ֆերմենտների՝ տարբեր պայմաններում իրենց ակտիվությունը փոխելու ունակությունը կենսաբանական մեծ իմաստ ունի։ Այս հատկությունը կենդանի բջիջին թույլ է տալիս հարմարեցնել նյութափոխանակության պրոցեսների վիճակը բջիջների անմիջական կարիքներին, որոնք կարող են զգալիորեն փոխվել տարբեր արտաքին գործոնների ազդեցության տակ:

Նրանց բնութագրման մեջ կարևոր դեր է խաղում ֆերմենտային ակտիվության որոշումը։ Կան ֆերմենտների ակտիվության քանակական որոշման մի քանի ընդհանուր սկզբունքներ: Ֆերմենտային ակտիվությունը կարող է որոշվել հետևյալ կերպ.

· կամ ռեակցիոն խառնուրդում կուտակման արագությամբ, որտեղ գտնվում է ռեակցիայի արտադրանքի ֆերմենտը.

· կամ ռեակցիայի խառնուրդից ֆերմենտային ռեակցիայի սուբստրատի անհետացման արագությամբ:

Այս երկու մոտեցումներն էլ համարժեք են և կարող են կիրառվել գործնականում: Այնուամենայնիվ, ֆերմենտի ակտիվությունը որոշելիս պետք է պահպանվեն հետևյալ պայմանները.

· ջերմաստիճանը պետք է համապատասխանի ֆերմենտի ջերմաստիճանի օպտիմալին.

· միջավայրի pH-ը պետք է համապատասխանի այս ֆերմենտի pH օպտիմալին.

· Ենթաշերտի կոնցենտրացիան պետք է լինի ոչ պակաս, քան հագեցնողը.

· Կոֆակտորներ պետք է առկա լինեն, եթե այս ֆերմենտը որևէ առկա է.

Պետք է ներկա լինեն ֆերմենտային ակտիվացնողներ:

Այսպիսով, ֆերմենտի ակտիվությունը որոշվում է օպտիմալ պայմաններում։ Այս պայմաններում ֆերմենտի ակտիվությունը համաչափ է փորձանմուշում դրա պարունակությանը և, հետևաբար, կարող է օգտագործվել նրա կոնցենտրացիան անուղղակի գնահատելու համար:

Ֆերմենտային ակտիվությունը քանակապես արտահայտվում է գործունեության միավորներ. Ֆերմենտային ակտիվության մեկ միավորը (U) ֆերմենտային ակտիվությունն է, որի ազդեցության տակ րոպեում ձևավորվում է ռեակցիայի արտադրանքի 1 մկմոլ (կամ անհետանում է սուբստրատի 1 մկմոլը):. SI համակարգում ֆերմենտային ակտիվության միավորը կատալն է (կատ): 1 կատալը համապատասխանում է ֆերմենտի ակտիվությանը, որի ժամանակ մեկ վայրկյանում առաջանում է ռեակցիայի արտադրանքի մեկ մոլ (մեկ մոլ սուբստրատ անհետանում է):

Հատուկ ակտիվության արժեքը նույնպես օգտագործվում է ֆերմենտները բնութագրելու համար: Այս միավորը արտացոլում է ֆերմենտի ակտիվությունը մեկ միավորի զանգվածի վրա և արտահայտվում է մկմոլ/րոպե մգ սպիտակուցով: Ֆերմենտային պատրաստուկների մաքրությունը գնահատելու համար օգտագործվում են հատուկ ակտիվության միավորներ: Որքան բարձր է հատուկ ակտիվությունը, այնքան ավելի մաքուր է ֆերմենտի պատրաստումը:

Ֆերմենտների կինետիկան ուսումնասիրում է տարբեր գործոնների (S և E կոնցենտրացիաներ, pH, ջերմաստիճան, ճնշում, արգելակիչներ և ակտիվացնողներ) ազդեցությունը ֆերմենտային ռեակցիաների արագության վրա։ Ֆերմենտային ռեակցիաների կինետիկայի ուսումնասիրության հիմնական նպատակը տեղեկատվություն ստանալն է, որը թույլ է տալիս ավելի խորը հասկանալ ֆերմենտների գործողության մեխանիզմը։

Կինետիկ կոր թույլ է տալիս որոշել սկզբնական ռեակցիայի արագությունը V 0:

Ենթաշերտի հագեցվածության կորը:

Ռեակցիայի արագության կախվածությունը ֆերմենտի կոնցենտրացիայից:

Ռեակցիայի արագության կախվածությունը ջերմաստիճանից:

Ռեակցիայի արագության կախվածությունը pH-ից:

Ֆերմենտների մեծ մասի գործողության համար օպտիմալ pH-ը գտնվում է 6.0-8.0 ֆիզիոլոգիական միջակայքում: Պեպսինը ակտիվ է pH 1,5-2,0 մակարդակում, որը համապատասխանում է ստամոքսահյութի թթվայնությանը։ Արգինազը, որը լյարդի հատուկ ֆերմենտ է, ակտիվ է 10.0-ում: pH-ի ազդեցությունը ֆերմենտային ռեակցիայի արագության վրա կապված է ֆերմենտում և սուբստրատի մոլեկուլներում իոնոգեն խմբերի իոնացման վիճակի և աստիճանի հետ: Այս գործոնը որոշում է սպիտակուցի կոնֆորմացիան, ակտիվ կենտրոնի և սուբստրատի վիճակը, ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրի ձևավորումը և բուն կատալիզացման գործընթացը։

Ենթաշերտի հագեցվածության կորի մաթեմատիկական նկարագրությունը, Michaelis հաստատունը .

Ենթաշերտի հագեցվածության կորը նկարագրող հավասարումն առաջարկվել է Միքայելիսի և Մենթոնի կողմից և կրում է նրանց անունները (Michaelis-Menten հավասարում). Վ = (Վ ՄԱՔՍ *[ Ս])/(կմ+[ Ս]) , որտեղ Km-ը Միքայելիսի հաստատունն է։ Հեշտ է հաշվարկել, որ երբ V = V MAX /2 Km = [S], այսինքն. Km-ը ենթաշերտի կոնցենտրացիան է, որի դեպքում ռեակցիայի արագությունը ½ V MAX է: V MAX-ի և Km-ի որոշումը պարզեցնելու համար Միքայելիս-Մենտենի հավասարումը կարող է վերահաշվարկվել։ 1/V = (Km+[S])/(V ՄԱՔՍ *[S]), 1/V = կմ/(Վ ՄԱՔՍ *[S]) + 1/V ՄԱՔՍ ,

1/ Վ = կմ/ Վ ՄԱՔՍ *1/[ Ս] + 1/ Վ ՄԱՔՍ Lineweaver-Burk հավասարումը. Lineweaver-Burk գծապատկերը նկարագրող հավասարումը ուղիղ գծի հավասարումն է (y = mx + c), որտեղ 1/V MAX-ը ուղիղ գծի հատումն է y առանցքի վրա; Km/V MAX - ուղիղ գծի շոշափող; ուղիղ գծի հատումը աբսցիսային առանցքի հետ տալիս է 1/կմ արժեքը։ Lineweaver-Burk սյուժեն թույլ է տալիս համեմատաբար փոքր թվով կետերից որոշել Km-ը: Այս գրաֆիկը օգտագործվում է նաև ինհիբիտորների ազդեցությունը գնահատելիս, ինչպես կքննարկվի ստորև: Km-ի արժեքը շատ տարբեր է՝ 10 -6 մոլ/լ շատ ակտիվ ֆերմենտների դեպքում մինչև 10 -2 ցածր ակտիվ ֆերմենտների համար:

Կմ հաշվարկները գործնական արժեք ունեն: Կմ-ից 100 անգամ մեծ սուբստրատի կոնցենտրացիաների դեպքում ֆերմենտը կգործի մոտ առավելագույն արագությամբ, ուստի առավելագույն արագությունը V MAX կարտացոլի առկա ակտիվ ֆերմենտի քանակը: Այս հանգամանքն օգտագործվում է պատրաստուկում ֆերմենտի պարունակությունը գնահատելու համար։ Բացի այդ, Km-ը ֆերմենտի հատկանիշ է, որն օգտագործվում է ֆերմենտների ախտորոշման համար:

Ֆերմենտների ակտիվության արգելակում.

Ֆերմենտների չափազանց բնորոշ և կարևոր հատկանիշը նրանց ապաակտիվացումն է որոշակի ինհիբիտորների ազդեցության տակ:

Ինհիբիտորներ - սրանք նյութեր են, որոնք առաջացնում են ֆերմենտների կողմից կատալիզացված ռեակցիաների մասնակի կամ ամբողջական արգելակում:

Ֆերմենտային ակտիվության արգելակումը կարող է լինել անշրջելի կամ շրջելի, մրցակցային կամ ոչ մրցակցային:

Անդառնալի արգելակում - սա ֆերմենտի մշտական ​​ինակտիվացում է, որն առաջանում է արգելակիչ մոլեկուլի կովալենտային կապի հետևանքով ակտիվ վայրում կամ մեկ այլ հատուկ կենտրոնում, որը փոխում է ֆերմենտի կոնֆորմացիան: Նման կայուն բարդույթների տարանջատումը ազատ ֆերմենտի ռեգեներացիայի հետ գործնականում բացառված է։ Նման արգելակման հետևանքները հաղթահարելու համար մարմինը պետք է սինթեզի նոր ֆերմենտային մոլեկուլներ։

Հետադարձելի արգելակում - բնութագրվում է ոչ կովալենտային կապերի պատճառով ինհիբիտորի հավասարակշռված կոմպլեքսացիայով ֆերմենտի հետ, որի արդյունքում նման բարդույթներն ունակ են տարանջատվել ֆերմենտային ակտիվության վերականգնման հետ:

Ինհիբիտորների դասակարգումը մրցակցային և ոչ մրցակցային հիմնված է այն բանի վրա, թե արդյոք դրանք թուլացել են ( մրցակցային արգելակում ) թե ոչ թուլացած ( ոչ մրցակցային արգելակում ) նրանց արգելակող ազդեցությունը, երբ սուբստրատի կոնցենտրացիան մեծանում է:

Մրցակցային արգելակիչներ - սրանք, որպես կանոն, միացություններ են, որոնց կառուցվածքը նման է ենթաշերտի կառուցվածքին: Սա թույլ է տալիս նրանց միանալ նույն ակտիվ վայրում, ինչ սուբստրատները՝ կանխելով ֆերմենտի փոխազդեցությունը սուբստրատի հետ արդեն կապման փուլում: Կապակցվելուց հետո արգելակիչը կարող է վերածվել արտադրանքի կամ մնալ ակտիվ վայրում մինչև տարանջատումը:

Հետադարձելի մրցակցային արգելակում կարող է ներկայացվել որպես դիագրամ.

E↔ E-I → E + P 1

S (ոչ ակտիվ)

Ֆերմենտի արգելակման աստիճանը որոշվում է սուբստրատի և ֆերմենտի կոնցենտրացիաների հարաբերակցությամբ:

Այս տեսակի արգելակման դասական օրինակ է մալատի կողմից սուկցինատդեհիդրոգենազի (SDH) ակտիվության արգելակումը, որը սուկցինատը տեղահանում է սուբստրատի տեղանքից և կանխում դրա վերածումը ֆումարատի.

Ինհիբիտորի կովալենտային կապը ակտիվ տեղամասի հետ հանգեցնում է ֆերմենտի ինակտիվացման (անշրջելի արգելակում): Օրինակ անդառնալի մրցակցային արգելակում կարող է ծառայել որպես տրիոսեֆոսֆատ իզոմերազի ապաակտիվացում 3-քլորացետոլ ֆոսֆատով: Այս ինհիբիտորը սուբստրատի՝ դիհիդրոքսյացետոն ֆոսֆատի կառուցվածքային անալոգն է և անդառնալիորեն կապվում է ակտիվ վայրում գտնվող գլուտամինաթթվի մնացորդի հետ.

Որոշ ինհիբիտորներ գործում են ավելի քիչ ընտրողաբար՝ փոխազդելով տարբեր ֆերմենտների ակտիվ վայրում հատուկ ֆունկցիոնալ խմբի հետ։ Այսպիսով, յոդոացետատի կամ դրա ամիդի միացումը ամինաթթվի ցիստեինի SH խմբին, որը գտնվում է ֆերմենտի ակտիվ կենտրոնում և մասնակցում է կատալիզացմանը, հանգեցնում է ֆերմենտի գործունեության ամբողջական կորստի.

R-SH + JCH 2 COOH → HJ + R-S-CH 2 COOH

Հետևաբար, այս ինհիբիտորներն ապաակտիվացնում են բոլոր ֆերմենտները, որոնք ունեն SH խմբեր, որոնք ներգրավված են կատալիզում:

Հիդրոլազների անդառնալի արգելակումը նյարդային գազերի (սարին, սոման) ազդեցությամբ պայմանավորված է ակտիվ կենտրոնում գտնվող սերինի մնացորդի հետ դրանց կովալենտային կապով։

Մրցակցային արգելակման մեթոդը լայն կիրառություն է գտել բժշկական պրակտիկայում։ Սուլֆոնամիդային դեղամիջոցները՝ p-aminobenzoic թթվի անտագոնիստները, կարող են ծառայել որպես մետաբոլիզացված մրցակցային ինհիբիտորների օրինակ։ Նրանք կապվում են դիհիդրոպտերատ սինթետազի հետ՝ բակտերիալ ֆերմենտի, որը p-aminobenzoate-ը վերածում է ֆոլաթթվի, որն անհրաժեշտ է բակտերիաների աճի համար։ Մանրէը մահանում է այն բանի հետևանքով, որ կապված սուլֆանիլամիդը վերածվում է այլ միացության և ֆոլաթթու չի առաջանում։

Ոչ մրցակցային արգելակիչներ սովորաբար կապվում է ֆերմենտի մոլեկուլին սուբստրատի կապակցման վայրից տարբեր տեղամասում, և սուբստրատն ուղղակիորեն չի մրցակցում արգելակողի հետ: Քանի որ արգելակիչը և սուբստրատը կապվում են տարբեր կենտրոնների հետ, հնարավոր է և՛ E-I համալիրի, և՛ S-E-I համալիրի ձևավորումը: S-E-I համալիրը նույնպես քայքայվում է՝ ձևավորելով արտադրանք, բայց ավելի դանդաղ արագությամբ, քան E-S-ը, ուստի ռեակցիան կդանդաղի, բայց չի դադարի: Այսպիսով, կարող են առաջանալ հետևյալ զուգահեռ ռեակցիաները.

E↔ E-I ↔ S-E-I → E-I + P

Հետադարձելի ոչ մրցակցային արգելակումը համեմատաբար հազվադեպ է:

Ոչ մրցակցային արգելակիչները կոչվում են ալոստերիկ ի տարբերություն մրցակցային ( իզոստերիկ ).

Հետադարձելի արգելակումը կարող է քանակապես ուսումնասիրվել՝ օգտագործելով Michaelis-Menten հավասարումը:

Մրցակցային արգելակման դեպքում V MAX-ը մնում է հաստատուն, իսկ կմ-ն ավելանում է:

Ոչ մրցակցային արգելակման դեպքում V MAX-ը նվազում է, մինչդեռ Km-ը մնում է անփոփոխ:

Եթե ​​ռեակցիայի արտադրանքը արգելակում է դրա ձևավորումը կատալիզացնող ֆերմենտը, արգելակման այս մեթոդը կոչվում է. ռետրոինհիբացիա կամ հետադարձ կապի արգելակում . Օրինակ, գլյուկոզան արգելակում է գլյուկոզա-6-ֆոսֆատազը, որը կատալիզացնում է գլյուկոզա-6-ֆոսֆատի հիդրոլիզը։

Այս արգելակման կենսաբանական նշանակությունը որոշակի նյութափոխանակության ուղիների կարգավորումն է (տե՛ս հաջորդ դասը):

ԳՈՐԾՆԱԿԱՆ ՄԱՍ

Առաջադրանք ուսանողների համար

1. Ուսումնասիրել սպիտակուցների դենատուրացիան հանքային և օրգանական թթուների լուծույթների ազդեցության տակ և տաքացնելիս:

2. Խմորիչի մեջ հայտնաբերել կոենզիմ NAD:

3. Որոշել ամիլազի ակտիվությունը մեզի մեջ (արյան շիճուկ):

9. ԽՆԴԻՐՆԵՐԻ ՊԱՏԱՍԽԱՆՆԵՐԻ ՍՏԱՆԴԱՐՏՆԵՐ, թեստային հարցեր, որոնք օգտագործվում են դասարանում գիտելիքները վերահսկելու համար (կարող է օգտագործվել որպես հավելված)

10. ԹԵՄԱՅԻ ՇՈՒՐՋ ՀՆԱՐԱՎՈՐ ՈՒՍՈՒՄՆԱԿԱՆ ԵՎ ՀԵՏԱԶՈՏԱԿԱՆ ԱՇԽԱՏԱՆՔԻ ԲՆՈՒՅԹԸ ԵՎ ՇՐՋԱՆԱԿԸ.

(Նշեք հատկապես UIRS-ի բնույթն ու ձևը. վերացական ներկայացումների պատրաստում, անկախ հետազոտությունների անցկացում, սիմուլյացիոն խաղեր, բժշկական պատմության պատրաստում մենագրության գրականության և այլ ձևերի միջոցով)

Ֆերմենտների կինետիկան ուսումնասիրում է ֆերմենտների կողմից կատալիզացված ռեակցիաների արագությունը՝ կախված սուբստրատի հետ դրանց փոխազդեցության տարբեր պայմաններից (կոնցենտրացիան, ջերմաստիճանը, pH և այլն):

Այնուամենայնիվ, ֆերմենտները սպիտակուցներ են, որոնք զգայուն են տարբեր արտաքին ազդեցությունների ազդեցության նկատմամբ: Հետևաբար, ֆերմենտային ռեակցիաների արագությունն ուսումնասիրելիս նրանք հիմնականում հաշվի են առնում արձագանքող նյութերի կոնցենտրացիաները և փորձում են նվազագույնի հասցնել ջերմաստիճանի, միջավայրի pH-ի, ակտիվացնողների, արգելակիչների և այլ գործոնների ազդեցությունը և ստեղծել ստանդարտ պայմաններ: Նախ, սա միջավայրի pH արժեքն է, որն օպտիմալ է տվյալ ֆերմենտի համար: Երկրորդ, հնարավորության դեպքում խորհուրդ է տրվում պահպանել 25°C ջերմաստիճան: Երրորդ, ձեռք է բերվում ֆերմենտի ամբողջական հագեցվածությունը սուբստրատով: Այս կետը հատկապես կարևոր է, քանի որ սուբստրատի ցածր կոնցենտրացիաների դեպքում ոչ բոլոր ֆերմենտային մոլեկուլներն են մասնակցում ռեակցիային (նկ. 6.5, Ա), ինչը նշանակում է, որ արդյունքը հեռու կլինի հնարավոր առավելագույնից։ Կատալիզացված ռեակցիայի ամենամեծ հզորությունը, այլ հավասար բաների դեպքում, ձեռք է բերվում, եթե յուրաքանչյուր ֆերմենտի մոլեկուլ մասնակցում է փոխակերպմանը, այսինքն. ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրի բարձր կոնցենտրացիայի դեպքում (նկ. 6.5, V).Եթե ​​սուբստրատի կոնցենտրացիան չի ապահովում ֆերմենտի ամբողջական հագեցվածությունը (նկ. 6.5, բ), ապա ռեակցիայի արագությունը չի հասնում իր առավելագույն արժեքին։

Բրինձ. 65.

Ա -ենթաշերտի ցածր կոնցենտրացիայի դեպքում; 6 - ենթաշերտի անբավարար կոնցենտրացիայով; V -երբ ֆերմենտը լիովին հագեցած է սուբստրատով

Վերոնշյալ պայմաններում չափված ֆերմենտային ռեակցիայի արագությունը և ֆերմենտի ամբողջական հագեցվածությունը սուբստրատով կոչվում են. ֆերմենտային ռեակցիայի առավելագույն արագությունը (V).

Ֆերմենտային ռեակցիայի արագությունը, որը որոշվում է, երբ ֆերմենտը լիովին հագեցած չէ սուբստրատով, նշվում է. v.

Ֆերմենտների կատալիզը կարելի է պարզեցնել հետևյալ գծապատկերով.

որտեղ F-ը ֆերմենտ է; S - սուբստրատ; FS - enzyme-substrate համալիր:

Այս գործընթացի յուրաքանչյուր փուլը բնութագրվում է որոշակի արագությամբ: Ֆերմենտային ռեակցիայի արագության չափման միավորը ժամանակի մեկ միավորում փոխարկվող սուբստրատի մոլերի թիվն է(նույնը, ինչ նորմալ ռեակցիայի արագությունը):

Ֆերմենտի փոխազդեցությունը սուբստրատի հետ հանգեցնում է ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրի առաջացմանը, սակայն այս գործընթացը շրջելի է։ Առաջադիմական և հակադարձ ռեակցիաների արագությունները կախված են ռեակտիվների կոնցենտրացիաներից և նկարագրվում են համապատասխան հավասարումներով.

Հավասարակշռության դեպքում (6.3) հավասարումը վավեր է, քանի որ առաջընթաց և հակադարձ ռեակցիաների արագությունները հավասար են:

Փոխարինելով առաջ (6.1) և հակադարձ (6.2) ռեակցիաների արագության արժեքները (6.3), մենք ստանում ենք հավասարություն.

Հավասարակշռության վիճակը բնութագրվում է համապատասխան հավասարակշռության հաստատուն K p,հավասար է առաջադիմական և հակադարձ ռեակցիաների հաստատունների հարաբերակցությանը (6.5): Հավասարակշռության հաստատունի փոխադարձը կոչվում է ենթաշերտի հաստատուն Ks,կամ ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրի տարանջատման հաստատունը.

(6.6) հավասարումից պարզ է դառնում, որ սուբստրատի հաստատունը նվազում է ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրի բարձր կոնցենտրացիաների դեպքում, այսինքն. մեծ կայունությամբ։ Հետևաբար, սուբստրատի հաստատունը բնութագրում է ֆերմենտի և սուբստրատի մերձեցումը և արագության հաստատունների հարաբերակցությունը ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրի ձևավորման և տարանջատման համար:

Սուբստրատով ֆերմենտային հագեցվածության ֆենոմենն ուսումնասիրվել է Լեոնոր Միքայելիսի և Մոդ Մեպտենի կողմից։ Արդյունքների մաթեմատիկական մշակման հիման վրա նրանք ստացան (6.7) հավասարումը, որը ստացավ իրենց անունները, որից պարզ է դառնում, որ սուբստրատի բարձր կոնցենտրացիայի և սուբստրատի հաստատունի ցածր արժեքի դեպքում ֆերմենտային ռեակցիայի արագությունը ձգտում է առավելագույնին. . Այնուամենայնիվ, այս հավասարումը սահմանափակ է, քանի որ այն հաշվի չի առնում բոլոր պարամետրերը.

Ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրը ռեակցիայի ընթացքում կարող է փոխակերպումներ ենթարկվել տարբեր ուղղություններով.

• տարանջատվել հիմնական նյութերի;
• վերածվել արտադրանքի, որից ֆերմենտը առանձնացված է անփոփոխ:

Հետեւաբար, նկարագրելու ֆերմենտային գործընթացի ընդհանուր գործողությունը, հայեցակարգը Միքայելի հաստատուններ Kt,որն արտահայտում է ֆերմենտային կատալիզի բոլոր երեք ռեակցիաների արագության հաստատունների հարաբերությունը (6.8): Եթե ​​երկու անդամներն էլ բաժանվում են ռեակցիայի արագության հաստատունով ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրի ձևավորման համար, մենք ստանում ենք արտահայտություն (6.9).

Կարևոր հետևանքը հետևում է (6.9) հավասարումից. Միքայելիսի հաստատունը միշտ ավելի մեծ է, քան ենթաշերտի հաստատունը քանակով. k 2 /k v

Թվային առումով Կ տհավասար է ենթաշերտի կոնցենտրացիային, որի դեպքում ռեակցիայի արագությունը առավելագույն հնարավոր արագության կեսն է և համապատասխանում է սուբստրատի հետ ֆերմենտի հագեցվածությանը, ինչպես Նկ. 6.5, բ.Քանի որ գործնականում միշտ չէ, որ հնարավոր է հասնել ֆերմենտի ամբողջական հագեցվածության սուբստրատով, դա հենց Կ տօգտագործվում է ֆերմենտների կինետիկ բնութագրերի համեմատական ​​բնութագրման համար։

Ֆերմենտային ռեակցիայի արագությունը, երբ ֆերմենտը լիովին հագեցած չէ սուբստրատով (6.10), կախված է ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրի կոնցենտրացիայից: Համաչափության գործակիցը ֆերմենտի և արտադրանքի արտազատման ռեակցիայի հաստատունն է, քանի որ դա փոխում է ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրի կոնցենտրացիան.

