Э. Корниш-Боуден

I . ОСНОВЫ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ КИНЕТИКИ

Principles of Enzyme Kinetics

ATHEL CORNISH-BOWDEN M. A., D. Phil. (Oxon)

Lecturer in Biochemistry, University of Birmingham

BTJTTERWORTHS LONDON — BOSTON

Sydney — Wellington — Durban — Toronto

Э.Корниш-Боуден

основы

ФЕРМЕНТАТИВНОЙ КИНЕТИКИ

Перевод с английского и предисловие д-ра хим. наук Б. И. Курганова

ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» МОСКВА 1979

УДК 577. 15/. 17

В книге освещены наиболее важные аспекты ферментативной кинетики — способы вывода уравнений стационарной скорости, действие ингибиторов и активаторов на ферменты, кинетические механизмы ферментативных реакций, влияние рН и температуры на скорость ферментативных процессов, кинетические свойства аллостерических ферментов, интегральные формы кинетических уравнений, использование методов быстрой кинетики для исследования протекания ферментативных реакций и принципы статистической обработки данных кинетических измерений.

Книга может быть рекомендована исследователям, работающим в области энзимологии, а также в качестве учебного пособия аспирантам и студентам старших курсов биологических и химических факультетов университетов и медицинских вузов, специализирующимся в области физико-химической и медицинской энзимологии.

Редакция литературы по биологии

21005—119 © Butterworth & Со. 1976

041(01)—79 /а © Перевод на русский язык, «Мир», 1979

Э. Корниш-Боуден

основы ферментативной кинетики

Редактор н. Шафрановсная Художник в. Чернецов Худо кэственный редактор Л. Безрученкэв Технический редактор в. Сизова Корректор н. Спичкина

иб № 1913

Сдано в набор 04.04.78. Подписано к печати 17.10.78. Формат бОХвО'/i . Бумага кн.журн. Ni 2. Гарнлт/ра обыкновеннш. Высокая печать. Объем 8,75 бум. л. 17.50 усл. печ. л. Уч.-изд. л. 16,67 Изд. №4/9766 Цена 2 р. 10 к.. Тираж 4.000 Зак. 282.

ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» Москва, 1-й Рижский пер., 2. Ярославский полиграфконбинат Союзполигра$прома при Государственном комигете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 150014, Ярославль, ул. Свободы, 97.

Предисловие переводчика

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

На протяжении 1975—1977 гг. было опубликовано несколько книг, специально посвященных анализу кинетики действия ферментных систем (Wong J.T.-F., Kinetics of Enzyme Mechanisms, London, Acad. Press, 1975; Promnr H. J., Initial Rate Enzyme Kinetics,.Berlin, Springer-Verlagj 1975; Segel I. H.r Enzyme Kinetics, New York, John Wiley and. Sons, 1975; Roberts D. V., Enzyme Kinetics, Cambridge, Cambridge University Press, 1977 и книга Корниш-Боудена). Их появлении было, не случайным; за ..последние годы достигнуты большие успехи в изучении кинетических механизмов сложных ферментативных процессов, в дальнейшей разработке правил вывода уравнений стационарной скорости, ¦ в анализе сложной кинетики действия аллостериче-ских ферментов и . многокомпонентных ферментных систем.

Относительно небольшая по объему книга известного специалиста в области ферментативной кинетики Корниш-Боудена затрагивает наиболее важные аспекты кинетики протекания реакций, > катализируемых ферментами. В гл. 2, 4, 5 и 6 изложены основные кинетические свойства ферментативных реакций (вывод уравнений Михаэлиса—Ментен, действие ингибиторов и активаторов, кинетические механизмы, влияние рН и температуры). В- гл. 3- представлен предложенный Кингом и Альтманом метод

6

Предисловие переводчика

вывода уравнений стационарной скорости и более поздние модификации этого метода. В этой главе используется математическая теория графов, и если у читателя возникнет желание ознакомиться с этой теорией более детально, он может воспользоваться, например, недавно переведенной книгой Р. Уилсона «Введение в теорию графов» (М., «Мир», 1977).

