Скорость реакции и активность фермента: температура, pH, концентрации субстрата и фермента, Vmax и константа Михаэлиса
✏️черновик — не проверено медэкспертом
Режим:
0 из 8 секций
Содержание урока · 0/8
01 / 08
Чему ты научишься
1Формулировать, что изучает кинетика ферментативных реакций и как определяется скорость реакции
2Объяснять, почему скорость реакции служит мерой каталитической активности фермента
3Пользоваться единицами активности: международной единицей (МЕ) и удельной активностью
4Описывать влияние температуры и pH на скорость ферментативной реакции и его механизмы
5Читать гиперболу насыщения: объяснять рост скорости при увеличении [S] и выход на плато Vmax
6Давать определение константы Михаэлиса и применять правило «меньше Km — больше сродство»
7Разбирать зависимость скорости от концентрации фермента и различие изоферментов по Km
8Объяснять кинетические основы энзимодиагностики и дозирования ферментных препаратов
02 / 08
Теория
🟢
Опорные определения
Кинетика ферментативных реакций — раздел энзимологии, изучающий зависимость скорости химических реакций, катализируемых ферментами, от химической природы реагирующих веществ и факторов окружающей среды.
Скорость ферментативной реакции определяется уменьшением количества молекул субстрата или увеличением количества молекул продукта за единицу времени. Скорость реакции — мера каталитической активности фермента; обозначается как активность фермента.
Единицы:
1 международная единица (МЕ) — количество фермента, катализирующее превращение 1 мкмоль субстрата за 1 минуту при оптимальных условиях (37 °C, оптимальный pH); используется в медицинской и фармацевтической практике;
удельная активность (Уд. Ак.) — количество превращённого субстрата (мкмоль) за единицу времени на 1 мг белка; по ней судят о степени очистки фермента: чем меньше посторонних белков, тем выше удельная активность.
Кинетику исследуют в оптимальных условиях; они индивидуальны для каждого фермента и определяются в первую очередь температурой и pH раствора.
Параметры кинетики (заучить)
Обозначение
Смысл
V
начальная скорость реакции — мера активности фермента
Vmax
максимальная скорость при полном насыщении фермента субстратом; постоянна для данной концентрации фермента
Km
константа Михаэлиса — [S], при которой V = ½Vmax; мера сродства фермента к субстрату
[S]
концентрация субстрата — главная переменная кинетического опыта
Мнемоника: Vmax — «сколько может», Km — «как крепко держит».
🟢
Четыре зависимости и правило Km
Температура: до оптимума скорость растёт, как в любой химической реакции; выше оптимума активность падает из-за термической денатурации белка. Оптимум большинства ферментов человека — 37–38 °C.
pH: влияние обусловлено изменением ионизации функциональных групп аминокислотных остатков фермента и субстрата, обеспечивающих образование фермент-субстратного комплекса. У каждого фермента свой оптимум: пепсин 1,0–1,5; трипсин — слабощелочная среда; щелочная фосфатаза — сильнощелочная; большинство ферментов 6,9–7,7.
Концентрация субстрата (при постоянной [E]): график — гипербола. Скорость растёт до полного насыщения фермента субстратом (максимум фермент-субстратных комплексов), затем плато Vmax; дальнейшее повышение [S] скорость не увеличивает.
Концентрация фермента (при избытке субстрата): зависимость прямая — чем больше фермента, тем выше скорость; изоферменты дают разные углы наклона из-за разных Km.
Константа Михаэлиса численно равна концентрации субстрата, при которой достигается половина максимальной скорости. Правило:
чем меньше Km, тем больше сродство фермента к субстрату и выше начальная скорость;
чем больше Km, тем меньше сродство и ниже начальная скорость.
Уравнение Михаэлиса—Ментен: V = Vmax·[S] / (Km + [S]). При [S] ≪ Km скорость почти пропорциональна [S]; при [S] ≫ Km V ≈ Vmax; при [S] = Km V = ½Vmax.
Пример: гексокиназа мышц (Km < 0,1 ммоль/л) работает при любой концентрации глюкозы; глюкокиназа печени (Km ≈ 10 ммоль/л) включается только при высокой глюкозе после еды.
Конспект — для повторения перед парой или экзаменом; сам материал — в полном уроке.
03 / 08
Покрути график сам
Гипербола насыщения — в твоих руках: подвинь концентрацию субстрата [S], константу Km и максимальную скорость Vmax и смотри, что происходит с кривой и со скоростью. Поймай момент, когда [S] сравняется с Km, — маркер сядет ровно на линию ½Vmax, и определение константы Михаэлиса станет очевидным.
v
80,0
v / Vmax
67 %
[S] / Km
2,00
½Vmax
60,0
6,0
3,0
Двигает кривую вбок: меньше Km — раньше разгон и раньше выход к плато. Потолок Vmax при этом не трогается: Km от количества фермента не зависит.
