Кинетика биологических процессов - Рубин А.Б.
Скачать (прямая ссылка):
Среди многочисленных и весьма разнообразных по своей природе регуляторов аллостерических ферментов самым распространенным является, по-видимому, субстрат данной ферментативной реакции. При этом субстрат может оказывать на «свой» фермент как активирующее, так и угнетающее действие.
В последние годы убедительно показана важная роль субстратного угнетения в регулировании энергетического метаболизма клетки. Выяснена также аллостерическая природа ингибирования субстратом таких ферментов, как фосфофруктокиназа, цитохром-с-оксидаза, алкоголь-дегидрогеназа и др.
Стационарная кинетика реакций, катализируемых единичными ферментами
Познакомимся теперь с методами исследования стационарной кинетики ферментативных реакций. Их важное преимущество заключается в доступности и простоте экспериментального исследования ферментов в стационарном режиме. Существенную роль играет и тот факт, что системы алгебраических уравнений, описывающих стационарные и квазистационарные состояния ферментативных реакций, как правило, линейны, так как взаимопревращения между быстрыми промежуточными соединениями являются реакциями первого порядка. В силу этого для нахождения квазистационарных концентраций промежуточных веществ используют аппарат линейной алгебры, который достаточно прост и в настоящее время хорошо разработан.
На примере сравнительно простых реакций, часто встречающихся в практике энзимологических исследований, покажем под* ход к анализу и более сложных ферментативных процессов, различающихся как по числу исходных субстратов и образующихся продуктов, так и по количеству, промежуточных стадий. Убедимся в правомерности метода квазистационарных концентраций (КСК). Проведем сравнительный анализ условий существования стационарных режимов в открытых и закрытых, обратимых и необратимых ферментативных реакциях.
Рассмотрим уравнения стационарной кинетики реакций с конкурентным и аллостерическим регулированием ферментов, в том числе с субстратным угнетением, с продуктиой активацией и т. д., а также реакций, катализируемых олигомерными ферментами. Эти уравнения составляют основу теории ферментативного катализа. Они находят широкое применение в изучении механизмов действия отдельных ферментов и их кинетических параметров. Кроме того, эти уравнения являются необходимым звеном в исследовании динамического поведения ферментов в нестационарных условиях.
Метод квазистационарных концентраций
В теории ферментативных процессов, как в любой другой области биологической кинетики, имеет важное значение, будет ли рассматриваемая система закрытой или открытой. Кроме того, необходимо различать обратимые и необратимые ферментативные реакции. Как мы увидим в дальнейшем, свойства кинетики закрытых и открытых, а также обратимых и необратимых ферментативных реакций существенно неодинаковы. Напомним, что закрытой (непроточной) называют такую систему, которая может обмениваться с окружающей средой энергией, но не массой —' в отличие от рассматриваемых классической термодинамикой изолированных систем, неспособных обмениваться с окружающей средой ни массой, ни энергией. Таким образом, для закрытых систем характерно сохранение суммарной массы реагентов. Этим свойством обладают, в частности, некоторые ферментативные реакции, протекающие in vitro — в пробирке (но не в проточном реактиве!). In vivo биохимические системы являются, как правило, открытыми, т. е. осуществляют обмен с окружающей средой как энергией, так и массой.
В последние два десятилетия интенсивно развивается теория биохимических реакций, идущих в проточных условиях.
Начнем изучение стационарной кинетики катализа с простейшей открытой системы, а именно рассмотрим проточную односубстратную реакцию с необратимым образованием одного продукта. (Таким образом, реакция идет в одном направлении S-+P.)
*+i ь
S0*-yS + Е ^ES-^-уЕ + Р-2^. (II.1—3)
Многие ферменты при определенных условиях наряду с прямой реакцией S-+P катализируют обратное превращение продукта в исходный субстрат:
*-2 *-1 Е-г Р^: ES Е S.
*+2 к+1
Реакции, идущие как в прямом (слева .направо), так и в обратном направлении, называются обратимыми, или двухсторонними. Пример такой реакции — взаимопревращение фумаровой и яблочной кислот при действии фумаразы. По мере накопления продукта вклад обратного процесса увеличивается и прямая реакция замедляется. В итоге в системе устанавливается динамическое равновесие, которое определяется константой:
Итак, рассмотрим вначале необратимую реакцию (II.1—3). Примем, что имеется приток субстрата интенсивности vi и отток
шродукта интенсивности V2. Запишем соответствующую систему дифференциальных уравнений:
(И-1-4)
= -k+ tS - Е + A_i [ES] + vlt
at
Щ- = —k+ iS • Е + k-1 [ES] + ?+ 2 [?S],
at
-^*- = k+iS-E—k-i[ES]—k+2[ES\, dt
J?L = k+2[ES]-v2.
Сложив второе и третье уравнения системы (II.1—4), получим