Гл. 7 содержит основные сведения по кинетике действия ферментов, занимающих ключевые позиции в клеточном метаболизме, — аллостерических ферментов. Необычные кинетические свойства'аллостерических ферментов, важные для выполнения ими регуляторных функций (положительная или отрицательная кинетическая кооперативность по субстрату, т. е. случаи, когда коэффициент Хилла больше или меньше единицы), связаны с их субъединичной структурой и как следствие с наличием в молекуле фермента нескольких активных центров. Бели каталитическая эффективность активных центров изменяется по мере насыщения их субстратом в молекуле фермента (это означает, что существуют взаимодействия между активными центрами), то зависимость скорости ферментативной реакции (v) от концентрации субстрата (S) обнаруживает отклонения от закона Михаэлиса— Ментен. Следует подчеркнуть, что положительная и отрицательная кинетическая кооперативность по субстрату не являются единственными типами кинетического проявления взаимодействия активных центров в аллостерических ферментах J Аллостерические взаимодействия могут приводить также к появлению максимумов и промежуточных плато на кривых зависимости v от [S]0. Для исследования подобных сложных зависимостей потребовалось изменить привычную «стратегию» постановки кинетического эксперимента , пригодную для изучения гиперболических зависимостей v от [S]0: во-первых, экспериментаторам пришлось -существенно увеличивать интервал концентраций субстрата, в котором проводились измерения начальных скоростей ферментативной реакции, и, во-вторых, более «густо» располагать точки по оси концентраций субстрата. Кроме того, потребовалось повысить точность кинетических экспериментов. Применение подобной измененной стратегии к изучению ферментов, не являющихся объектом аллосте-рической регуляции в клетке, показало, что утверждение, гласящее, что большинство ферментов следует кинетике Михаэлиса—

Предисловие переводчика

7

Ментен, является малообоснованным [см., например, критическую статью НШ С. М., Waight R. D., Bardsley W. G., Mol. Cell-Biochemistry, 15, 173 (1977)]. Автор настоящей книги воздержался от обсуждения вопроса о том, как часто выполняется уравнение Михаэлиса—Ментен, и у читателя может сложиться впечатление, что отклонения от гиперболического типа зависимости v от [S]0 возникают довольно редко. Между тем следовало бы обратить внимание энзимологов (особенно молодых исследователей) на необходимость более тщательной постановки кинетических экспериментов.

Вопрос о кинетике действия диссоциирующих аллостериче-ских ферментных систем практически не обсуждается в этой книге, хотя хорошо известно, что многие аллостерические ферменты в условиях определения ферментативной активности обнаруживают способность к диссоциации на отдельные субъединицы (или к ассоциации с образованием ассоциатов большего размера), причем степень диссоциации зависит от присутствия субстратов и аллостерических эффекторов. Для ознакомления с кинетическими свойствами диссоциирующих аллостерических ферментных систем (а также для более детального изучения кинетики действия аллостеричесних ферментов) можно рекомендовать недавно вышедшую книгу Б. И. Курганова «Аллостерические ферменты» (М., «Наука», 1978).

Тем читателям, которые после прочтения гл. 9, посвященной обсуждению применения методов исследования быстрых реакций в энзимологии, захотят разобраться в этих вопросах более детально, можно посоветовать обратиться к сборнику «Методы исследования быстрых реакций» под редакцией Г. Неммиса (М., «Мир», 1977). В этой книге читатель может найти весьма подробное иэложение экспериментальных и теоретических основ -струевых методов, методов релаксационной спектроскопии и ультразвуковых методов.

Последняя глава книги, в которой обсуждается использование статистических методов для обработки данных ферментативной кинетики, представляет, на мой взгляд, особый интерес, поскольку обычно этот вопрос либо совсем не обсуждается в руководствах по кинетике ферментативных реакций, либо обсуждается очень поверхностно. Между тем если исследователь желает оце"

8

Предисловие переводчика

нить точность рассчитываемых им кинетических параметров или желает выяснить, какая из гипотетических схем ферментативного . процесса лучше описывает экспериментальные данные, то без статистической обработки результатов изт мерений ему не обойтись. Совместное использование методов графического представления экспериментальных данных н статистических методов позволяет добиться более надежной интерпретаций экспериментальных результатов. Среди графине* ских способов представления уравнения Михаэлиса—Ментеи следует отдать предпочтение графику зависимости [S]0/^ от {SJe и прямому .^линейному графику, предложенному автором книги Совместно с Эйзенталем. Можно надеяться на то, что после проделанного Корниш-Боуденом тщательного анализа недостатков широко применяемой анаморфозы, предложенной Лайнуивером и Бэрком (речь идет о зависимости 1/w от 1/[S]0), знзимологи наконец откажутся от использования ее при анализе данных ферментативной кинетики.

При подготовке перевода. английского издания были исправлены 'ошибки, (в основном технического характера), замеченные автором и нами при переводе.

• Книга Корниш-Боудена, несомненно, послужит полезным учебным пособием для студентов и аспирантов, специализирую, щихся в области энзимологии, и хорошим руководством для биохимиков, изучающих механизмы ферментативных реакций. Думаю, что^эта книга окажется полезной и для исследователей различных специальностей, занимающихся вопросами практического использования ферментов в медицине и в химической промышленности.

Б. И. Курганов

Предисловие к английскому изданию

Кинетика — дисциплина таинственная и могущественная. Она таинственна для многих ученых, не сумевших преодолеть страх и благоговение перед математическими методами. В