Jak vypočítat katalytickou účinnost

Enzymy jsou proteiny v biologických systémech, které pomáhají urychlit reakce, které by jinak probíhaly mnohem pomaleji než bez pomoci enzymu. Jako takové jsou jakýmsi katalyzátorem. Jiné, nebiologické katalyzátory hrají roli v průmyslu i jinde (například chemické katalyzátory pomáhají při spalování benzínu zvyšovat schopnosti benzinových motorů). Enzymy jsou však jedinečné svým mechanismem katalytického působení. Fungují tak, že snižují aktivační energii reakce beze změny energetických stavů reaktantů (vstupy chemické reakce) nebo produktů (výstupů). Místo toho ve skutečnosti vytvářejí hladší cestu od reaktantů k produktům tím, že snižují množství energie, které je třeba „investovat“, aby bylo možné získat „návratnost“ ve formě produktů.

Vzhledem k úloze enzymů a skutečnosti, že mnoho z těchto přirozeně se vyskytujících proteinů bylo kooptováno pro lidské terapeutické použití (jedním příkladem je laktáza, enzym, který napomáhá trávení mléčného cukru, který nedokážou produkovat miliony těl lidí), není divu, že biologové přijít s formálními nástroji k posouzení toho, jak dobře fungují konkrétní enzymy za daných, známých podmínek - tedy určit jejich katalyzátor účinnost.

Důležitým atributem enzymů je jejich specificita. Enzymy, obecně řečeno, slouží ke katalyzování pouze jedné ze stovek biochemických metabolických reakcí, které se v lidském těle neustále odehrávají. Daný enzym lze tedy považovat za zámek a konkrétní sloučeninu, na kterou působí, nazývanou substrát, lze přirovnat k klíči. Část enzymu, se kterou substrát interaguje, je známá jako aktivní místo enzymu.

Enzymy, stejně jako všechny bílkoviny, sestávají z dlouhých řetězců aminokyselin, kterých je v lidských systémech asi 20. Aktivní místa enzymů proto obvykle sestávají z aminokyselinových zbytků nebo z chemicky neúplných částí dané aminokyseliny, která může „postrádat“ proton nebo jiný atom a nést čistý elektrický náboj jako a výsledek.

Enzymy se kriticky nemění v reakcích, které katalyzují - přinejmenším ne po skončení reakce. Během samotné reakce však procházejí dočasnými změnami, což je nezbytná funkce umožňující pokračování reakce po ruce. Abychom dále přenesli analogii zámku a klíče, když substrát „najde“ enzym potřebný pro danou reakci a váže se na aktivní enzym místo („vložení klíče“), komplex enzym-substrát prochází změnami („otočením klíče“), které vedou k uvolnění nově vytvořeného produkt.

Interakci substrátu, enzymu a produktu v dané reakci lze vyjádřit následovně:

Tady, E představuje enzym, S je substrát a P je produkt. Proces si tedy můžete představit jako volně podobný hrudce modelovací hlíny (S) stává se plně vytvořenou miskou (P) pod vlivem lidského řemeslníka (E). Ruce řemeslníka lze považovat za aktivní místo „enzymu“, který tato osoba ztělesňuje. Když se kusová hlína „připoutá“ k rukám člověka, vytvoří na nějaký čas „komplex“, během kterého jíl je formován do jiného a předem určeného tvaru působením ruky, ke které je připojen (ES). Poté, když je mísa plně tvarovaná a není zapotřebí žádné další práce, ruce (E) uvolněte misku (P) a proces je dokončen.

Nyní zvažte šipky ve výše uvedeném diagramu. Všimnete si, že krok mezi E + S a ES má šipky pohybující se v obou směrech, z čehož vyplývá, že stejně jako se enzym a substrát mohou spojit dohromady a vytvořit komplex enzym-substrát, může tento komplex disociovat v opačném směru, aby uvolnil enzym a jeho substrát v jejich původní formuláře.

Jednosměrná šipka mezi ES a P, na druhé straně ukazuje, že produkt P nikdy se spontánně nepřipojí k enzymu odpovědnému za jeho vznik. To dává smysl s ohledem na dříve uvedenou specifičnost enzymů: Pokud se enzym váže na daný substrát, pak ano se také neváže na výsledný produkt, jinak by tento enzym byl specifický pro dva substráty, a proto není specifický pro Všechno. Z hlediska zdravého rozumu by také nemělo smysl, aby daný enzym umožňoval příznivější fungování dané reakce v oba Pokyny; to by bylo jako auto, které se valí jak do kopce, tak z kopce stejně snadno.

Představte si obecnou reakci v předchozí části jako souhrn tří různých konkurenčních reakcí, kterými jsou:

Každá z těchto jednotlivých reakcí má svou vlastní rychlostní konstantu, což je míra, jak rychle daná reakce probíhá. Tyto konstanty jsou specifické pro konkrétní reakce a byly experimentálně stanoveny a ověřeno na množství různých substrát plus enzym a komplex enzym substrát plus produkt seskupení. Mohou být psány různými způsoby, ale obecně je rychlostní konstanta pro reakci 1) výše vyjádřena jako k₁, to ze 2) jako k_-1, a to ze 3) jako k₂ (toto je někdy psáno k_kočka).

Bez ponoru do počtu potřebného k odvození některých rovnic, které následují, pravděpodobně uvidíte, že rychlost, při které se produkt hromadí, proti, je funkcí rychlostní konstanty pro tuto reakci, k₂a koncentrace ES přítomný, vyjádřený jako [ES]. Čím vyšší je rychlostní konstanta a čím více komplexu substrát-enzym je přítomno, tím rychleji se hromadí konečný produkt reakce. Proto:

Připomeňme si však, že kromě reakce, která produkt vytváří, existují další dvě reakce P se vyskytují současně. Jedním z nich je vznik ES z jeho komponent E a S, zatímco druhá je stejná reakce obráceně. Vezmeme-li všechny tyto informace dohromady a pochopíme, že rychlost tvorby ES se musí rovnat jeho rychlosti zmizení (dvěma protichůdnými procesy), máte

Dělení obou termínů k₁ výnosy

Protože všechny „k„výrazy v této rovnici jsou konstanty, lze je spojit do jedné konstanty, K._M:

To umožňuje zápis výše uvedené rovnice

K._M je známá jako Michaelisova konstanta. To lze považovat za měřítko toho, jak rychle zmizí komplex enzym-substrát kombinací toho, že se uvolní a vytvoří nový produkt.

Vracíme se úplně zpět k rovnici rychlosti tvorby produktu, proti = k₂[ES], substituce dává:

Výraz v závorkách, k₂/K._M, je známé jako konstanta specificity_, _ také se nazývá kinetická účinnost. Po celé této otravné algebře máte konečně výraz, který hodnotí katalytickou účinnost nebo účinnost enzymu dané reakce. Konstantu můžete vypočítat přímo z koncentrace enzymu, koncentrace substrátu a rychlosti tvorby produktu změnou uspořádání: