WWW.GOLKOM.RU   Добавить в Избранное


БИБЛИОТЕКА ПРИРОДЫ
информационный портал

Главная  Новости  Каталог  Книги  КМЭ  Форум

ТУ  Гербарий  Golkom-Balance  Golkom-Post

 
Регистрация:

Краткая медицинская энциклопедия


А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Кинетика биохимических процессов

Перейти к следующей статье 'КИНЕТОКАРДИОГРАФИЯ'Перейти к предыдущей статье 'КИСЛОРОД'КИНЕТИКА БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ (дополнение к ст. <Кинетика химическая>, БМЭ, изд. II, т. 12) - учение о скоростях реакций, протекающих в живых организмах. Почти все биохимические процессы являются ферментативными и вследствие особых свойств ферментов характеризуются рядом отличий, которые связаны с чрезвычайно высокой каталитической активностью ферментов и специфичностью их действия.

Скорость ферментативных реакций определяется количеством вещества, превратившегося за единицу времени в единице объема реакционной системы. Количество вещества обычно выражается в молях на 1 л, время в мин. Основной кинетической константой является константа скорости реакции, которая численно равна скорости реакции при концентрациях реагирующих веществ, равных единице. Эта величина является характерной для каждого ферментативного процесса.

Скорость ферментативных реакций зависит от многих факторов (концентрации субстрата, кофермента, фермента, электролитов, водородных ионов, активаторов, ингибиторов, температуры, окислительно-восстановительного потенциала и др.).

Влияние концентрации фермента и субстрата.

Уравнением кинетики ферментативных процессов служит уравнение Михаэлиса-Ментен, Бриггса-Холдейна, согласно которому для простейшей реакции



Согласно рекомендациям Международной комиссии по ферментам (1961) приняты следующие обозначения: v - скорость реакции; k+2 - константа скорости реакции распада комплекса фермент-субстрат (ES) на продукты реакции (Р) и фермент (E); [E0] - общая концентрация фермента; [S] - концентрация субстрата; Кm - константа Михаэлиса, равная



где к+1 и к-1 - соответственно константы скорости образования и распада комплекса ES.

В соответствии с уравнением (1) начальная скорость ферментативной реакции при избытке S ([E0)]&il;&il;[S]) пропорциональна [Е]. Графически зависимость между начальной скоростью реакции и [E0] имеет вид прямой линии.

Зависимость скорости реакции от [S ] графически выражается гиперболической кривой. При высоких [S], когда [S] >> Кm, можно считать, что Кm + [S] ≈ [S], и тогда уравнение (1) будет иметь вид v = к+20]. В этом случае скорость реакции максимальна - V и не зависит от дальнейшего увеличения [S], так как фермент полностью насыщен субстратом и уравнение (1) может быть представлено как



Если [S] в реакции очень мала (значительно меньше Кm), то



В этом случае и пропорциональна [S]. Если [S] соответствует какой-то промежуточной величине, допустим, [S] = Kь, то



Отсюда следует, что Кm численно равна той концентрации субстрата [S], при которой и будет составлять половину максимальной. Кm является важной константой, характерной для каждого фермента при строго определенных условиях. Помимо Кm в ферментативной кинетике часто пользуются величиной Ks - субстратной константой, представляющей собой отношение k-1/k+1 и количественно характеризующей способность фермента соединяться с S. Чем больше величина KS, тем легче ES распадается и тем больше свободного фермента. В большом числе случаев Кm близка КS, между ними существует соотношение Km=KS+k+2/k+1 обе константы имеют размерность моль/л.

Кинетический анализ более сложных по механизму ферментативных реакций, в которых участвует несколько субстратов и образуется несколько продуктов, в принципе аналогичен рассмотренному, хотя и становится более сложным (возрастает число параметров реакции). Он излагается в специальных руководствах по кинетике ферментативных реакций.

Влияние температуры. С повышением температуры скорость биохимических процессов в определенном интервале температур возрастает. Температурный коэффициент реакции ((Q10) для ферментативных процессов равен 1-2 (исключение составляют два типа реакций: термическая инактивация ферментов и денатурация белков в температурной зоне денатурации, для которых значение Q10 колеблется от десятков до нескольких сотен). Для каждого фермента имеется свой температурный оптимум, при котором скорость процесса оказывается максимальной; для ферментов животного происхождения он обычно лежит в зоне температур 40-50° и для растительных ферментов при 50-60°.

Температура оказывает влияние на отдельные стадии ферментативных процессов (скорость образования и распада ES, ЕР и т. д.) и, таким образом, меняет стационарную скорость реакции.

Влияние рН.

Известно, что биохимические реакции идут с наибольшей скоростью при определенном оптимальном значении рН. Оптимум рН величина, характерная для каждого фермента.

