الإنزيمات عبارة عن بروتينات في الأنظمة البيولوجية تساعد في تسريع التفاعلات التي يمكن أن تحدث بشكل أبطأ بكثير مما يحدث بدون مساعدة الإنزيم. على هذا النحو ، هم نوع من المحفز. تلعب المحفزات غير البيولوجية الأخرى دورًا في الصناعة وفي أي مكان آخر (على سبيل المثال ، تساعد المحفزات الكيميائية في احتراق البنزين لتعزيز قدرات المحركات التي تعمل بالغاز). ومع ذلك ، فإن الإنزيمات فريدة من نوعها في آلية عملها التحفيزي. إنها تعمل عن طريق خفض طاقة التنشيط للتفاعل دون تغيير حالات طاقة المواد المتفاعلة (مدخلات تفاعل كيميائي) أو المنتجات (النواتج). بدلاً من ذلك ، فإنها في الواقع تخلق مسارًا أكثر سلاسة من المواد المتفاعلة إلى المنتجات عن طريق تقليل كمية الطاقة التي يجب "استثمارها" من أجل الحصول على "عائد" في شكل منتجات.
نظرًا لدور الإنزيمات وحقيقة أن العديد من هذه البروتينات التي تحدث بشكل طبيعي قد تم اختيارها للاستخدام العلاجي البشري (أحد الأمثلة على ذلك اللاكتاز ، وهو الإنزيم الذي يساعد في هضم سكر الحليب الذي يفشل ملايين الأشخاص في إنتاجه) ، فليس من المستغرب أن يكون لدى علماء الأحياء ابتكر أدوات رسمية لتقييم مدى جودة أداء إنزيمات معينة لوظائفها في ظل ظروف معينة ومعروفة - أي تحديد الحفاز نجاعة.
أساسيات الإنزيم
السمة المهمة للإنزيمات هي خصوصيتها. تعمل الإنزيمات ، بشكل عام ، على تحفيز واحد فقط من مئات التفاعلات الأيضية الكيميائية الحيوية التي تتكشف داخل جسم الإنسان في جميع الأوقات. وبالتالي يمكن اعتبار إنزيم معين بمثابة قفل ، ويمكن تشبيه المركب المحدد الذي يعمل عليه ، والذي يسمى الركيزة ، بمفتاح. يُعرف جزء الإنزيم الذي تتفاعل معه الركيزة بالموقع النشط للإنزيم.
تتكون الإنزيمات ، مثل جميع البروتينات ، من سلاسل طويلة من الأحماض الأمينية ، يوجد حوالي 20 منها في الأنظمة البشرية. لذلك تتكون المواقع النشطة للأنزيمات عادةً من بقايا الأحماض الأمينية ، أو قطع غير كاملة كيميائيًا من حمض أميني معين ، والذي قد "ينقص" بروتون أو ذرة أخرى وتحمل شحنة كهربائية صافية مثل نتيجة.
الإنزيمات ، بشكل حاسم ، لا تتغير في التفاعلات التي تحفزها - على الأقل ليس بعد انتهاء التفاعل. لكنهم يخضعون لتغييرات مؤقتة أثناء التفاعل نفسه ، وهي وظيفة ضرورية في السماح للتفاعل الحالي بالمضي قدمًا. لمواصلة تشبيه القفل والمفتاح ، عندما "تجد" الركيزة الإنزيم المطلوب لتفاعل معين وترتبط بالأنزيم النشط الموقع ("إدخال المفتاح") ، يخضع مركب الركيزة الإنزيمية للتغييرات ("تحول المفتاح") التي تؤدي إلى إطلاق عنصر جديد منتج.
حركية الإنزيم
يمكن تمثيل تفاعل الركيزة والإنزيم والمنتج في تفاعل معين على النحو التالي:
E + S ⇌ ES → E + P.
هنا، ه يمثل الانزيم ، س هي الركيزة و ص هو المنتج. وبالتالي ، قد تتصور العملية على أنها قريبة جدًا من كتلة من الصلصال (س) تصبح وعاءًا مكتمل التكوين (ص) تحت تأثير حرفي بشري (ه). قد يُنظر إلى يدي الحرفي على أنها الموقع النشط لـ "الإنزيم" الذي يجسده هذا الشخص. عندما يصبح الطين المتكتل "مرتبطًا" بيدي الشخص ، فإنها تشكل "معقدًا" لفترة زمنية ، يتم خلالها يتم تشكيل الصلصال في شكل مختلف ومحدد مسبقًا بفعل اليد التي يتم ربطها بها (ES). ثم ، عندما يتم تشكيل الوعاء بالكامل ولا حاجة لمزيد من العمل ، فإن اليدين (ه) حرر الوعاء (ص) ، واكتملت العملية.
