XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Актуальность данной статьи состоит в том, что изучение кинетики ферментативных реакций является важной ступенью в области изучения механизма действия ферментов с целью поиска новых методов промышленного, медицинского и прочего применения ферментов человеком.

Ферменты (энзимы) – катализаторы белковой природы, которые участвуют во многих биохимических реакциях, превращая одни вещества в другие. Они обладают рядом особенностей, среди которых выделяют специфичность и высокую эффективность. Благодаря этим особенностям, ферменты всё чаще используются вместо небелковых катализаторов. Несмотря на то, что ферментативные реакции подчинены общим правилам химических реакций, обычно их рассматривают отдельно.

В качестве показателей каталитической активности ферментов используется скорость реакции или активность фермента.

Скорость ферментативной реакции – это скорость, которая определяется количеством прореагировавших молекул за единицу времени при наличии ряда условий.

где – количество прореагировавших молекул, t – время.

Скорость ферментативной реакции зависит от ряда показателей, среди которых: концентрация фермента, концентрация субстрата, температура, значения pH, наличие активаторов и ингибиторов.

Рассмотрим детальнее эти зависимости, для более глубокого понимания кинетики ферментативных реакций.

Для наглядности изменения величин скоростей в статье будут представлены графики, отражающие зависимость скорости от того или иного фактора. График построен на основе обобщённых данных.

Важным фактором, влияющим на кинетику реакции, является концентрация фермента. При добавлении в реакционную среду молекул фермента, скорость реакции будет возрастать пропорционально росту концентрации фермента, что отражено на рисунке 1.

Рисунок 1 – Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента.

Проанализируем влияние концентрации субстрата на скорость ферментативной реакции. График зависимости не прямолинеен. При малом содержании субстрата, скорость реакции прямо пропорциональна его концентрации. С ростом концентрации скорость ферментативной реакции увеличивается слабее. При достижении очень высоких концентраций, скорость реакции перестаёт зависеть от концентрации субстрата, достигая своего максимального значения. Данная зависимость приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – График зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.

В простейшем виде уравнение превращения субстрата (S) в продукт (P) реакции под ферментативным воздействием катализатора (E) выглядит следующим образом:

В результате составления дифференциальных уравнений для каждого участника процесса и проведения ряда математических операций, получаем уравнение Михаэлиса-Ментен, которое отражает зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата:

,

Где Vmax – максимальная скорость реакции, [S] – концентрация субстрата, Km – константа Михаэлиса.

Если рассматривать графическое изображение зависимости скорости реакции от величины pH среды на рисунке 3, то мы можем отметить, что график имеет колоколообразную форму. Вершина графика представляет собой оптимальное значение pH, при котором наиболее быстро протекает ферментативная реакция. Большинство ферментов имеет оптимум pH 6,0-8,0, за некоторыми исключениями (например, пепсин, для которого оптимальным является значение pH 1,5-2,0).

При изменении pH происходит отклонение от оптимума и скорость реакции заметно снижается. Это происходит в результате ионизации функциональных групп фермента и субстрата. Данное явление нарушает образование фермент-субстратного комплекса.

Рисунок 3 – Зависимость скорости ферментативной реакции от значения pH среды.

Зависимость скорости реакции от температуры при участии ферментов имеет схожее графическое изображение с зависимостью скорости от величины pH, что отражено на рисунке 4.

При повышении температуры на каждые 10℃ происходит увеличение скорости химической реакции в 2 раза. Однако вследствие термолабильности ферментов при дальнейшем повышении температуры происходит процесс денатурации, скорость реакции значительно снижается до тех пор, пока не происходит полное разрушение фермента.

Значение температуры, при котором реакция идёт наиболее быстро - температурный оптимум. Для большинства ферментов температурный оптимум находится в диапазоне 37-40℃. Однако ряд ферментов могут выдерживать нагрев до 100℃ .

Рисунок 4 – Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры.

Как было сказано ранее, изучение темы кинетики ферментативных процессов актуально, так как это поможет расширить сферы применения ферментов. Рассмотрим основные направления использования ферментов, в которых нам может понадобиться изучение кинетики реакций с их участием.

Основным направлением применения знаний о кинетике ферментативных реакций является тонкий органический синтез. Разработаны методы синтеза незаменимой аминокислоты L-лизина из DL-α-аминокапролактама, 6-аминопенициллановой кислоты из пенициллина под воздействием ферментов. Синтез эфиров аминокислот под воздействием α-химотрипсина. Синтез аспарагиновой кислоты из фумаровой кислоты и аммиака под воздействием аспартатаммиаклиазы. Этилового эфира N-ацетил-L-триптофана из этанола под действием иммобилизованного химотрипсина. Успешно проведён синтез некоторых антибиотиков: ампициллина, цефалексина, цефалотина и т.д.

Важную роль изучение кинетики реакций с участием ферментов сыграло в медицинской области. Разработано множество лекарств ферментативной основы предназначенных для лечения многих видов заболеваний: вирусных, онкологических, и так далее. Повсеместно используются лабораторные исследования, основанные на знаниях о кинетике ферментативных реакций.

Также стоит отметить, что применение ферментов востребовано в пищевой промышленности.

Столь обширная область применения ферментов была получена в результате тщательного исследования протекания ферментативных реакций, в том числе механизмов этих реакций.

Таким образом, в статье была рассмотрена тема кинетики ферментативных реакций, а также основные зависимости скорости химической реакции от биохимического состояния системы (концентрации исходных веществ, температура, pH среды). Описаны основные направления применения ферментов в промышленности (тонкий органический синтез, медицина, пищевая промышленность).

Список используемых источников

1.Кинетика ферментативных процессов. Ю.В. Космодемьянский, В.Н. Юрин, В.Г. Боресков, О.И. Якушев..//Известия вузов. Пищевая технология.-1998. –Т. - №5-6. – с 74-75.

2.Кинетика ферментативных реакций: Учеб. пособие по курсу «Ферментативный катализ» для студ. спец. 092901 «Промышленная биотехнология» / А.Н. Огурцов

3.Практическая энзимология / X. Биссвангер ; пер. с англ. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015,— 328 с.: ил.

4.Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия: Учеб. для хим. спец вузов/Под ред. А.Г. Стромберга. – 3-е изд., испр. И доп. – М.: Высш. Шк., 1999. – 527 с.:ил.

Код для цитирования: Скопировать