120
Поднимает и опускает потолок — по сути это количество работающего фермента. Km от него не зависит: янтарный пунктир остаётся на месте.
Маркер на восходящем участке: свободные активные центры ещё есть, и каждая новая порция субстрата даёт прибавку скорости. Табло «v / Vmax» показывает, какую долю своего потолка фермент уже отрабатывает.
Режим КОНСПЕКТ — разминка-повторение на ключевых вопросах, результат не записывается. Зачётный результат — за полный тест из 12 вопросов в режимах ПОЛНЫЙ и УГЛУБЛЁННО.
Чему численно равна константа Михаэлиса (Km)?
06 / 08
🩺 Зачем врачу это знать?
Задача 1 из 3Почему печень ждёт обеда
На семинаре разбирают два фермента, катализирующие одну и ту же реакцию: глюкоза + АТФ → глюкозо-6-фосфат + АДФ. Гексокиназа мышц имеет Km < 0,1 ммоль/л и ингибируется глюкозо-6-фосфатом; глюкокиназа печени имеет Km ≈ 10 ммоль/л и глюкозо-6-фосфатом не ингибируется. Натощак глюкоза крови невысока; после еды её концентрация в воротной вене значительно возрастает.
Как разница в Km распределяет работу между тканями и печенью?
Задача 2 из 3Две лаборатории — два разных результата
Сыворотку одного пациента исследовали в двух лабораториях. В первой активность фермента определяли при 37 °C и оптимальном для фермента pH; во второй проба до анализа долго стояла при комнатной температуре, а буфер не соответствовал оптимуму pH. Результаты существенно разошлись.
Почему результат второй лаборатории нельзя сравнивать с нормой?
Задача 3 из 3Почему двойная доза не даёт двойного эффекта
Пациент, принимающий ферментный препарат, самостоятельно удвоил дозу, рассчитывая вдвое ускорить пищеварение, — но заметного усиления эффекта не получил и спрашивает врача, в чём дело.
Какое кинетическое объяснение верно?
07 / 08
Карточки для повторения
Карточка 1 из 15знал 0·не знал 0
Свои карточки
Добавь то, что хочешь запомнить своими словами, — карточка попадёт в колоду и будет помечена «моя».
08 / 08
Итог
✓Кинетика ферментативных реакций изучает зависимость скорости реакций, катализируемых ферментами, от природы реагирующих веществ и факторов среды. Скорость определяется убылью субстрата или приростом продукта за единицу времени и является мерой каталитической активности фермента.
✓1 МЕ — количество фермента, катализирующее превращение 1 мкмоль субстрата за 1 минуту при оптимальных условиях (37 °C, оптимальный pH). Удельная активность — мкмоль субстрата за единицу времени на 1 мг белка; по ней судят о степени очистки фермента.
✓Кинетику исследуют в оптимальных условиях; они индивидуальны для каждого фермента и определяются прежде всего температурой и pH.
✓Температура: до оптимума скорость растёт, выше оптимума падает из-за термической денатурации; оптимум большинства ферментов человека 37–38 °C.
✓pH действует через изменение ионизации функциональных групп фермента и субстрата, образующих фермент-субстратный комплекс. Оптимумы: пепсин 1,0–1,5; трипсин — слабощелочная среда; щелочная фосфатаза — сильнощелочная; большинство ферментов 6,9–7,7.
✓Зависимость скорости от [S] при постоянной [E] — гипербола: рост до полного насыщения фермента субстратом (максимум комплексов ES), затем плато Vmax. Vmax характеризует каталитическую активность и постоянна для данной концентрации фермента.
✓Km численно равна [S], при которой V = ½Vmax; характеризует сродство фермента к субстрату. Меньше Km — больше сродство и выше начальная скорость (ацетилхолинэстераза 9,5·10⁻⁵ М/л против каталазы 2,5·10⁻² М/л). Уравнение Михаэлиса—Ментен: V = Vmax·[S]/(Km + [S]).
✓Скорость прямо пропорциональна концентрации фермента (при избытке субстрата); изоферменты дают разные углы наклона из-за разных Km. На этом основана энзимодиагностика: активность сыворотки отражает количество фермента, вышедшего из повреждённой ткани.
✓Гексокиназа (Km < 0,1 ммоль/л) обеспечивает ткани глюкозой постоянно; глюкокиназа печени (Km ≈ 10 ммоль/л) включается при высокой глюкозе после еды и не ингибируется глюкозо-6-фосфатом — избыток уходит в гликоген.
Далее по модулю — «Ингибирование ферментов»: как лекарства и яды снижают активность ферментов и что при этом происходит с Km и Vmax. Для закрепления собери в конструкторе реакции гексокиназы, ЛДГ и каталазы и пройди колоду карточек; перед парой достаточно повторить режим «Конспект».