Փոխակերպումներից հետո, հաշվի առնելով վերը նշված կախվածությունները, ֆերմենտային ռեակցիայի արագությունը, երբ ֆերմենտը լիովին հագեցած չէ սուբստրատով, նկարագրվում է (6.11) հավասարմամբ, այսինքն. կախված է ֆերմենտի, սուբստրատի կոնցենտրացիաներից և դրանց մերձեցումից K s:

Ֆերմենտային ռեակցիայի արագության գրաֆիկական կախվածությունը սուբստրատի կոնցենտրացիայից գծային չէ։ Ինչպես ակնհայտ է Նկ. 6.6, սուբստրատի կոնցենտրացիայի աճով նկատվում է ֆերմենտային ակտիվության աճ: Այնուամենայնիվ, երբ հասնում է ֆերմենտի առավելագույն հագեցվածությունը սուբստրատով, ֆերմենտային ռեակցիայի արագությունը դառնում է առավելագույնը: Հետևաբար, ռեակցիայի արագությունը սահմանափակող գործոնը ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրի ձևավորումն է։

Պրակտիկան ցույց է տվել, որ սուբստրատի կոնցենտրացիաները, որպես կանոն, արտահայտվում են միասնությունից շատ ավելի փոքր արժեքներով (10 6 -10 3 մոլ): Հաշվարկներում նման քանակներով աշխատելը բավականին դժվար է։ Ուստի Գ.Լայնիվերը և Դ.Բուրկը առաջարկեցին ֆերմենտային ռեակցիայի արագության գրաֆիկական կախվածությունն արտահայտել ոչ թե ուղիղ կոորդինատներով, այլ հակադարձ կոորդինատներով։ Նրանք ելնում էին այն ենթադրությունից, որ հավասար մեծությունների համար նրանց հակադարձերը նույնպես հավասար են.

Բրինձ. 6.6.

Արտահայտությունը (6.13) վերափոխելուց հետո մենք ստանում ենք արտահայտություն, որը կոչվում է Lineweaver-Burk հավասարումը (6.14):

Lineweaver-Burk հավասարման գրաֆիկական կախվածությունը գծային է (նկ. 6.7): Ֆերմենտի կինետիկ բնութագրերը որոշվում են հետևյալ կերպ.

• Օրդինատների առանցքի վրա կտրված հատվածը հավասար է 1/V;
• աբսցիսայի առանցքի վրա կտրված հատվածը հավասար է -1-ի /Տ.

Բրինձ. 6.7.

Ենթադրվում է, որ Lineweaver-Burk մեթոդը հնարավորություն է տալիս ավելի ճշգրիտ որոշել ռեակցիայի առավելագույն արագությունը, քան ուղղակի կոորդինատներում: Այս գրաֆիկից կարելի է քաղել նաև ֆերմենտների արգելակման վերաբերյալ արժեքավոր տեղեկություններ:

Միքայելիս-Մենտենի հավասարումը փոխակերպելու այլ եղանակներ կան։ Գրաֆիկական կախվածությունները օգտագործվում են տարբեր արտաքին ազդեցությունների ազդեցությունը ֆերմենտային գործընթացի վրա ուսումնասիրելու համար:

Ֆերմենտաբանության այս ճյուղն ուսումնասիրում է տարբեր գործոնների ազդեցությունը ֆերմենտային ռեակցիայի արագության վրա։ Հաշվի առնելով մեկ սուբստրատը մեկ արտադրանքի վերածելու հետադարձելի ռեակցիայի ֆերմենտային կատալիզացման ընդհանուր հավասարումը (1),

Ֆերմենտային ռեակցիայի արագության վրա ազդող հիմնական գործոնները պետք է անվանվեն՝ սուբստրատի կոնցենտրացիան [S], ֆերմենտի կոնցենտրացիան [E] և ռեակցիայի արտադրանքի կոնցենտրացիան [P]:

Որոշ ֆերմենտների փոխազդեցությունն իրենց սուբստրատի հետ կարելի է նկարագրել ֆերմենտային ռեակցիայի V արագության կախվածության հիպերբոլիկ կորով սուբստրատի [S] կոնցենտրացիայից (նկ. 19):

Նկ. 19. Ֆերմենտային ռեակցիայի արագության կախվածությունը սուբստրատի կոնցենտրացիայից:

Այս կորի վրա կարելի է առանձնացնել երեք բաժին, որը կարելի է բացատրել սուբստրատի հետ ֆերմենտի փոխազդեցության մեխանիզմի դրույթներով. աստիճանաբար լցվում են ենթաշերտի մոլեկուլներով՝ անկայուն բարդ ES ձևավորմամբ. բաժին AB - V-ի կորագիծ կախվածությունը [S]-ից, ֆերմենտի ակտիվ կենտրոնների ամբողջական հագեցվածությունը սուբստրատի մոլեկուլներով դեռ չի ստացվել: ES կոմպլեքսը անկայուն է մինչև անցումային վիճակի հասնելը, E և S-ի հակադարձ տարանջատման հավանականությունը դեռ մեծ է. հատված BC - կախվածությունը նկարագրվում է զրոյական կարգի հավասարմամբ, հատվածը զուգահեռ է [S] առանցքին, ձեռք է բերվել ակտիվ ֆերմենտների ամբողջական հագեցվածություն սուբստրատի մոլեկուլներով, V=V max.

Կորի բնորոշ ձևը մաթեմատիկորեն նկարագրված է Բրիգս-Հալդեյնի հավասարմամբ.

V=V առավելագույնը ● [S]/ կմ + [S] (2),

որտեղ Km-ը Միքայելիս-Մենտենի հաստատունն է, որը թվայինորեն հավասար է ենթաշերտի կոնցենտրացիային, որի դեպքում ֆերմենտային ռեակցիայի արագությունը հավասար է կես V max-ի:

Որքան ցածր է ֆերմենտի Km-ը, այնքան մեծ է ֆերմենտի մերձեցումը սուբստրատի նկատմամբ, այնքան ավելի արագ է հասնում սուբստրատի անցումային վիճակը, և այն վերածվում է ռեակցիայի արտադրանքի։ Յուրաքանչյուր խմբին հատուկ ֆերմենտային սուբստրատի համար Km արժեքներ գտնելը կարևոր է բջիջում այս ֆերմենտի կենսաբանական դերը որոշելու համար:

Ֆերմենտների մեծ մասի համար անհնար է կառուցել հիպերբոլիկ կոր (նկ. 19) Այս դեպքում օգտագործվում է կրկնակի փոխադարձների մեթոդը (Lineweaver-Burk), այսինքն. գծագրված է 1/[V]-ի գրաֆիկական կախվածություն 1/[S]-ից (նկ. 20): Փորձի մեջ նման կորեր կառուցելու մեթոդը շատ հարմար է տարբեր տեսակի արգելիչների ազդեցությունը ֆերմենտների ակտիվության վրա ուսումնասիրելիս (տե՛ս հետագա տեքստում):

Նկ.20. 1/[V] ընդդեմ 1/[S]-ի գրաֆիկ (Lineweaver-Burk մեթոդ),

որտեղ y-ը կտրված հատվածն է - , իսկ x-ը կտրող հատվածն է - , α - անկյան շոշափող.

