Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 2 - Д. Мецлер 1980

Ферменты: белковые катализаторы клеток
Основы ферментативной кинетики
Число оборотов ферментов

В том случае, когда фермент катализирует образование продукта С максимально возможной скоростью (V_mах), можно считать, что превращение промежуточного соединения ES в продукты описывается уравнением

Здесь [E]_t — это суммарная концентрация фермента, т. е. концентрация свободного фермента Е и фермент-субстратного комплекса ES. Уравнение (6-6) справедливо только при насыщении субстратом, т. е. в условиях, когда концентрация субстрата достаточно высока, чтобы практически весь фермент перевести в промежуточное соединение ES. Рассматриваемый процесс не является реакцией первого порядка, так как исчезающий комплекс ES вновь образуется из свободного фермента. Однако константа скорости k может быть сопоставлена с константам» скорости первого порядка, которые мы рассматривали в предыдущем разделе, и является мерой скорости работы фермента. Если концентрация [Е]_t выражена в молях активных центров на 1 л (т. е. через фактическую молярную концентрацию фермента, умноженную на число активных центров в молекуле фермента), то константу k называют числом оборотов или молекулярной активностью [6].

Число оборотов можно измерить только для чистых ферментов. Отчасти по этой причине активность фермента чаще выражается в единицах активности на 1 мг белка (удельная активность). Одна международная единица представляет такое количество фермента, которое катализирует образование 1 мкмоль продукта в 1 мин при стандартных (обычно оптимальных) условиях. В настоящее время Международный биохимический союз [7] рекомендует новую единицу—катал (кат), представляющую собой количество фермента, которое катализирует превращение 1 моль субстрата в продукт за 1 с.

1 кат = 6∙10⁷ международных единиц,

1 международная единица = 16,67 нкат (нанокаталов).

Если фермент является чистым и насыщен субстратом, а также выполнены стандартные условия определения активности, то для числа оборотов справедливы следующие соотношения:

Число оборотов = кат/(моль активных центров) =

= (нкат/мг)∙MB∙10^-6/n =

= (международные единиды/мг)∙MB∙10^-3 ∙ 60/n,

где MB — молекулярный вес фермента, n — число активных центров на молекулу. Поскольку активность фермента зависит от температуры и pH, эти параметры должны быть точно заданы.

Число оборотов для ферментов варьируют от ~1 до ~10⁶ с^-1. Трипсин, химотрипсин и многие внутриклеточные ферменты имеют число оборотов ~ 10² с^-1. К наиболее быстро действующим ферментам относятся каталаза, которая катализирует превращение Н₂О₂ в Н₂О и О₂ (гл. 10, разд. Б, 6), карбоангидраза [8], катализирующая установление равновесия Н₂СО₃⇄Н₂О+СО₂, и ∆⁵-3-кетостероидизомераза [9]. Для этих ферментов максимальные значения числа оборотов составляют 2∙10⁵ с^-1. Сопоставьте эти скорости реакций с теми, которые наблюдаются при проведении типичного органического синтеза в лаборатории. Для ускорения процесса в последнем случае зачастую приходится нагревать реакционную смесь в течение нескольких часов (k<10^-3 с^-1).

Скорости ферментативных реакций нередко более чем в 10⁶ раз превышают скорости реакций, протекающих в отсутствие фермента при близких значениях температуры и pH. Поскольку при связывании со специфическими центрами (активными центрами) ферментов двух или большего числа субстратов происходит сближение последних, ферментативный каталитический процесс протекает с высокой скоростью даже в том случае, когда реагенты присутствуют в реакционной смеси в малых концентрациях.