А. Модель Михаэлиса-Ментен

Полный математический анализ ферментативной реакции приводит к сложным уравнениям, не пригодным для практического применения. Наиболее удобной оказалась простая модель, разработанная в 1913 г. Она объясняет характерную гиперболическую зависимость активности фермента от концентрации субстрата (1) и позволяет получать константы, которые количественно характеризуют эффективность фермента.

Модель Михаэлиса-Ментен исходит из того, что вначале субстрат А образует с ферментом E (З) комплекс, который превращается в продукт В намного быстрее, чем в отсутствие фермента. Константа скорости k_кат (2) намного выше, чем константа некаталитической реакции k. Константу k_кат называют еще «числом оборотов» поскольку она соответствует числу молекул субстрата, превращаемых в продукт одной молекулой фермента за 1 с. Согласно этой модели, активность фермента определяется долей комплекса EA от общей концентрации фермента [E] _t , т. е., отношением [EA] / [E] _t (З). С целью упрощения модель предполагает, что E, А и ЕА находятся в химическом равновесии согласно закону действующих масс (см. с. 24), что дает в итоге для диссоциации комплекса EA уравнение:

[E][A]/[EA] = K_m Поскольку [E] _t = [E] + [EA],

[EА] = [E] _t [А]/(К_m + [А])

Из v = k_кат[EA] (2) и предыдущего выражения получают уравнение Михаэлиса-Ментен (4).

Уравнение содержит две величины (два параметра), которые не зависят от концентрации субстрата [A], но характеризуют свойства фермента: это произведение k_кат[E] _t , соответствующее максимальной скорости реакции V при высокий концентрации субстрата, и константа Михаэлиса К_m , характеризующая сродство фермента к субстрату. Константа Михаэлиса численно равна той концентрации субстрата [A]. при которой ν достигает половины максимальной величины V (если v = V/2, то [A] / (К_m + [A]) = 1/2, т. е. K_m = [А]). Высокое сродство фермента к субстрату характеризуется низкой величиной К_m и наоборот,

Модель Михаэлиса-Ментен основывается на нескольких не совсем реальных допущениях, таких, как необратимое превращение EA в E + В, достижение равновесия между E, A и EA, отсутствие в растворе других форм фермента, кроме E и EA. Только при соблюдении этих гипотетических условий K_m соответствует константе диссоциации комплекса, а k_кат — константе скорости peакции EA → E + В.

Б. Определение V и Кm

В принципе V и К_m можно определить по графику зависимости v от [A] (рис. слева). Так как v асимптотически достигает V с возрастанием концентрации субстрата [A], то затруднительно получить надежную величину V и К_m (рис. слева) путем экстраполяции.

Для удобства расчетов уравнение Михаэлиса-Ментен можно преобразовать так, чтобы экспериментальные точки лежали на прямой. При одном из таких графических преобразований в так называемом графике Иди-Хофсти (pиc. справа) строят график зависимости v от v/[A]. В этом случае точка пересечения прямой, полученной путем наилучшей линейной аппроксимации экспериментальных точек, с осью ординат соответствует V, а тангенс угла наклона равен -K_m. Такой графический подход дня определения V и К_m также не оптимален. В настоящее время данные ферментативной кинетики обрабатывают быстрее и более объективно с помощью вычислительной техники.

K-12. Механизм фотосинтеза

Фотосинтез - образование живыми растительными клетками органических веществ, таких, как сахара и крахмал, из неорганических – из СО₂ и воды – с помощью энергии света, поглощаемого пигментами растений. 

Г лавная реакція фотосинтеза;

Суммарный итог химических реакций фотосинтеза может быть описан для каждого из его продуктов отдельным химическим уравнением. Для простого сахара глюкозы уравнение имеет следующий вид:

Механизм фотосинтеза. Фотосинтез протекает в две стадии: световую и темновую. Световая стадия – это процесс использования света для расщепления воды; при этом выделяется кислород и образуются богатые энергией соединения.

Темновая стадия включает группу реакций, в которых используются высокоэнергетические продукты световой стадии для восстановления СО₂ до простого сахара, т.е. для ассимиляции углерода. Поэтому темновую стадию называют также стадией синтеза.

На свету происходит перенос электронов от воды к фотосинтетическому окислителю, который в результате этого становится донором электронов для восстановления диоксида углерода на следующей стадии фотосинтеза. Переносчиком электронов служит никотинамидадениндинуклеотидфосфат. Его окисленную форму обозначают НАДФ⁺, а восстановленную (образующуюся после присоединения двух электронов и иона водорода) – НАДФН. В НАДФ⁺ атом азота пятивалентный (четыре связи и один положительный заряд), а в НАДФН – трехвалентный (три связи). НАДФ⁺ принадлежит к т.н. коферментам. Коферменты совместно с ферментами осуществляют многие химические реакции в живых системах, но в отличие от ферментов в ходе реакции изменяются. Б льшая часть преобразованной световой энергии, запасаемой в световой стадии фотосинтеза, запасается при переносе электронов от воды к НАДФ⁺.