الآن ضع في اعتبارك الأسهم في الرسم البياني أعلاه. ستلاحظ أن الخطوة بين ه + س و ES لديه أسهم تتحرك في كلا الاتجاهين ، مما يعني أنه ، تمامًا كما يمكن أن يرتبط الإنزيم والركيزة معًا لتشكيل مركب الركيزة الإنزيمية ، يمكن أن ينفصل هذا المركب في الاتجاه الآخر لتحرير الإنزيم وركائزه في النماذج الأصلية.
السهم أحادي الاتجاه بين ES و ص، من ناحية أخرى ، يوضح أن المنتج ص لا تنضم أبدًا تلقائيًا إلى الإنزيم المسؤول عن تكوينها. هذا منطقي في ضوء خصوصية الإنزيمات التي لوحظت سابقًا: إذا ارتبط الإنزيم بركيزة معينة ، فإنه يفعل ذلك لا يرتبط أيضًا بالمنتج الناتج وإلا فإن هذا الإنزيم سيكون محددًا لركائزتين وبالتالي ليس محددًا في الكل. أيضًا ، من وجهة نظر الفطرة السليمة ، ليس من المنطقي أن يقوم إنزيم معين بعمل تفاعل معين بشكل أفضل في على حد سواء الاتجاهات؛ سيكون هذا مثل السيارة التي تتدحرج صعودًا وهبوطًا بنفس السهولة.
ثوابت المعدل
فكر في رد الفعل العام في القسم السابق على أنه مجموع ثلاثة ردود فعل متنافسة مختلفة ، وهي:
1) \; E + S → ES \\ 2) \ ؛ ES → E + S \\ 3) \ ؛ ES → E + P.
كل من هذه التفاعلات الفردية لها معدل ثابت خاص بها ، وهو مقياس لمدى سرعة تقدم رد فعل معين. هذه الثوابت خاصة بتفاعلات معينة وقد تم تحديدها تجريبياً و تم التحقق من وجود عدد كبير من الركيزة بالإضافة إلى الإنزيم المختلفة والركيزة الإنزيمية المعقدة بالإضافة إلى المنتج التجمعات. يمكن كتابتها بعدة طرق ، ولكن بشكل عام ، يتم التعبير عن ثابت المعدل للتفاعل 1) أعلاه كـ ك1، ذلك من 2) ك-1، و 3) ع ك2 (هذا مكتوب في بعض الأحيان كقط).
كفاءة ميكايليس الثابتة والإنزيم
بدون الخوض في حساب التفاضل والتكامل اللازم لاشتقاق بعض المعادلات التالية ، ربما يمكنك أن ترى أن السرعة التي يتراكم بها المنتج الخامس، هي دالة لمعدل ثابت لهذا التفاعل ، ك2، وتركيز ES الحاضر ، معبرًا عنه بـ [ES]. كلما زاد معدل ثابت وكلما زاد معقد الركيزة الإنزيمية ، زادت سرعة تراكم الناتج النهائي للتفاعل. لذلك:
v = k_2 [ES]
ومع ذلك ، تذكر أن هناك تفاعلين أخريين إلى جانب التفاعل الذي ينتج عنه المنتج ص تحدث في نفس الوقت. واحد من هؤلاء هو تشكيل ES من مكوناته ه و س، بينما الآخر هو نفس رد الفعل في الاتجاه المعاكس. أخذ كل هذه المعلومات معًا ، وفهم أن معدل تكوينها ES يجب أن يساوي معدل الاختفاء (من خلال عمليتين متعارضتين) ، لديك
k_1 [E] [S] = k_2 [ES] + k _ {- 1} [ES]
قسمة كلا المصطلحين على ك1 عائدات
[E] [S] = {(k_2 + k _ {- 1}) \ أعلى {1pt} k_1} [ES]
منذ كل "ك"المصطلحات في هذه المعادلة هي ثوابت ، ويمكن دمجها في ثابت واحد ، كم:
K_M = {(k_2 + k _ {- 1}) \ أعلى {1pt} k_1}
هذا يسمح لكتابة المعادلة أعلاه
[E] [S] = K_M [ES]
كم يُعرف باسم ثابت ميكايليس. يمكن اعتبار هذا مقياسًا لمدى سرعة اختفاء مركب الركيزة الإنزيمية من خلال الجمع بين أن يصبح غير مرتبط ويتشكل منتج جديد.
بالعودة إلى معادلة سرعة تكوين المنتج ، الخامس = ك2[ES] ، يعطي الاستبدال:
v = [E] [S] \ Bigg ({k_2 \ above {1pt} K_M} \ Bigg)
التعبير بين قوسين ، ك2/كم، يُعرف بثابت الخصوصية _ ويسمى أيضًا الكفاءة الحركية. بعد كل هذا الجبر المزعج ، لديك أخيرًا تعبير يقيم الكفاءة التحفيزية ، أو كفاءة الإنزيم ، لتفاعل معين. يمكنك حساب الثابت مباشرة من تركيز الإنزيم وتركيز الركيزة وسرعة تكوين المنتج عن طريق إعادة الترتيب إلى:
\ Bigg ({k_2 \ above {1pt} K_M} \ Bigg) = {v \ above {1pt} [E] [S]}