Ферментативные реакции. 
Уравнение Михаэлиса

Ферментативный катализ — каталитические реакции, протекающие с участием ферментов — биологических катализаторов белковой природы. Ферментативный катализ имеет две характерные особенности.

• 1. Высокая активность, на несколько порядков превышающая активность неорганических катализаторов, что объясняется очень значительным снижением энергии активации процесса ферментами. Так, константа скорости реакции разложения перекиси водорода, катализируемой ионами Fc²⁺, составляет 56 с^-1; константа скорости этой же реакции, катализируемой ферментом каталазой, равна 3,5 ¦ 10⁷, т. е. реакция в присутствии фермента протекает в миллион раз быстрее (энергии активации процессов составляют соответственно 42 и 7,1 кДж/моль). Константы скорости гидролиза мочевины в присутствии кислоты и уреазы различаются на 13 порядков, составляя 7,4 • 10 ⁷ и 5 • 10⁶ с ¹ (величина энергии активации составляет соответственно 103 и 28 кДж/моль).
• 2. Высокая специфичность. Например, амилаза катализирует процесс расщепления крахмала, представляющего собой цепь одинаковых глюкозных звеньев, но не катализирует гидролиз сахарозы, молекула которой составлена из глюкозного и фруктозного фрагментов.

На рис. 16.2 приведено сравнение энергетических профилей некаталитического и каталитического (ферментативного) процессов. Энергия фермент-субстратного комплекса меньше энергии свободных субстратов (реагентов) на величину энергии адсорбции субстратов на ферменте (Е_адс). При этом энергия активации ферментативного процесса (Ед ф) меньше энергии активации неферментативного процесса (Е_А).

Согласно общепринятым представлениям о механизме простейших ферментативных реакций, которые были предложены Михаэлисом и Меитеи, субстрат S и фермент Е находятся в равновесии с очень быстро образующимся фермент-субстратным комплексом ES. Этот комплекс сравнительно медленно распадается на продукт реакции Р и свободный фермент Е. Таким образом, стадия распада фермент-субстратного комплекса на продукты реакции является лимитирующей.

где кj константа скорости образования фермент-субстратного комплекса; к— константа скорости обратной реакции, распада фермент-субстратного комплекса; к₂ — константа скорости образования продукта реакции.

Рис. 16.2. Сравнение энергетических профилей нскаталитичсского (1) и каталитического процессов (2)

Следующее соотношение констант скоростей называют константой Михаэлиса и обозначают К_т.

Скорость реакции пропорциональна концентрации фермент-субстратного комплекса ES, а скорость образования ES зависит от концентрации субстрата и концентрации свободного фермента. На концентрацию ES влияет скорость формирования и распада ES. Наибольшая скорость реакции наблюдается в том случае, когда все молекулы фермента находятся в комплексе с субстратом, т. е. в фермеит-субстратном комплексе ES, т. е. [Е] = [ES).

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата выражается следующим уравнением:

Это уравнение получило название уравнения Михаэлиса — Ментен.

В случае когда скорость реакции равна половине максимальной, К_т = [S] (рис. 16.3). Таким образом, константа Михаэлиса численно равна концентрации субстрата, при которой достигается половина максимальной скорости.

Уравнение Михаэлиса — Ментен — основное уравнение ферментативной кинетики, описывающее зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.

Если концентрация субстрата значительно больше К_т (S «К_т), то увеличение концентрации субстрата на величину К_т практически не влияет на сумму (К_т + S) и ее можно считать равной концентрации субстрата.

Следовательно, скорость реакции становится равной максимальной скорости: v = v_макс. В этих условиях реакция имеет нулевой порядок, т. е. не зависит от концентрации субстрата. Можно сделать вывод, что v_макс — величина постоянная для данной концентрации фермента, нe зависящая от концентрации субстрата. Если концентрация субстрата значительно меньше К_ш (S «К_т), то сумма (К_m + S) примерно равна К_т, следовательно, v = v_MaKC[S]/K_m, т. е. в данном случае скорость реакции прямо пропорциональна концентрации субстрата (реакция имеет первый порядок).

v_макс и К_гп — кинетические характеристики эффективности фермента.

Рис. 16.3. Зависимость скорости реакции (а) от концентрации субстрата (S):

v_max ^— максимальная скорость реакции при данной концентрации фермента в оптимальных условиях проведения реакции; К_т — константа Михаэлиса.

v_макс дает характеристику каталитической активности фермента и имеет размерность скорости ферментативной реакции моль/л, т. е. определяет максимальную возможность образования продукта при данной концентрации фермента и в условиях избытка субстрата. К_т характеризует сродство данного фермента к данному субстрату и является величиной постоянной, не зависящей от концентрации фермента. Чем меньше К_т, тем больше сродство фермента к данному субстрату, тем выше начальная скорость реакции, и наоборот, чем больше К_т, тем ниже начальная скорость реакции, тем меньше сродство фермента к субстрату.

Характерной особенностью действия ферментов является также высокая чувствительность ферментов к внешним условиям — pH среды и температуре. Ферменты активны лишь в достаточно узком интервале pH и температуры, причем для ферментов характерно наличие в этом интервале максимума активности при некотором оптимальном значении pH или температуры.