Влияние рН на ферментативную активность связано с амфотерными свойствами белков. Зависимость активности фермента от рН графически выражается кривой, показывающей, что максимальная активность в большинстве случаев проявляется при значениях рН, соответствующих физиологическим, а в кислой и щелочной зоне значений рН идет спад, связанный с необратимой денатурацией белков.

Количественная оценка влияния рН на скорость ферментативной реакции в простейшем случае с учетом влияния рН только на ионизацию свободного фермента может быть сделана по уравнению



где Ka и Кb - соответственно константы диссоциации кислотных и основных групп фермента.

Скорость биохимических процессов на уровне клетки. Кинетическая характеристика ферментативных реакций, полученная в опытах in vitro, играет важную роль в оценке скоростей биохимических процессов в живой клетке и познании механизма действия ферментов. Однако огромное количество одновременно протекающих в клетке процессов нуждается в регуляции скоростей и направления отдельных реакций. Такая регуляция осуществляется многообразными путями. Большое значение имеют концентрации субстратов и коферментов, которые, как правило, в нормальных физиологических условиях значительно ниже требуемых для полного насыщения ферментов. Поэтому потенциальная активность ферментов на уровне клетки обычно бывает больше проявляемой. Например, в сердечной мышце количество цитохрома с в 20 раз больше, чем требуется для поддержания имеющейся интенсивности дыхания. Высокая активность фермента в свою очередь определяет относительно низкий уровень концентрации промежуточных субстратов. Однако в некоторых случаях, например у микроорганизмов, лимитирующим фактором скорости процесса может служить количество фермента.

Изменение концентрации субстрата и продукта реакции в ходе самого ферментативного процесса оказывает регулирующее влияние на его скорость. Так, накопление при усиленной мышечной деятельности повышенных количеств аденозиндифосфата и неорганического фосфата замедляет скорость образующей их реакции распада аденозинтрифосфорной кислоты и является причиной ускорения тех процессов (дыхания и гликолиза), которые приводят к их удалению. В итоге регуляция скорости осуществляется по принципу обратной связи - замедление процесса создает условия для его протекания и, следовательно, вызывает его ускорение.

Важную регулирующую роль играют имеющиеся в клетке конкурентные отношении за общие субстраты и кофакторы, с одной стороны, и за один и тот же фермент, с другой. Так, глюкозо-6-фосфат может быть субстратом трех важных метаболических процессов: гликолиза, распада углеводов по пентозному циклу и синтеза гликогена. Несколько субстратов могут также конкурировать за один и тот же фермент. Важную роль в этом случае играет относительное сродство фермента к конкурирующему субстрату реакции.

Если тот или иной биохимический процесс осуществляется в результате действия целой полиферментной системы, обеспечивающей строгую последовательность ряда реакций, то скорость процесса в целом будет ограничивать самая медленная реакция.

Регуляция активности ферментов может осуществляться и путем изо- и аллостерического торможения. В первом случае ингибирующее вещество является стерическим аналогом субстрата, вследствие чего может блокировать активный центр фермента и таким образом препятствовать его взаимодействию с субстратом. Так, малоновая кислота (СООН-СН2-СООН), будучи в структурном отношении очень близка к янтарной кислоте (СООН-СН2-СН2-СООН), является ингибитором фермента сукцинатдегидрогеназы. Во втором случае ингибитор не является структурным аналогом субстрата, он блокирует аллостерические центры белковой молекулы (иные, чем активные центры), что приводит к такому изменению конфигурации молекулы фермента, при котором возникает стерическое несоответствие между ферментом и субстратом, то есть нарушение их комплементарности. Аллостерическимн ингибиторами (эффекторами) часто являются конечные продукты реакции, по мере накопления которых происходит угнетение действия фермента. При удалении аллостерического эффектора или снижении уровня его концентрации фермент вновь переходит в свою активную форму. В этом случае регуляция процесса происходит также по принципу обратной связи. Для регуляции скоростей биохимических процессов большое значение имеет пространственная локализация ферментов и субстратов в клетке.

На уровне многоклеточного организма проявляются и более сложные механизмы центральной регуляции - нервный и гуморальный, которые оказывают свое действие также путем координации скоростей ферментативных процессов. Все эти регулирующие механизмы взаимосвязаны, они обеспечивают тонкое приспособление организма к изменяющимся условиям среды.

С. Лызлова.


Краткая Медицинская Энциклопедия, издательство "Советская Энциклопедия", издание второе, 1989, Москва


Поделитесь в социальных сетях:





Главная  Новости  Каталог  Книги  КМЭ  Форум

ТУ  Гербарий  Golkom-Balance  Golkom-Post


Copyright © 2002-2022 "Библиотека природы"
По вопросам размещения рекламы на сайте: info@golkom.ru