Ферменты как биокатализаторы — кратко и по сути:
1) Почему ферменты ускоряют реакцию, но не смещают равновесие
- Ферменты снижают энергию активации и стабилизируют переходное состояние, что повышает скорость перехода реагентов в продукты (и обратно). Это воздействие на кинетику, а не на термодинамику.
- Равновесие задаётся термодинамической константой и стандартной свободной энергией: $\Delta G^{\circ }=-RT\ln K_{eq}$. Фермент не меняет $\Delta G^{\circ }$ и поэтому не меняет $K_{eq}$.
- Связь между константой равновесия и скоростными константами: $K_{eq}=\frac{k_f}{k_r}$. Фермент ускоряет и прямой, и обратной шагы примерно пропорционально, поэтому отношение остаётся тем же.
2) Механизмы катализа (почему скорость растёт)
- Стабилизация переходного состояния.
- Сближение и правильная ориентация субстратов (proximity/orientation).
- Кислотно-оснóвая катализация (доноры/акцепторы протонов в активном центре).
- Ковалентная катализация (временное образование ковалентного интермедиата).
- Катализ металло-ионными коферментами.
3) Факторы, определяющие специфичность
- Геометрия и химия активного центра (комплементарность по форме и по электрохимии).
- «Индуцированное прилегание» (induced fit) — конформационные изменения при связывании.
- Аминокислотные остатки, кофакторы/коэнзимы, посттрансляционные модификации.
- Локализация в клетке и доступность субстрата.
- Условия среды: pH, температура, ионная сила (влияют на состояние групп в активном центре и на связывание).
4) Кинетика — Michaelis–Menten (основное)
- Схема: $\mathrm{E}+\mathrm{S}\underset{k_{-1}}{\overset{k_1}{}}\mathrm{ES}\stackrel{k_{cat}}{}\mathrm{E}+\mathrm{P}$.
- При стационарном состоянии скорости образования и распада ES равны, получают закон Михаэлиса–Ментен:
$$v=\frac{V_{max}[S]}{K_m+[S]}$$
где $$V_{max}=k_{cat}[E{]}_0,K_m=\frac{k_{-1}+k_{cat}}{k_1}.$$
- Физический смысл: $K_m$ приближённо отражает константу диссоциации субстрата при условии $k_{cat}\ll k_{-1}$; численно это концентрация субстрата при которой скорость равна половине $V_{max}$.
- Каталитическая эффективность: $\frac{k_{cat}}{K_m}$ — важный параметр, сравнивающий как быстро фермент превращает субстрат при низких $[S]$. Предельная (диффузионная) эффективность порядка $\sim 10^8-10^9{\mathrm{M}}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$.
- Типы ингибирования: конкурентное (увеличивает $K_m$, не меняет $V_{max}$), неконкурентное (уменьшает $V_{max}$, не меняет $K_m$ при чистом неконкурентном), унактивное (изменяет оба). Аллостерические ферменты часто показывают сигмоидальные зависимости и не подчиняются простому MM-закону.
5) Дополнительные факторы, влияющие на кинетику и специфичность
- Посттрансляционные модификации, комплексы белок–белок, компартментализация, концентрация кофакторов, ионной среды.
- Температура: обычно рост скорости до оптимума, затем денатурация. pH: меняет ионизацию активных групп.
Кратко: ферменты повышают скорость реакции за счёт снижения барьера и специфических каталитических приёмов, но не меняют термодинамического равновесия; их специфичность определяется структурой и химией активного центра и регулируется множеством факторов; кинетику часто описывает модель Михаэлиса–Ментен с параметрами $K_m$, $V_{max}$ и $k_{cat}$, а для регуляции важны ингибиторы и аллостерия.