Ֆերմենտային ռեակցիայի V արագության կախվածությունը ֆերմենտի կոնցենտրացիայից [E]:

Այս գրաֆիկական կախվածությունը (նկ. 21) դիտարկվում է շրջակա միջավայրի օպտիմալ ջերմաստիճանի և pH-ի դեպքում, սուբստրատի կոնցենտրացիաներում զգալիորեն ավելի բարձր, քան ֆերմենտի ակտիվ կենտրոնների հագեցվածության կոնցենտրացիան:

Բրինձ. 21. Ֆերմենտի կոնցենտրացիայի ազդեցությունը ֆերմենտային ռեակցիայի արագության վրա.

Ֆերմենտային ռեակցիայի արագության կախվածությունը կոֆակտորի կամ կոֆերմենտի կոնցենտրացիայից:Բարդ ֆերմենտների համար պետք է հաշվի առնել, որ հիպովիտամինոզի դեպքում վիտամինների կոֆերմենտային ձևերի պակասը և մարմնի մեջ մետաղական իոնների ներթափանցման խախտումը անպայման հանգեցնում են դասընթացի համար անհրաժեշտ համապատասխան ֆերմենտների կոնցենտրացիայի նվազմանը: նյութափոխանակության գործընթացները. Հետևաբար, պետք է եզրակացնել, որ ֆերմենտի ակտիվությունը ուղղակիորեն կախված է կոֆակտորի կամ կոֆերմենտի կոնցենտրացիայից:

Արտադրանքի կոնցենտրացիայի ազդեցությունը ֆերմենտային ռեակցիայի արագության վրա:Մարդու մարմնում տեղի ունեցող շրջելի ռեակցիաների համար պետք է հաշվի առնել, որ ուղղակի ռեակցիայի արտադրանքները կարող են օգտագործվել ֆերմենտի կողմից որպես հակադարձ ռեակցիայի սուբստրատներ: Հետևաբար, հոսքի ուղղությունը և Vmax-ին հասնելու պահը կախված են սկզբնական սուբստրատների և ռեակցիայի արտադրանքների կոնցենտրացիաների հարաբերակցությունից։ Օրինակ, ալանին ամինոտրանսֆերազի ակտիվությունը, որը կատալիզացնում է փոխակերպումը.

Alanine + Alpha-ketoglutarate ↔ Pyruvate + Glutamate

կախված է բջիջում կոնցենտրացիայի հարաբերակցությունից.

[ալանին + ալֆա-կետօղլուտարատ] / [պիրուվատ + գլուտամատ]:

ՖԵՐՄԵՆՏՆԵՐԻ ԳՈՐԾՈՂՈՒԹՅԱՆ ՄԵԽԱՆԻԶՄ. ՖԵՐՄԵՆՏՆԵՐԻ ԿԱՏԱԼԻԶԻ ՏԵՍՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐԸ

Ֆերմենտները, ինչպես ոչ սպիտակուցային կատալիզատորները, մեծացնում են քիմիական ռեակցիայի արագությունը այս ռեակցիայի ակտիվացման էներգիան նվազեցնելու ունակության շնորհիվ։ Ֆերմենտային ռեակցիայի ակտիվացման էներգիան հաշվարկվում է որպես անցումային վիճակին հասած ընթացիկ ռեակցիայի համակարգում էներգիայի արժեքի և ռեակցիայի սկզբում որոշված ​​էներգիայի տարբերությունը (տես գրաֆիկական կախվածությունը Նկ. 22-ում):

Բրինձ. 22. Առանց ֆերմենտի (1) և ֆերմենտի (2) առկայության քիմիական ռեակցիայի էներգետիկ վիճակի գրաֆիկական կախվածությունը ռեակցիայի ժամանակից:

Վ. Հենրիի և, մասնավորապես, Լ. Միքայելիսի, Մ. Մենտենի աշխատանքը՝ մոնոսուբստրատային շրջելի ֆերմենտային ռեակցիաների մեխանիզմի ուսումնասիրության վերաբերյալ, թույլ տվեց ենթադրել, որ E ֆերմենտը նախ շրջելի և համեմատաբար արագ միանում է իր S սուբստրատի հետ՝ ձևավորելով ֆերմենտ. substrate համալիր (ES):

E+S<=>ES (1)

ԷՍ-ի ձևավորումը տեղի է ունենում ջրածնային կապերի, էլեկտրաստատիկ, հիդրոֆոբ փոխազդեցությունների, որոշ դեպքերում կովալենտային, կոորդինացիոն կապերի պատճառով՝ ակտիվ կենտրոնի ամինաթթուների մնացորդների կողային ռադիկալների և սուբստրատի ֆունկցիոնալ խմբերի միջև։ Բարդ ֆերմենտներում սուբստրատի հետ շփման ֆունկցիան կարող է կատարել նաև կառուցվածքի ոչ սպիտակուցային մասը։

Այնուհետև ֆերմենտ-սուբստրատ կոմպլեքսը քայքայվում է երկրորդ, ավելի դանդաղ, շրջելի ռեակցիայի արդյունքում՝ առաջացնելով ռեակցիայի արտադրանք P և ազատ ֆերմենտ E:

Է.Ս<=>ՊԸ<=>E+P (2)

Ներկայումս վերոհիշյալ գիտնականների, ինչպես նաև Քեյլին Դ.-ի, Չենս Բ.-ի, Կոշլանդ Դ.-ի («պատճառված նամակագրության տեսություն») աշխատանքի շնորհիվ տեսական դրույթներ կան գործողության մեխանիզմի չորս հիմնական կետերի մասին. սուբստրատի վրա գտնվող ֆերմենտ, որը որոշում է ֆերմենտների քիմիական ռեակցիաները արագացնելու ունակությունը.

