Новости
Библиотека
Таблица эл-тов
Биографии
Карта сайтов
Ссылки
О сайте


Пользовательского поиска




предыдущая главасодержаниеследующая глава

2. Кинетические закономерности реакции в полиферментных системах

Исследования механизмов полиферментных реакций весьма важны с точки зрения анализа процессов в системах биоконверсии энергии. Большой интерес вызывают системы, осуществляющие превращение различных органических соединений (углеводов, спиртов, органических кислот) в водород. Возможность проведения такого рода процессов обусловлена функционированием многостадийных полиферментных цепей.

На рис. 36 приведены данные по кинетике образования водорода в биферментной системе с участием гидрогеназы в качестве терминального фермента. Схему осуществленного процесса можно записать в виде


Рис. 36. Кинетика выделения водорода из формиата натрия в биферментной системе формиатдегидрогеназа - гидрогеназа. 0,3 М формиата; 1 мМ НАД; активность формиатдегидрогеназы 9 мкМ/мин.мл; pH 7,0; 0,05 М фосфата калия; 1 - 0,4 мл гидрогеназы; 2 - 0,2 мл гидрогеназы; 3 - 0,2 мл гидрогеназы без предварительной активации фермента дитионитом натрия
Рис. 36. Кинетика выделения водорода из формиата натрия в биферментной системе формиатдегидрогеназа - гидрогеназа. 0,3 М формиата; 1 мМ НАД; активность формиатдегидрогеназы 9 мкМ/мин⋅мл; pH 7,0; 0,05 М фосфата калия; 1 - 0,4 мл гидрогеназы; 2 - 0,2 мл гидрогеназы; 3 - 0,2 мл гидрогеназы без предварительной активации фермента дитионитом натрия

Теоретический предельный выход преобразования энергии путем получения водорода из формиата равен 99,4%. Для выявления общих и специфических черт реакций и создания количественного базиса их оптимизации следует выяснить количественные закономерности процессов в такого рода системах.

Важный класс реакций с участием многокомпонентных белковых систем представляют собой реакции переноса электрона. Фундаментальной особенностью биоэнергетических механизмов является осуществление окислительно-восстановительных реакций с участием белковых переносчиков электрона. Организация клеточных структур обеспечивает направленный перенос электронов от одних компонентов к другим, создавая своеобразные микротоки. Такого рода процессы играют определяющую роль в механизме трансформации световой энергии в энергию химических связей в фотосинтезе, в механизме трансформации энергии при аэробном дыхании.

Формально-кинетический анализ закономерностей процессов в полиферментных системах дан в работах [463-466]. Рассмотрены системы, в которых уравнение скорости, описывающее поведение каждого фермента цепи, дается уравнением Михаэлиса. Детально анализируются стационарные процессы в линейных цепях. Обсуждаются биферментные системы в стационарном режиме при постоянной концентрации исходного субстрата, дана оценка диапазона времени и условий протекания процесса в стационарном режиме, развиты методы определения кинетических параметров ферментов из данных по стационарной кинетике реакции, рассмотрены регуляторные особенности системы двух ферментов. Рассмотрена кинетика в линейных цепях ферментов, стационарная кинетика при постоянной концентрации исходного субстрата и в системе с учетом материального баланса по субстрату.

В работах [464-466] исследована нестационарная кинетика, предстационарный и релаксационный режимы в биферментной системе и линейных цепях. Основные результаты приведены в табл. 27.

Таблица 27. Кинетические закономерности реакций в полиферментных системах
Таблица 27. Кинетические закономерности реакций в полиферментных системах

Некоторые выводы, полученные при исследовании кинетики реакций в полиферментных системах имеют весьма общий характер [15].

Анализ уравнения 3.13 (из табл. 27) приводит к выводу, что самое большое влияние на общую скорость процесса оказывают ферменты с наименьшей максимальной скоростью. Действительно, в сумму, составляющую знаменатель, наибольший вклад вносят члены, имеющие большое неблагоприятное значение константы Михаэлиса или наименьшую максимальную скорость. В пределе, если существует фермент, для которого отношение Ki/Vi много больше, по сравнению с другими ферментами, уравнение скорости приобретает вид

(3.14)

В этих условиях скорость процесса в целом определяется кинетическими параметрами лишь одного, наиболее медленно работающего фермента. Этот важный вывод - весьма общий для теории сложных химических превращений, поскольку он позволяет говорить о лимитирующей стадии процесса. В условиях работы линейной полиферментной цепи при значительной глубине превращения исходного субстрата в промежуточные метаболиты и существенном различии в кинетических параметрах ферментов Vi/Ki скорость процесса в целом определяется наиболее медленной, лимитирующей стадией.

Возникает вопрос о критериях, которые позволяют определить, какая стадия сложного процесса должна быть лимитирующей. Уравнения (3.13) и (3.14) дают однозначный теоретический критерий определения лимитирующей стадии. Из уравнения (3.14) следует, что скорость процесса в целом линейно зависит от концентрации фермента, определяющего скорость реакции, и практически не зависит от концентрации остальных ферментов. Если экспериментально допустимо изменение в системе концентрации ферментов, этот подход можно использовать для определения лимитирующей стадии реакции. Изменить в системе концентрацию активного фермента и соответственно скорость данной стадии реакции в некоторых случаях можно путем непосредственной вариации концентрации фермента. Более общий подход заключается в применении различных обратимых и необратимых специфических ингибиторов ферментов.

