Галимова М.Х. Ферментативная кинетика:
Справочник по механизмам реакций. (50 механизмов ферментативных реакций и их кинетическое поведение)

Содержание

Предисловие

В клетке химические реакции выполняют бесчисленное множество разных задач. Производство энергии, синтез всех без исключения клеточных структур, выполнение большинства физиологических функций – все связано с разнообразными химическими, а точнее с биохимическими, реакциями. Каждую биохимическую реакцию катализирует специальный белок – фермент, и такую реакцию принято называть ферментативной. Ферментов в клетке – тысячи. Все ферментативные реакции протекают контролируемым образом. Скорость каждой реакции управляется в строгом соответствии с выполняемой ферментом задачей. Это управление осуществляется разными молекулами, взаимодействующими с ферментом и меняющими его состояние. В первую очередь, на скорость ферментативной реакции оказывают влияние непосредственные участники реакции – субстраты, т.е. вещества, подвергающиеся химическому превращению, и продукты  – вещества, получающиеся в ходе реакции. Выяснение закономерностей такой регуляции является предметом ферментативной кинетики. Знание того, каковы кинетические свойства каждого фермента, абсолютно необходимо для понимания работы отдельных внутриклеточных подсистем и клетки в целом. Поэтому трудно переоценить роль ферментативной кинетики в современной биологии.

Важную роль в ферментативной кинетике играет ее теоретическая часть – развитие методов анализа и формализации математического описания разных ферментативных реакций. Формула, описывающая зависимость скорости ферментативной реакции от концентраций субстратов и продуктов этой реакции, концентраций других веществ и от времени, является главным результатом кропотливой работы как экспериментаторов, изучающих данный фермент и катализируемую им реакцию, так и теоретиков, анализирующих возможные механизмы протекания этой реакции. В ходе этой работы всегда присутствует существенный формальный этап – превращение химических представлений в математическую формулу. Это довольно сложный процесс, требующий времени и специальных знаний. Однако исследователям, экспериментально изучающим конкретный фермент, процесс математического преобразования биохимической реакции может не представлять интереса; им предпочтительно иметь готовую математическую формулу. И это их предпочтение вполне можно удовлетворить. Несмотря на огромное разнообразие механизмов, которые описывают протекание ферментативных реакций, существует множество однотипных реакций и механизмов. Возможна классификация реакций и получение формул, которые применимы уже в готовом виде. В основе такой классификации лежит схема взаимодействий ферментов между собой и субстратов с ферментом. Для каждой конкретной схемы может быть выведена формула, которая описывает кинетику любой реакции, протекающей в соответствии с данной схемой превращений.

Много лет тому назад под руководством проф. Е.Е.Селькова автором была начата регулярная работа по созданию справочника по ферментативной кинетике. Многие математические формулы были выведены впервые. Автор предлагаемого читателю справочника подводит промежуточный итог этой огромной работе. 50 механизмов ферментативных реакций проанализировано с единых позиций и выведены формулы, описывающие кинетическое поведение реакций для этих механизмов в функции концентраций субстратов и продуктов этих реакций. Читатель найдет в справочнике формулы для большинства механизмов, часто встречающихся в биохимии.

Кому адресована эта книга? Конечно, в первую очередь, она должна стать настольным пособием для всех людей, занимающихся изучением кинетики конкретных ферментов. Есть еще довольно большой круг специалистов, которые могут оказаться потребителями этой продукции. Это – исследователи, занимающиеся изучением функционирования метаболических, или полиферментных, систем, а также специалисты по клеточной биологии. Возникновение геномики и протеомики – наук, в основе которых лежит изучение больших наборов генов, вплоть до всего генома, у данного организма и их продуктов – белков, ведет к быстрому росту спроса на информацию о кинетике отдельных ферментативных реакций. Сегодня биоинформатика ставит задачи создания электронной клетки – компьютерного, математизированного описания всей клетки. В этой гигантской задаче неоценима роль ферментативной кинетики. Информация об отдельных реакциях является базовой для таких работ, и спрос на такую информацию быстро растет. Если раньше изучением одного фермента занимались многие лаборатории в течение многих лет, то теперь речь идет об одновременном изучении сотен и тысяч ферментов. И для каждого из них необходимо описание кинетики. Предлагаемый читателям справочник будет повседневно необходим всем исследователям, занятым этими задачами.

В начале книги имеется довольно хорошо написанный краткий учебник ферментативной кинетики. С помощью этого учебника любой неподготовленный читатель может приобрести базовые представления о ферментативной кинетике и научиться использовать полученные формулы для описания своих систем. Благодаря этой особенности справочник может стать полезным пособием для студентов, специализирующихся в медико-биологических направлениях.