1. Կողմնորոշում և մոտեցում . Ֆերմենտը կարող է կապել սուբստրատի մոլեկուլն այնպես, որ ֆերմենտի կողմից հարձակման ենթարկված կապը ոչ միայն գտնվում է կատալիտիկ խմբին մոտ, այլև ճիշտ է կողմնորոշվում դրա նկատմամբ: Հավանականությունը, որ ES համալիրը կհասնի անցումային վիճակին՝ կողմնորոշման և մոտիկության միջոցով, մեծապես մեծանում է:

2. Սթրես և լարվածություն : պայմանավորված նամակագրություն. Սուբստրատի կցումը կարող է առաջացնել կոնֆորմացիոն փոփոխություններ ֆերմենտի մոլեկուլում, ինչը հանգեցնում է ակտիվ կենտրոնի կառուցվածքի լարվածության, ինչպես նաև որոշակիորեն դեֆորմացնում է կապված սուբստրատը, դրանով իսկ հեշտացնելով ES համալիրի կողմից անցումային վիճակի հասնելը: E և S մոլեկուլների միջև առաջանում է այսպես կոչված ինդուկտիվ համապատասխանություն։

Ֆերմենտային ռեակցիաների արագությունը կախված է ֆերմենտի կոնցենտրացիայից, սուբստրատի, ջերմաստիճանից, pH-ից և ակտիվացնողների և արգելակիչների առկայությունից:

Սուբստրատի ավելցուկի պայմաններում, ռեակցիայի արագությունը ուղիղ համեմատական ֆերմենտի կոնցենտրացիան (նկ. 3.2):

Բրինձ. 3.2. Ռեակցիայի արագության կախվածությունը ֆերմենտի կոնցենտրացիայից:

Ռեակցիայի արագության կախվածությունը ենթաշերտի կոնցենտրացիան ներկայացված է Նկար 3.3-ում:

Բրինձ. 3.3. Ռեակցիայի արագության կախվածությունը սուբստրատի կոնցենտրացիայից:

Գրաֆիկի վրա կա 3 բաժին. Ենթաշերտի ցածր կոնցենտրացիայի դեպքում (հատված Ա) ռեակցիայի արագությունը ուղիղ համեմատական ​​է ենթաշերտի կոնցենտրացիային և ենթարկվում է առաջին կարգի կինետիկայի: Տեղադրությունը միացված է բ(խառը կարգի ռեակցիա) այս կախվածությունը խախտված է։ Տեղադրությունը միացված է գռեակցիայի արագությունը առավելագույնն է և կախված չէ սուբստրատի կոնցենտրացիայից:

Ֆերմենտային ռեակցիան բնութագրվում է ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրի ձևավորմամբ, որը քայքայվում է՝ ձևավորելով ազատ ֆերմենտը և ռեակցիայի արտադրանքը։

Այս հավասարման մեջ k 1-ը ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրի առաջացման արագության հաստատունն է, k 2-ը ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրի դիսոցման հաստատունն է՝ ազատ ֆերմենտ և սուբստրատ ձևավորելու համար, իսկ k 3-ը դիսոցման արագության հաստատունն է։ ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրից դեպի ազատ ֆերմենտ և ռեակցիայի արտադրանք:

Միքայելիսը և Մենտենը առաջարկեցին հավասարում, որը նկարագրում է ռեակցիայի արագության կախվածությունը սուբստրատի կոնցենտրացիայից:

v-ը ռեակցիայի արագությունն է տվյալ ենթաշերտի կոնցենտրացիայի դեպքում. Ks – ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրի դիսոցման հաստատուն; Vmax - առավելագույն արձագանքման արագություն:

Ks=k -2 /k 1 այսինքն. հակադարձ ռեակցիայի հաստատունի հարաբերակցությունը առաջընթաց ռեակցիայի հաստատունին:

Այնուամենայնիվ, այս հավասարումը նկարագրում է միայն հատվածը Ագրաֆիկի վրա և հաշվի չի առնում ռեակցիայի արտադրանքի ազդեցությունը ֆերմենտային գործընթացի արագության վրա:

Հալդեյնը և Բրիգսը հավասարման մեջ դիսոցման հաստատունը փոխարինեցին Միքայելիսի հաստատունով (Km):

Միքայելի հաստատունթվային առումով հավասար է ենթաշերտի համակենտրոնացմանը, որի դեպքում ռեակցիայի արագությունը առավելագույնի կեսն է։ Միքայելիսի հաստատունը բնութագրում է ֆերմենտի և սուբստրատի կապը: Սուբստրատի նկատմամբ ֆերմենտի բարձր հարաբերակցությունը բնութագրվում է ցածր Km արժեքով և հակառակը:

Միքայելիսի և Մենտենի առաջարկած գրաֆիկի օգտագործումը անհարմար է: Ավելի հարմար գրաֆիկական ներկայացման համար G. Lineweaver-ը և D. Burke-ը փոխակերպեցին Հալդեյնի և Բրիգսի հավասարումը՝ օգտագործելով կրկնակի փոխադարձների մեթոդը՝ հիմնվելով այն սկզբունքի վրա, որ եթե կա հավասարություն երկու մեծությունների միջև, ապա փոխադարձները նույնպես հավասար կլինեն:

Ռեակցիայի արագության կախվածության գրաֆիկական պատկերը pH ունի զանգի ձև: Այն pH արժեքը, որի դեպքում ֆերմենտը առավելագույն ակտիվություն է ցուցաբերում, կոչվում է օպտիմալ pH(Նկար 5.4 Ա) . Ֆերմենտների մեծ մասի համար օպտիմալ pH-ը 6-8 է: Բացառություն է կազմում պեպսինը, որի օպտիմալը 2.0 է։ Երբ pH-ն այս կամ այն ​​ուղղությամբ փոխվում է օպտիմալից, ռեակցիայի արագությունը նվազում է ֆերմենտի և սուբստրատի ֆունկցիոնալ խմբերի իոնացման պատճառով, ինչը խաթարում է ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրի ձևավորումը։

Բրինձ. 3.4. Ռեակցիայի արագության կախվածությունը pH (A) և ջերմաստիճանից (B):

Քիմիական ռեակցիայի արագությունը մեծանում է 2 անգամ ջերմաստիճանը 10°C-ով: Այնուամենայնիվ, ֆերմենտի սպիտակուցային բնույթի պատճառով, ջերմաստիճանի հետագա աճով, տեղի է ունենում ֆերմենտի դենատուրացիա: Այն ջերմաստիճանը, որի դեպքում ռեակցիայի արագությունը առավելագույնն է, կոչվում է օպտիմալ ջերմաստիճան(նկ. 3.4. Բ) . Ֆերմենտների մեծ մասի համար օպտիմալ ջերմաստիճանը 37-40°C է: Բացառություն է մկանային միոկինազը, որը կարող է դիմակայել մինչև 100°C տաքացմանը։

Ֆերմենտային ակտիվացնողներ– սրանք նյութեր են 1), որոնք կազմում են ֆերմենտի ակտիվ կենտրոնը (Co 2+, Mg 2+, Zn 2+, Fe 2+, Ca 2+); 2) հեշտացնելով ֆերմենտ-սուբստրատային համալիրի ձևավորումը (Mg 2+); 3) նվազեցնելով SH խմբերը (գլուտատիոն, ցիստեին, մերկապտոէթանոլ); 4) պրոտեին-ֆերմենտի բնիկ կառուցվածքի կայունացում. Ֆերմենտային ռեակցիաները սովորաբար ակտիվանում են կատիոնների միջոցով (պարբերական աղյուսակում 19-ից 30): Անիոններն ավելի քիչ ակտիվ են, չնայած քլորի իոնները և որոշ այլ հալոգենների անիոնները կարող են ակտիվացնել պեպսինը, ամիլազը և ադենիլատ ցիկլազը։ Ակտիվացնող կարող են լինել սպիտակուցները՝ ապոպրոտեին A-I (LCAT), ապոպրոտեին C-II (LPL):

Ակտիվատորների գործողության մեխանիզմը.