Образовавшийся НАДФН удерживает электроны не столь прочно, как кислород воды, и может отдавать их в процессах синтеза органических соединений, расходуя накопленную энергию на полезную химическую работу. Значительное количество энергии запасается в форме АТФ.

АТФ и НАДФН, образующиеся (наряду с О₂) в световой стадии фотосинтеза, используются затем на стадии синтеза углеводов и других органических соединений из диоксида углерода в темновой стадии.(смотри следующий вопрос)

K-13. Фотосистемы 1 и 2

Фотосистемы. Хлорофилл и каротиноиды, погруженные в тилакоидные мембраны хлоропластов, собраны в функциональные единицы – фотосистемы, каждая из которых содержит примерно 250 молекул пигментов. Устройство фотосистемы таково, что из всех этих молекул, способных поглощать свет, только одна особым образом расположенная молекула хлорофилла а может использовать его энергию в фотохимических реакциях – она является реакционным центром фотосистемы. Остальные молекулы пигментов, поглощая свет, передают его энергию на реакционный центр; эти светособирающие молекулы называют антенными.

Существует два типа фотосистем. В фотосистеме I специфическая молекула хлорофилла а, составляющая реакционный центр, имеет оптимум поглощения при длине световой волны 700 нм (обозначается P₇₀₀; P –пигмент), а в фотосистеме II – при 680 нм (P₆₈₀). Обычно обе фотосистемы работают синхронно и (на свету) непрерывно, хотя фотосистема I может работать и отдельно.

Превращения световой энергии. Рассмотрение этого вопроса следует начать с фотосистемы II, где энергия света утилизируется реакционным центром P₆₈₀. Когда в эту фотосистему поступает свет, его энергия возбуждает молекулу P₆₈₀, и пара возбужденных, энергизованных электронов, принадлежащих этой молекуле, отрывается и переносится на молекулу акцептора (вероятно, хинона), обозначаемого буквой Q. P₆₈₀, потеряв два электрона, окислилась, и для того, чтобы процесс на этом не прекратился, она должна восстановиться, т.е. получить два электрона из какого-либо источника. Таким источником служит вода: она расщепляется на 2Н⁺ и ¹/₂O₂, отдавая два электрона на окисленный P₆₈₀.

Далее в фотосистеме II пара электронов идет от акцептора Q к фотосистеме I по электрон-транспортной цепи, очень сходной по организации с аналогичной цепью в митохондриях. В ее состав входят цитохромы, белки, содержащие железо и серу, медь-содержащий белок и другие компоненты. Постепенный спуск электронов от более энергизованного состояния к менее энергизованному сопряжен с синтезом АТФ из АДФ и неорганического фосфата. В результате энергия света не утрачивается, а запасается в фосфатных связях АТФ, которые могут быть использованы в процессах метаболизма. Образование АТФ в ходе фотосинтеза называют фотофосфорилированием.

Одновременно с описанным процессом идет поглощение света в фотосистеме I. Здесь его энергия тоже используется на отрыв двух электронов от реакционного центра (P₇₀₀) и передачу их на акцептор – железосодержащий белок. От этого акцептора через промежуточный переносчик оба электрона идут на НАДФ⁺, который в результате становится способным присоединить ионы водорода (образовавшиеся при фотолизе воды и сохранившиеся в тилакоидах) – и превращается в НАДФН. Что касается окислившегося в начале процесса реакционного центра P₇₀₀, то он принимает два электрона из фотосистемы II, что возвращает его в исходное состояние.

Темновые реакции (стадия синтеза). Синтез органических соединений путем восстановления СО₂ тоже происходит в хлоропластах. АТФ и НАДФН, поставляемые световой реакцией\ служат для реакций синтеза источником энергии и электронов.

Кратко процессы темновой стадии записывают так:

1) Рибулозомонофосфат + АТФ  Рибулозодифосфат + АДФ

2) Рибулозодифосфат + СО₂  Нестойкое С₆-соединение

3) Нестойкое С₆-соединение + Н₂О  2 ФГК

4) ФГК + АТФ + НАДФН  АДФ + H₂PO₄^2– + Триозофосфат (С₃).

Таким образом, в результате одного оборота цикла одна молекула диоксида углерода включается в состав трехуглеродного органического соединения; три оборота цикла суммарно дают новую молекулу последнего, а для синтеза молекулы шестиуглеродного сахара (глюкозы или фруктозы) необходимы две трехуглеродные молекулы и соответственно 6 оборотов цикла. Прирост органического вещества цикл отдает реакциям, в которых образуются различные сахара, жирные кислоты и аминокислоты, т.е. «строительные блоки» крахмала, жиров и белков.

K-14. Електрохімічний потенціал протонів (значення в біопроцесах)

Основні процеси за участю електрохімічного потенціалу протонів :

1. Синтез АТФ в мітохондріях

2. Синтез АТФ в хлоропластах

3. Рух бактерій

В більшості організмів:

Утворення АТФ можна розділити на дві стадії