Как да изчислим каталитичната ефективност

Ензимите са протеини в биологичните системи, които спомагат за ускоряване на реакциите, които иначе биха протичали много по-бавно, отколкото без помощта на ензима. Като такива те са един вид катализатор. Други, небиологични катализатори играят роля в промишлеността и другаде (например химическите катализатори подпомагат изгарянето на бензин, за да подобрят възможностите на двигателите, работещи с газ). Ензимите обаче са уникални по своя механизъм на каталитично действие. Те работят чрез намаляване на енергията на активиране на реакцията, без да променят енергийните състояния на реагентите (входовете на химическата реакция) или продуктите (изходите). Вместо това те на практика създават по-плавен път от реагентите до продуктите, като намаляват количеството енергия, което трябва да се „инвестира“, за да се получи „възвръщаемост“ под формата на продукти.

Като се има предвид ролята на ензимите и факта, че много от тези естествено срещащи се протеини са избрани за хуманна терапевтична употреба (един пример е лактазата, ензимът, който подпомага усвояването на млечната захар, която милиони хора не успяват да произведат), не е изненадващо, че биолозите имат измислете официални инструменти за оценка на това колко добре специфичните ензими вършат работата си при дадени, известни условия - тоест определят техния катализатор ефективност.

Важен атрибут на ензимите е тяхната специфичност. Ензимите, най-общо казано, служат за катализиране само на една от стотиците биохимични метаболитни реакции, които се разгръщат в човешкото тяло през цялото време. По този начин даден ензим може да се разглежда като ключалка и специфичното съединение, върху което той действа, наречено субстрат, може да се оприличи на ключ. Частта от ензима, с която субстратът взаимодейства, е известна като активното място на ензима.

Ензимите, както всички протеини, се състоят от дълги низове аминокиселини, които има около 20 в човешките системи. Следователно активните места на ензимите обикновено се състоят от аминокиселинни остатъци или химически непълни парчета на дадена аминокиселина, която може да "липсва" на протон или друг атом и да носи нетен електрически заряд като a резултат.

Ензимите, критично, не се променят в реакциите, които катализират - поне не след като реакцията приключи. Но те се подлагат на временни промени по време на самата реакция, необходима функция, която позволява да продължи реакцията. За по-нататъшна аналогия на ключалката, когато субстратът „намери“ ензима, необходим за дадена реакция, и се свърже с активния ензим сайт („вмъкването на ключ“), ензимно-субстратният комплекс претърпява промени („завъртане на ключ“), които водят до освобождаването на новообразуван продукт.

Взаимодействието на субстрата, ензима и продукта в дадена реакция може да бъде представено по следния начин:

Тук, Е. представлява ензима, С е субстратът, и P е продуктът. По този начин можете да си представите процеса като слабо подобен на бучка от моделираща глина (С) превръщайки се в напълно оформена купа (P) под влиянието на човешки майстор (Е.). За ръцете на майстора може да се мисли като за активното място на „ензима“, който този човек въплъщава. Когато натрупаната глина стане „свързана“ с ръцете на човека, те образуват „комплекс“ за известно време, през което глината се формова в различна и предварително определена форма чрез действието на ръката, към която е присъединена (ES). След това, когато купата е напълно оформена и не е необходима допълнителна работа, ръцете (Е.) освободете купата (P) и процесът е завършен.

Сега помислете за стрелките в горната диаграма. Ще забележите, че стъпката между Е. + С и ES има стрелки, движещи се в двете посоки, което означава, че точно както ензимът и субстратът могат да се свържат заедно, за да образуват ензимно-субстратен комплекс, този комплекс може да се дисоциира в другата посока, за да освободи ензима и неговия субстрат в техните оригинални форми.

Еднопосочната стрелка между ES и P, от друга страна, показва, че продуктът P никога не се свързва спонтанно с ензима, отговорен за неговото създаване. Това има смисъл в светлината на предварително отбелязаната специфичност на ензимите: Ако ензимът се свърже с даден субстрат, тогава той го прави не се свързва също с получения продукт, или иначе ензимът тогава би бил специфичен за два субстрата и следователно не е специфичен за всичко. Освен това, от гледна точка на здравия разум, няма смисъл даден ензим да кара дадена реакция да работи по-благоприятно при и двете указания; това би било като кола, която се движи с еднаква лекота както нагоре, така и надолу.

Помислете за общата реакция в предишния раздел като сбор от три различни конкурентни реакции, които са:

Всяка от тези отделни реакции има своя константа на скоростта, мярка за това колко бързо протича дадена реакция. Тези константи са специфични за определени реакции и са експериментално определени и проверено за множество различни субстрат-плюс-ензим и ензим-субстрат комплекс-плюс-продукт групировки. Те могат да бъдат написани по различни начини, но като цяло константата на скоростта за реакция 1) по-горе се изразява като к₁, този на 2) като к_-1, и това на 3) като к₂ (това понякога се пише к_котка).

Без да се впускате в смятането, необходимо за извеждане на някои от уравненията, които следват, вероятно можете да видите, че скоростта, с която се натрупва продукт, v, е функция от константата на скоростта за тази реакция, к₂, и концентрацията на ES присъства, изразено като [ES]. Колкото по-висока е константата на скоростта и колкото повече субстрат-ензимен комплекс присъства, толкова по-бързо се натрупва крайният продукт на реакцията. Следователно:

Спомнете си обаче, че две други реакции освен тази, която създава продукта P се случват по едно и също време. Едно от тях е формирането на ES от неговите компоненти Е. и С, докато другият е същата реакция в обратна посока. Вземайки цялата тази информация заедно и разбирайки, че скоростта на формиране на ES трябва да се равнява на степента на изчезване (чрез два противоположни процеса), имате

Разделяне на двата термина на к₁ добиви

Тъй като всички "к"термините в това уравнение са константи, те могат да бъдат комбинирани в една константа, К_М:

Това позволява да се напише горното уравнение

К_М е известен като константата на Михаелис. Това може да се разглежда като мярка за това колко бързо ензимно-субстратният комплекс изчезва чрез комбинацията от развързване и образуване на нов продукт.

Връщайки се обратно до уравнението за скоростта на образуване на продукта, v = к₂[ES], заместването дава:

Изразът в скоби, к₂/К_М, е известен като константа на специфичност_, _ наричана още кинетична ефективност. След цялата тази досадна алгебра най-накрая имате израз, който оценява каталитичната ефективност или ензимната ефективност на дадена реакция. Можете да изчислите константата директно от концентрацията на ензима, концентрацията на субстрата и скоростта на образуване на продукта, като пренаредите на: