Влиянии концентрации субстрата на скорость реакций, катализируемых ферментами

Давайте рассмотрим влияние измене­ния концентрации субстрата на началь­ную скорость ферментативной реакции при постоянной концентрации фермента (рис. 2.). При очень низких концентра­циях субстрата скорость реакции очень мала, но постепенно возрастает по мере повышения концентрации субстрата. Ес­ли мы будем измерять начальную ско­рость каталитической реакции при раз­ных, все возрастающих концентрациях субстрата, то обнаружим, что прираще­ния скорости становятся с каждым разом все меньше и меньше. Наконец, насту­пает момент, когда любое увеличение концентрации субстрата вызывает лишь бесконечно малое ускорение реакции (рис. 9-4). Как бы ни увеличивалась при этом концентрация субстрата, скорость реакции может лишь приближаться к плато, но никогда его не достигнет. На этом плато, называемом максимальной скоростью реакции (Vмах)» фермент «на­сыщен» субстратом и не может функцио­нировать быстрее.

Такой эффект насыщения свойствен почти всем ферментам. Это наблюдение позволило Виктору Генри сделать в 1903 г. вывод, что необходимой стадией ферментативного катализа является со­единение фермента с субстратом, в результате чего образуется фермент-суб­стратный комплекс. Развитие этой идеи привело в дальнейшем к созданию общей теории действия ферментов; особенно большой вклад в эту теорию внесли Лео­нор Михаэлис и Мод Ментен. В 1913 г. они постулировали, что фермент Е снача­ла обратимо и относительно быстро соединяется со своим субстратом S в реакции

 

Е + S ES.

 

Образовавшийся при этом фермент-суб­стратный комплекс затем распадается во второй более медленной обратимой ре­акции с образованием продукта реакции Р и свободного фермента Е

 

 

ES Е + Р.

 

Поскольку эта вторая, более медленная реакция представляет собой стадию, лимитирующую скорость всего процесса, общая скорость катализируемой фермен­том реакции должна быть пропорцио­нальна концентрации фермент-субстрат­ного комплекса ES. В ходе каталитиче­ской реакции в любой момент времени фермент существует в двух формах: в свободной, или несвязанной, форме и в связанном виде, т. е. в составе комплек­са ES. Скорость каталитической реакции, очевидно, будет максимальной, когда фактически весь фермент перейдет в ком­плекс ES, а концентрация свободного фермента Е станет предельно низкой. Это условие выполняется только при очень высоких концентрациях субстрата, так как, согласно закону действующих масс, при повышении концентрации S равновесие первой реакции сдвигается

вправо

Е + S ES.

Если мы повысим концентрацию S до до­статочно высокого уровня, то практически весь фермент Е перейдет в форму ES. В ходе второй реакции каталитического цикла комплекс ES непрерывно и быстро распадается на продукт Р и свободный фермент. Но если концентрация S доста­точно высока, свободный фермент будет сразу же взаимодействовать с другой мо­лекулой S. В этих условиях устанавли­вается некое стационарное состояние, при котором фермент полностью насы­щен субстратом и реакция протекает с максимальной скоростью.