Ферментативная кинетика и катализ

Ферментативная кинетика и катализ — это количественное исследование того, как ферменты ускоряют химические реакции и какие скорости реакций они при этом обеспечивают. Эта область связывает измеряемую скорость ферментативно-катализируемой реакции с концентрациями субстрата, фермента и модификаторов, а также с молекулярными событиями в активном центре, которые снижают энергетический барьер между субстратом и продуктом. Эта область предоставляет концептуальную и математическую основу, используемую в энзимологии для описания каталитической мощности и механизма реакции.

Definition

Ферментативная кинетика — это раздел энзимологии, который измеряет и моделирует скорости ферментативно-катализируемых реакций как функции концентраций субстрата, фермента и эффекторов; катализ относится к молекулярным механизмам, посредством которых фермент снижает активационный барьер реакции, не расходуясь при этом сам.

Scope

Эта область знакомит читателя с кинетическими законами ферментативно-катализируемых реакций и с физической основой катализа. Она охватывает описание кинетики односубстратных реакций по Михаэлису-Ментен, механизмы, посредством которых активные центры достигают ускорения реакции, центральную роль стабилизации переходного состояния, квазистационарный подход к реакциям с двумя или более субстратами, а также методы предстационарной кинетики, которые позволяют разрешить отдельные каталитические стадии. Эти темы рассматриваются как справочные материалы в биохимии, а не как клинические рекомендации.

Sub-topics

• Каталитические механизмы ферментов
• Кинетика Михаэлиса-Ментен
• Мультисубстратные ферменты
• Кинетика стационарного состояния и кинетика «всплеска»
• Стабилизация переходного состояния

Core questions

• Как скорость реакции зависит от концентрации субстрата и фермента?
• Какие молекулярные особенности активного центра обеспечивают ускорение реакции?
• Как каталитическая мощность связана со стабилизацией переходного состояния?
• Как кинетически различаются механизмы многосубстратных реакций?
• Что показывают предстационарные измерения, что скрывают квазистационарные скорости?

Key concepts

• Скорость реакции и начальная скорость
• Константа Михаэлиса (Km) и максимальная скорость (Vmax)
• Число оборотов (kcat) и каталитическая эффективность (kcat/Km)
• Энергия активации и переходное состояние
• Квазистационарный и предстационарный режимы
• Одно- и многосубстратные механизмы
• Ингибирование и модуляция ферментов

Key theories

Модель Михаэлиса-Ментен

Подход быстрого равновесия (позднее квазистационарного состояния), в котором фермент и субстрат образуют комплекс, распадающийся на продукт, что приводит к гиперболической зависимости скорости от концентрации субстрата, характеризуемой параметрами Vmax и Km.

Теория стабилизации переходного состояния в катализе

Ферменты ускоряют реакции главным образом за счет более прочного связывания переходного состояния, чем субстрата в основном состоянии, снижая свободную энергию активации; каталитическая эффективность может быть выражена как отношение констант скорости катализируемой и некатализируемой реакций.

Mechanisms

Фермент связывает свой субстрат в активном центре, образуя фермент-субстратный комплекс, затем катализирует превращение в продукт и регенерируется. Каталитическое преимущество возникает потому, что активный центр комплементарен переходному состоянию реакции, поэтому взаимодействия связывания преимущественно стабилизируют эту высокоэнергетическую частицу и снижают свободную энергию активации по сравнению с некатализируемой реакцией. Кинетически зависимость скорости от концентрации субстрата обычно гиперболическая и характеризуется Km (мерой кажущегося сродства к субстрату) и kcat (числом оборотов); их отношение kcat/Km измеряет каталитическую эффективность. Реакции с более чем одним субстратом следуют упорядоченным или случайным последовательным или пинг-понг механизмам, которые можно различить по их квазистационарным кинетическим уравнениям, а методы предстационарной кинетики могут выявить отдельные химические стадии и стадии связывания, которые усредняются в квазистационарном состоянии.

Clinical relevance

Параметры ферментативной кинетики лежат в основе описания того, как многие лекарства действуют как ингибиторы ферментов и как метаболические ферменты перерабатывают субстраты, и они являются частью концептуальной основы лабораторных ферментных анализов. Эта область описывает, как измеряются и интерпретируются каталитические скорости и механизмы; это справочный материал и не является основой для индивидуальных диагностических или лечебных решений.

History

Кинетическое описание ферментов началось с Анри, а также с анализа инвертазы Михаэлисом и Ментен в 1913 году, который установил гиперболический закон скорости, до сих пор носящий их имена. Бриггс и Холдейн позднее обобщили его с помощью предположения о квазистационарном состоянии. Предложение Полинга в середине века о том, что ферменты комплементарны переходному состоянию, сформировало современное понимание катализа, Клеланд систематизировал кинетику многосубстратных реакций в 1960-х годах, а количественные сравнения катализируемых и некатализируемых скоростей Вольфенденом и его коллегами уточнили картину каталитической эффективности.

Debates

Каков доминирующий вклад в ускорение ферментативной реакции?

Стабилизация переходного состояния, в частности электростатическая предорганизация активного центра, широко считается основным источником каталитической мощности, в то время как дополнительная роль динамики и движений белка остается активно обсуждаемой.

Key figures

• Leonor Michaelis
• Maud Menten
• W. Wallace Cleland
• Richard Wolfenden
• Arieh Warshel

Seminal works

• michaelis-menten-1913
• cleland-1963
• radzicka-wolfenden-1995
• benkovic-hammes-schiffer-2003

Frequently asked questions

В чем разница между ферментативной кинетикой и ферментативным катализом?

Кинетика — это измерение и моделирование того, насколько быстро протекают ферментативно-катализируемые реакции в заданных условиях, тогда как катализ относится к молекулярному механизму, посредством которого фермент снижает активационный барьер реакции.

Почему важны Km и kcat?

Km отражает концентрацию субстрата при половинной максимальной скорости и является показателем кажущегося сродства, тогда как kcat — это число оборотов; вместе как kcat/Km они суммируют каталитическую эффективность фермента.