1) մասնակցել ֆերմենտների ակտիվ կենտրոնի ձևավորմանը.

2) հեշտացնել սուբստրատի և ֆերմենտի կապը.

3) մասնակցել ֆերմենտի բնիկ կառուցվածքի ձևավորմանը.

Ինհիբիտորներ- նյութեր, որոնք առաջացնում են ֆերմենտների կողմից կատալիզացված ռեակցիաների մասնակի կամ ամբողջական արգելակում:

Արգելակիչները դասակարգվում են ոչ հատուկԵվ կոնկրետ. Ոչ սպեցիֆիկ ինհիբիտորների գործողությունը կապված չէ ֆերմենտների գործողության մեխանիզմի հետ: Այս ինհիբիտորները առաջացնում են ֆերմենտի սպիտակուցի (ջերմություն, թթուներ, ալկալիներ, ծանր մետաղների աղեր և այլն) դենատուրացիա։

Հատուկ ինհիբիտորները ազդում են ֆերմենտների գործողության մեխանիզմի վրա: Հատուկ ինհիբիտորները բաժանվում են 2 խմբի. շրջելի և անշրջելի. Անդառնալի ինհիբիտորները ամուր կամ կովալենտ կապելու միջոցով առաջացնում են ֆերմենտի ֆունկցիոնալ խմբերի մշտական, անդառնալի փոփոխություն կամ փոփոխություն: Այս խումբը ներառում է. 1) մետաղական ինհիբիտորներֆերմենտներ (HCN, RCN, HF, CO և այլն): Այս միացությունները կապվում են փոփոխական վալենտություն ունեցող մետաղների հետ (Cu կամ Fe), ինչի արդյունքում խախտվում է ֆերմենտների շնչառական շղթայի երկայնքով էլեկտրոնների փոխանցման գործընթացը։ Հետեւաբար, այս արգելակիչները կոչվում են շնչառական թունավորումներ: 2) SH խմբեր պարունակող ֆերմենտների ինհիբիտորներ(մոնոիդոացետատ, դիոդոացետատ, յոդոացետամիդ, մկնդեղի և սնդիկի միացություններ): 3) ակտիվ կենտրոնում OH խումբ պարունակող ֆերմենտների ինհիբիտորներ (օրգանոֆոսֆորային միացություններ, միջատասպաններ). Այս ինհիբիտորները արգելակում են, առաջին հերթին, խոլինէսթերազի ակտիվությունը՝ ֆերմենտի, որն առաջնային դեր է խաղում նյարդային համակարգի գործունեության մեջ։

Հետադարձելիարգելակումը կարելի է քանակականացնել՝ օգտագործելով Michaelis-Menten հավասարումը: Հետադարձելի ինհիբիտորները բաժանվում են մրցակցային և ոչ մրցակցային.

Մրցակցային արգելակիչներ- Սրանք նյութեր են, որոնք կառուցվածքով նման են ենթաշերտին: Ինհիբիտորը կապվում է ֆերմենտի ակտիվ վայրի հետ և կանխում ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրի առաջացումը:

Մրցակցային արգելակման դասական օրինակ է մալոնաթթվի կողմից սուկցինատդեհիդրոգենազի արգելակումը: Սուկցինատդեհիդրոգենազը կատալիզացնում է սուկցինաթթվի (սուկցինատ) օքսիդացումը՝ ջրազրկելով ֆումարաթթվի:

Եթե ​​միջավայրին ավելացվի մալոնիկ թթու (արգելակիչ), ապա իրական սուբստրատի սուկցինատին կառուցվածքային նմանության արդյունքում այն ​​փոխազդելու է ակտիվ վայրի հետ՝ ձևավորելով ֆերմենտ-ինհիբիտոր համալիր, սակայն ռեակցիան տեղի չի ունենա:

Արգելիչի ազդեցությունը վերացվում է սուբստրատի համակենտրոնացման բարձրացում. Մրցակցային արգելակմամբ փոխվում է ֆերմենտային ռեակցիաների կինետիկան. Կմ-ն ավելանում է, V max-ը մնում է հաստատուն(նկ. 3.5):

Բրինձ. 3.5. Մրցակցային ինհիբիտորների ազդեցությունը ֆերմենտային ռեակցիայի արագության վրա

Մրցակցային արգելակման մեթոդը կիրառություն է գտել բժշկական պրակտիկայում որպես հակամետաբոլիտներ.

Օրինակ, սուլֆոնամիդային դեղամիջոցները օգտագործվում են բակտերիաների պատճառած որոշ վարակիչ հիվանդությունների բուժման համար: Այս դեղամիջոցները կառուցվածքով նման են պարաամինոբենզոյան թթուն, որն օգտագործում է բակտերիաների բջիջը ֆոլաթթու սինթեզելու համար, որն անհրաժեշտ է բակտերիաների կյանքի համար։ Այս կառուցվածքային նմանության շնորհիվ սուլֆոնամիդը արգելափակում է ֆերմենտի գործողությունը՝ բարդույթից դուրս բերելով պարաամինոբենզոյան թթուն ֆոլաթթուն սինթեզող ֆերմենտի հետ։

Ոչ մրցակցային արգելակիչներ –նյութեր, որոնք կառուցվածքով նման չեն ենթաշերտերին. Ոչ մրցակցային ինհիբիտորները կապվում են ոչ թե ակտիվ վայրի հետ, այլ ֆերմենտի մոլեկուլի մեկ այլ վայրի հետ, օրինակ՝ ալոստերիկ կենտրոնում։ Սա փոխում է ակտիվ կենտրոնի կոնֆորմացիան այնպես, որ դրա հետ ենթաշերտի փոխազդեցությունը խաթարվում է:

Ոչ մրցակցային արգելման համար. V max-ը նվազում է, բայց K m-ը չի փոխվում(նկ. 3.6):