Этот процесс описывает уравнение Михаэлиса-Ментен:
v = vmax [S] / Km + [S],
где vmax максимальная скорость, [S] концентрация субстрата, а Km константа Михаэлиса (посмотрите, она есть на графике), это концентрация S, при которой скорость равна половине от максимальной. Все ферменты различаются по активности. Km важнейшая характеристика, отражающая энергичность конкретного фермента. Чем она меньше, тем активнее фермент.
2. Температура среды единственный фактор, который влияет на скорость всех, без исключения химических реакций.
В обычной реакции зависимость линейная: чем выше температура (t), тем быстрее протекает процесс. Но у ферментов все не так. Посмотрите на график: «Влияние температуры на скорость катализируемой ферментом реакции» в вашем учебнике. Мы видим, что при повышении t, вначале скорость реакции растет, но в какой-то момент она достигает пика и начинает резко падать до нуля. Это легко объяснить. Любой фермент белок, и, как белок, он денатурирует (теряет активность) при сильном нагревании. Разве это сложно?
Теперь о цифрах. В разных учебниках по биохимии на этом графике приводятся различные цифры (иногда они вообще отсутствуют), поэтому даю максимально приближенные к истине. Их всего две: оптимум (самая высокая точка графика) 36,6 0С; полное ингибирование (когда кривая падает до 0) 45 0С. Некоторые энзимы «выключаются» уже при 42 0С, поэтому на медицинских термометрах 42 0С крайняя точка, температура, которую человек, как правило, не переживает. Это в очередной раз доказывает, что ферменты основа жизни, и угнетение даже одного из них чревато смертью.
3. Кислотность среды (рН)
Энзимы очень чувствительны к изменению кислотности раствора, и при сдвиге рН в ту или иную сторону, они прекращают работать. Идеальной рН для подавляющего большинства ферментов является значение 7,4, хотя они способны функционировать в диапазоне от 6,5 до 8,5. Это показано на графике: «Влияние рН на скорость катализируемой ферментов реакции» в вашем учебнике.
Есть исключения. К примеру, пепсин желудка активен в сильнокислой среде (рН 1,52,5), а аргиназа в щелочной (рН около 10,0).
Обратите внимание: гомеостаз, постоянство внутренних параметров организма, направлено на оптимальную работу его величества фермента, он первичен, что доказывает сказанное выше. Почему нормальная температура тела человека 36,6 0С? Да потому, что именно в этих условиях большинство наших энзимов чувствуют себя великолепно. По этой же причине норма рН биологических жидкостей человека равна 7,4.
2. Механизм ферментативных реакций
Еще в начале прошлого века Анри Михаэлис доказал, что в ферментативной реакции обязателен контакт фермента (E) и S, образование фермент-субстратного комплекса:
E+S = ES = E+P (продукт),
который играет ключевую роль в процессе.
В ходе изучения этого вопроса, особого внимания заслуживают две теории механизма ферментативного катализа:
а) Теория Фишера (теория «ключа» и «замка»; теория соответствия). Согласно Фишеру, субстрат идеально соответствует активному центру фермента, как ключ соответствует «личинке» своего замка. S входит в активный центр (АЦ), заполняя его. При этом все функциональные группы субстрата вступают в связь с соответствующими группами АЦ. Таким образом, соответствие является как пространственным, так и химическим.
б) Теория Кошленда (теория «руки» и «перчатки»; теория индуцированного катализа). По Кошленду, АЦ фермента не полностью соответствует субстрату (как лежащая перчатка не повторяет форму руки), но, как только S приближается к активному центру (рука к перчатке), тот «расправляется», приобретая нужную форму и вступая в связь с S. Мы видим, что в этом случае субстрат выступает как активный реагент, воздействующий на энзим.
Какая же из этих теорий верна? Обе. Часть ферментов работают согласно версии Фишера, часть по Кошленду.
Современные представления о механизме ферментативного катализа
Согласно современным данным, ферментативная реакция протекает в 4 стадии:
1) E+S = ES; 2) ES = EX; 3) EX = EP; 4) EP = E+P
Как видно из схемы, субстрат не сразу становится продуктом реакции (Р), до этого он превращается в Х переходную форму, где старые связи еще не разрушены, а новые уже начинают образовываться. Весь фокус в постепенности превращения. Нет резких переходов, есть плавное медленное «перетекание» от S к Р, через переходную форму Х. При этом нет нужды в трате больших количеств энергии (как, если бы вы, вместо того, чтобы надрываться, карабкаясь на 5-й этаж по стене, вы не торопясь поднялись бы по лестнице). Именно эта плавность и обеспечивает значительное снижение энергии активации и, следовательно ускорение реакции.