При увеличении скорости наиболее медленной стадии или, наоборот, уменьшении скорости быстрой стадии может происходить смена лимитирующей стадии (рис. 37). Если в общую скорость реакции наибольший вклад вносят два наиболее "плохо" работающих фермента, уравнение скорости имеет вид

(3.15)
Рис. 37. Смена лимитирующей стадии в процессе изменения концентрации фермента, лимитирующего процесса на начальном участке
Рис. 37. Смена лимитирующей стадии в процессе изменения концентрации фермента, лимитирующего процесса на начальном участке

В условиях υiKj << υjKi скорость процесса определяется i-й стадией реакции. В этой области наблюдается линейная зависимость скорости процесса от концентрации i-го фермента. В области соизмеримых значений υiKj и υjKi оба фермента вносят вклад в скорость процесса и наблюдается отклонение от линейной зависимости процесса от концентрации i-го фермента. И наконец, в условиях υiKj >> υiKj скорость реакции не зависит от концентрации фермента Ei и лимитирующей становится j-я стадия превращения субстрата.

Рассмотрим работу линейной полиферментной цепи при широкой вариации активности одного из ее ферментов. Предположим, что в исходном состоянии система работает в режиме, когда υi >> υ0 для каждого из ферментов цепи. Это приводит к тому, что концентрации промежуточных метаболитов, установившиеся в стационарном состоянии, будут меньше констант Михаэлиса соответствующих ферментов, осуществляющих превращение данного субстрата. Если мы начнем ингибировать один из ферментов цепи, скорость реакции расхода данного промежуточного метаболита будет падать. Однако, если в этих условиях будет выполняться неравенство υi >> υ0, это не скажется на общей скорости реакции. Уменьшение скорости расхода промежуточного субстрата автоматически приведет к увеличению его стационарной концентрации, что даст увеличение скорости процесса на данной стадии. Скорость превращения промежуточного метаболита автоматически подстроится под общую скорость реакции, которая будет определяться скоростью первой стадии (υст = υ0).

Если увеличить степень ингибирования данного фермента настолько, что неравенство υi >> υ0 выполняться не будет, увеличение концентрации промежуточного метаболита достигнет такого уровня, что его концентрацию необходимо учитывать в уравнении материального баланса по субстрату. В этом режиме (при условии [Si]ст << Ki) кинетика реакции описывается уравнением типа (3.13) и начинает появляться зависимость скорости процесса от концентрации ингибируемого фермента. При существенном уменьшении активности этого фермента скорость реакции будет лимитироваться превращением данного метаболита.

В работе [260] дан статистический анализ известных в литературе данных по величинам kкат и показано, что наиболее вероятны значения констант скоростей лимитирующих стадий лежат около 102 с-1. Можно ожидать, что эта величина является характеристикой лимитирующих стадий в полиферментных реакциях.

Таким образом, проведенный выше анализ позволил количественно сформулировать представление о лимитирующей стадии процесса в полиферментной линейной цепи и дать критерии, позволяющие определить лимитирующую стадию.

предыдущая главасодержаниеследующая глава



ИНТЕРЕСНО:

Биохимической реакцией будут управлять с помощью света

Новый композитный материал позволит получать чистый водород из метана

Новое соединение вольфрама и бора станет материалом рекордной твердости

Японские химики синтезировали «нано-Сатурн»

Учёные создали «невозможные» нитриды простым способом

Искусственный интеллект научили составлять молекулы

Ученые научились наблюдать за сверхбыстрыми химическими процессами

Почему на Западе периодическую таблицу никак не связывают с именем Менделеева

Люминесцентные наночастицы открыли новый этап в истории дактилоскопии

Нобелевская премия по химии присуждена за развитие криоэлектронной микроскопии

Новый метод анализа белков работает в 50 раз быстрее

Создана первая «химическая память» объемом в 1 бит

193 года назад впервые получено органическое соединение из неорганических

Ученые разработали программу, которая высчитывает свойства молекул сложных химических соединений

Самосборкой получены структуры из 144 молекулярных компонентов

Учёные создали нанореактор для производства водорода

Ученые из Швеции создали «деревянное стекло»

Разработан новый метод создания молекул

Японские ученые создали жидкий квазиметалл, застывающий на свету

Нобелевскую премию по химии присудили за синтез молекулярных машин

Новая компьютерная программа предсказывает химические связи

Получены цветные изображения на электронном микроскопе

В упавшем в России метеорите обнаружен уникальный квазикристалл

10 невероятно опасных химических веществ

Создатель «суперклея» Гарри Кувер – химик и изобретатель, автор 460 патентов, самый известный из которых так и не помог ему разбогатеть




© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2018
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу источник:
http://chemlib.ru/ 'ChemLib.ru: Библиотека по химии'