Различают три основных этапа ферментативного катализа.

1 этап.
Ориентировочная сорбция субстрата на активном центре фермента с образованием обратимого E-S комплекса (фермент-субстратного). На этом этапе происходит взаимодействие адсорбционного центра фермента с молекулой субстрата. При этом и субстрат подвергается конформационной перестройке. Все это происходит за счет возникновения слабых типов связей между субстратом и адсорбционным центром фермента. В результате этого молекула субстрата подается на каталитический центр в наиболее удобном для него положении. Этот этап является легко обратимым, потому что здесь участвуют только слабые типы связей. Кинетическая характеристика 1-го этапа ферментативного катализа - константа Михаэлиса (Км).

2 этап.
Химические превращения молекулы субстрата в составе фермент-субстратного комплекса с образованием комплекса фермента с химически преобразованным субстратом. На этом этапе разрываются одни ковалентные связи и возникают новые. Поэтому этот этап протекает значительно медленнее, чем 1-й и 3-й этапы. Именно скорость второго этапа определяет скорость всей ферментативной реакции в целом. Значит, скорость ферментативного процесса в целом характеризуется величиной k+2, которая является почти всегда самой маленькой из всех частных констант скоростей. Кинетическая характеристика 2-го этапа - максимальная скорость (Vmax).

3 этап.
Десорбция готового продукта из его комплекса с ферментом. Этот этап протекает легче, чем 2-й. Он, как и 2-й этап, тоже необратим. Исключение - обратимые ферментативные реакции.

Ферменты, относительно своей белковой природы, являются термочувствительными и термолабильными соединениями.

При повышении температуры к оптимальным значениям (37-40°С) сопровождается увеличением скорости ферментативной реакции

При увеличении температуры выше оптимального значения – скорость ферментативной рекции резко уменьшается за счет денатурационных изменений белка.

 

Концентрация фермента и субстрата являются величинами, что наиболее часто изменяются в условиях любой биохимической реакции.

Скорость ферментативной реакции будет прямо пропорцеонально зависит от концентрации фермент, тоесть увеличения в клетки уровня определенного ферментного белка должно сопровождаться увеличением скорости реакции, что катализируется этим ферментом. Более сложной является зависимость скорости ракции от концентрации субстрата. Это характиризуется так: при низких концентрациях субстрату – скорость реакции прямо пропорцеональна его концентрации, а при высоких концентрациях достигается эффект насыщения.

Каждый фермент имеет свой pH -оптимум. Тоисть значение pH среды при котором его каталитическая активность максимальна. «Колокообразна» зависивость активности ферментов от pH оприделяется их белковой природой. Большинство внутриклеточных и тканевых ферментов организма человека наиболее активны в нейтральной, слабощелочной или слабо кислой среде (обычно в гранцах pH между 5,0 и 9,0). Ферменты с оптимумами при экстримальных значениях pH являются пепсин (pH=1-2) и аргиназа (pH=10-11)

Ферменты, относительно своей белковой природы, являются термочувствительными и термолабильными соединениями.

При повышении температуры к оптимальным значениям (37-40°С) сопровождается увеличением скорости ферментативной реакции

При увеличении температуры выше оптимального значения – скорость ферментативной рекции резко уменьшается за счет денатурационных изменений белка.

Аллостерическими ферментами называют – ферменты-регуляторы которые кроме активного центра, имеют дополнительный регуляторный (аллостерический) центр, с котрым взаимодействует аллостерические регуляторы (эфекторы, модуляторы)

Эти ферменты катализируют биохимические реакции, что находятся на начале неразветвленных или развлетвленных метаболических путей. При этом модуляторами этих ферментов могут быть как собствнные субстраты – гомотропные регуляторные ферменты, так и другие химицеские эффекторы, гетеротропные регуляторные ферменты ()конечные продукты многоступеньчатого биохимического процесса

 

Обозначения констант скоростей:

k₁ — константа скорости реакции образования фермент-субстратного комплекса из фермента и субстрата

k_-1 — константа скорости реакции диссоциации фермент-субстратного комплекса на фермент и субстрат

k₂ — константа скорости реакции превращения фермент-субстратного комплекса в фермент и продукт

Для фермент-субстратного комплекса применим метод квазистационарности, так как в подавляющем большинстве реакций константа скорости превращения фермент-субстратного комплекса в фермент и продукт много больше, чем константа скорости образования ферменто-субстратного комплекса из фермента и субстрата. Иными словами:

Учтем тот факт, что фермент, изначально находившийся только в свободной форме, в процессе реакции находится как в виде фермент-субстратного комплекса, так и в виде молекул свободного фермента. Таким образом:

Преобразуем это к виду:

И подставим в первое уравнение. После раскрытия скобок и группировки слагаемых получим следующее:

Выразим отсюда концентрацию фермент-субстратного комплекса:

Скорость ферментативной реакции в целом (то есть скорость образования продукта) представляет собой скорость распада фермент-субстратного комплекса по реакции первого порядка с константой k₂:

Подставим в эту формулу выражение, которое мы получили для концентрации ES. Получим:

Разделим числитель и знаменатель на k₁. В результате:

Выражение в знаменателе — (k_-1+k₂)/k₁ — называется константой Михаэлиса (K_m). Это кинетическая константа (с размерностью концентрации), которая равняется такой концентрации субстрата, при которой скорость ферментативной реакции составляет половину от максимального значения.

Для начальной стадии реакции можно пренебречь уменьшением концентрации субстрата. Тогда выражение для начальной скорости реакции будет выглядеть так:

Если k_-1>k₂, то на первой стадии ферментативной реакции с течением времени устанавливается равновесие (квазиравновесный режим протекания реакции), и в выражение для скорости ферментативной реакции входит уже не константа Михаэлиса, а субстратная константа K_S, характеризующая взаимодействие фермента с субстратом в равновесных условиях:

;

По значению K_S можно судить о химическом сродстве субстрата к ферменту.

Константа Михаэлиса соответствует концентрации субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной, и обычно выражается в молях на литр. Разные ферменты характеризуются paзличными значениями Km в зависимости от начальной и максимальной скоростей реакции. При построении графиков (любым методом) для определения константы Михаэлиса определяют скорость реакции при разных значениях концентрации субстрата и устанавливают значение максимальной скорости реакции vmax, когда увеличение концентрации субстрата уже не влияет на скорость реакции. Константу Михаэлиса следует определять за возможно более короткий промежуток времени течения ферментативной реакции, используя при этом достаточно очищенный ферментный препарат.

 

Катал — это количество фермента, которое обеспечивает превращение 1 моля субстрата за 1 секунду.
Стандартная единица (U) — это количество фермента, которое превращает 1 мкмоль субстрата за 1 минуту. 1 U = 16,67 нкатал (нанокатал).
В медицине активность ферментов выражают чаще всего в единицах активности на
1 л биологической жидкости.
Удельная активность — выражается в единицах активности, рассчитанной на 1 мг белка.