Введение

Во второй половине прошлого века наблюдалось бурное развитие ферментативной кинетики. Ее стали широко применять во всех разделах биохимии [1–3]; более того, она стала необходима в фармакологии и многих других областях медико-биологических наук. Это связано с тем, что современная энзимология стала комплексной наукой.

Начальным этапом развития ферментативной кинетики можно считать работы Брауна и Анри в начале прошлого века [4, 5], в которых выдвигалась идея об образовании в ходе ферментативного катализа промежуточного фермент-субстратного комплекса (ФСК) с его последующим распадом на свободный фермент и продукт. Это предположение явилось базой для развития математического моделирования в энзимологии, несмотря на то, что экспериментальное подтверждение образования ФСК в ходе реакции было впервые получено только в 1943 году [6]. Исходя из постулатов о существовании ФСК, быстром установлении равновесия между субстратами и ФСК в соответствии с законом действующих масс, Анри [5], а затем Михаэлис и Ментен вывели уравнение скорости реакции, применив его для описания кинетики фермента фруктофуранозидазы [7]. Дальнейший прогресс в математическом моделировании ферментативных реакций связан с развитием идеи о лимитирующем влиянии концентрации фермента на скорость реакции [8] и ингибиторного анализа [9, 10]. С краткой историей развития химической кинетики можно ознакомиться, например, в книге Варфоломеева с коллегами [11].

Параллельно усложнялись математические модели ферментативных реакций в направлении увеличения их порядка. Потребность в моделировании таких реакций привела к развитию нового направления в ферментативной кинетике: записи уравнений начальной скорости реакций, минуя стадию решения системы алгебраических уравнений. Наиболее экономичным и наглядным оказался метод графов [12–14], позволяющий полностью формализовать процедуру получения уравнения скорости реакции из схематического представления ее механизма. Кроме того, методы графов позволяют упрощать схемы ферментативных реакций, рассматривать очень сложные механизмы, полный граф которых часто даже трудно изобразить.

Измерения скорости реакций преследуют двоякую цель. Во-первых, они позволяют ответить на вопрос, как быстро данное количество фермента может превратить данное количество субстрата в продукт или как быстро образуется или исчезает то или иное промежуточное соединение. Во-вторых, кинетические исследования являются основой большинства методов, используемых для установления механизма реакций.

Измерения стационарных скоростей сыграли исключительно важную роль в дифференциации различных механизмов ферментативных реакций. Необходимость разработки методов анализа кинетических механизмов обусловлена тем, что для подобных реакций существует большое число механизмов, которые относительно мало отличаются по кинетическим свойствам. Одними из первых осознали необходимость систематического подхода в исследовании кинетических свойств различных механизмов ферментативных реакций и вывели уравнения скорости для некоторых из них Сигал, Кахмар и Бойер [15].

Развитие математических методов ферментативной кинетики позволило оценивать константы скорости реакций из экспериментальных данных, определять механизмы ингибирования и количественные оценки констант ингибирования, создать подробную классификацию различных типов реакций вплоть до третьего порядка [16].

Поскольку обычно невозможно измерить все индивидуальные константы скорости, были предприняты многочисленные попытки представить уравнение скорости в форме, содержащей параметры, которые имели бы более определенный физический смысл [17–19]. Простейшим из подходов для понимания и использования стал метод Клиланда [17].

Для отдельных механизмов ферментативных реакций уравнения скорости реакции давно известны и хорошо разработаны [20–23]. К сожалению, до сих пор не существует полной информации об уравнениях скорости, математических моделях и других данных большинства ферментативных реакций. Для того, чтобы восполнить существующий пробел в этих знаниях, была проделана данная работа. C использованием перечисленных выше методов созданы и получены: кинетические схемы, графы, математические модели, уравнения скоростей (в различных формах) и другие данные для различных одно-, двух- и трехсубстратных / продуктных механизмов ферментативных реакций.

Об авторе

Закончила факультет вычислительной математики и кибернетики Казанского государственного университета по специальности "прикладная математика". Работает в лаборатории метаболического моделирования и биоинформатики Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино).

Начинала свою творческую деятельность под руководством одного из выдающихся российских специалистов по кинетике ферментативных реакций и регуляции метаболических процессов, профессора Е.Е.Селькова. Именно ему принадлежит идея создания каталога-справочника по кинетике ферментативных реакций, работу над которым М.Х.Галимова начала 10 лет назад. По мере развития компьютерных технологий этот справочник постепенно превратился в компьютерную базу данных. В настоящее время М.Х.Галимова – программист, научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, – является одним из наиболее опытных исследователей в этой области. Ее научные интересы: ферментативная кинетика, биоинформатика, компьютерное моделирование ферментативных реакций и метаболических путей. Участник группы составителей базы данных EMP (Enzyme Metabolic Pathway database).