Sådan beregnes den katalytiske effektivitet

Enzymer er proteiner i biologiske systemer, der hjælper med at fremskynde reaktioner, der ellers ville finde sted langt langsommere end uden hjælp fra enzymet. Som sådan er de en slags katalysator. Andre, ikke-biologiske katalysatorer spiller en rolle i industrien og andre steder (f.eks. Hjælper kemiske katalysatorer med forbrænding af benzin for at forbedre kapaciteten hos gasdrevne motorer). Enzymer er dog unikke i deres mekanisme til katalytisk virkning. De arbejder ved at sænke aktiveringsenergien i en reaktion uden at ændre energitilstandene for reaktanterne (input af en kemisk reaktion) eller produkterne (outputene). I stedet skaber de faktisk en glattere vej fra reaktanter til produkter ved at sænke den mængde energi, der skal "investeres" for at modtage et "retur" i form af produkter.

I betragtning af enzymers rolle og det faktum, at mange af disse naturligt forekommende proteiner er blevet valgt til human terapeutisk anvendelse (et eksempel er lactase, det enzym, der hjælper med fordøjelsen af ​​mælkesukker, som millioner af menneskers kroppe ikke producerer), er det ikke overraskende, at biologer har komme med formelle værktøjer til at vurdere, hvor godt specifikke enzymer udfører deres job under givne, kendte betingelser - det vil sige bestemme deres katalytiske effektivitet.

En vigtig egenskab ved enzymer er deres specificitet. Enzymer tjener generelt til kun at katalysere en af ​​de hundreder af biokemiske metaboliske reaktioner, der til enhver tid udfolder sig i menneskekroppen. Således kan et givet enzym betragtes som en lås, og den specifikke forbindelse, som det virker på, kaldet et substrat, kan sammenlignes med en nøgle. Den del af enzymet, som et substrat interagerer med, er kendt som enzymets aktive sted.

Enzymer, som alle proteiner, består af lange strenge af aminosyrer, hvoraf der er ca. 20 i humane systemer. De aktive steder af enzymer består derfor normalt af aminosyrerester eller kemisk ufuldstændige klumper af en given aminosyre, som muligvis "mangler" en proton eller et andet atom og bærer en netto elektrisk ladning som en resultat.

Enzymer ændres kritisk ikke i de reaktioner, de katalyserer - i det mindste ikke efter reaktionen er overstået. Men de gennemgår midlertidige ændringer under selve reaktionen, en nødvendig funktion for at lade den aktuelle reaktion fortsætte. For at videreføre lås-og-nøgle-analogien, når et substrat "finder" det enzym, der kræves til en given reaktion og binder til enzymets aktive site ("nøgleindsættelsen"), undergår enzym-substratkomplekset ændringer ("nøgledrejning"), der resulterer i frigivelse af et nydannet produkt.

Interaktionen mellem substratet, enzymet og produktet i en given reaktion kan repræsenteres som følger:

Her, E repræsenterer enzymet, S er substratet, og P er produktet. Således kan du forestille dig processen som løst beslægtet med en klump modellering ler (S) bliver en fuldt dannet skål (P) under indflydelse af en menneskelig håndværker (E). Håndværkerens hænder kan betragtes som det aktive sted for "enzymet", som denne person udgør. Når klumpet ler bliver "bundet" til personens hænder, danner de et "kompleks" i en periode, hvorunder leret formes til en anden og forudbestemt form ved handlingen af ​​den hånd, som den er forbundet med (ES). Når skålen derefter er fuldt formet, og der ikke er behov for yderligere arbejde, skal hænderne (E) slip skålen (P), og processen er afsluttet.

Overvej nu pilene i ovenstående diagram. Du vil bemærke, at trin mellem E + S og ES har pile, der bevæger sig i begge retninger, hvilket antyder, ligesom enzym og substrat kan binde sig sammen for at danne et enzym-substrat-kompleks, kan dette kompleks adskille sig i den anden retning for at frigøre enzymet og dets substrat i deres originale former.

Den ensrettet pil mellem ES og Ppå den anden side viser, at produktet P aldrig spontant slutter sig til det enzym, der er ansvarlig for dets oprettelse. Dette giver mening i lyset af den tidligere bemærkede specificitet af enzymer: Hvis et enzym binder til et givet substrat, så gør det ikke også binde til det resulterende produkt, ellers ville dette enzym derefter være specifikt for to substrater og følgelig ikke specifikt ved alle. Fra en sund fornuft synspunkt ville det ikke give mening for et givet enzym at få en given reaktion til at fungere mere positivt i begge retninger dette ville være som en bil, der med lige lethed ruller med både op ad bakke og ned ad bakke.

Tænk på den generelle reaktion i det foregående afsnit som summen af ​​tre forskellige konkurrerende reaktioner, som er:

Hver af disse individuelle reaktioner har sin egen hastighedskonstant, et mål for hvor hurtigt en given reaktion forløber. Disse konstanter er specifikke for bestemte reaktioner og er blevet eksperimentelt bestemt og verificeret for en overflod af forskellige substrat-plus-enzym og enzym-substrat kompleks-plus-produkt grupperinger. De kan skrives på en række måder, men generelt udtrykkes hastighedskonstanten for reaktion 1) som k₁, den af ​​2) som k_-1og 3) som k₂ (dette er undertiden skrevet k_kat).

Uden at dykke ned i den nødvendige beregning for at udlede nogle af ligningerne, der følger, kan du sandsynligvis se, at den hastighed, hvormed produktet akkumuleres, v, er en funktion af hastighedskonstanten for denne reaktion, k₂og koncentrationen af ES til stede, udtrykt som [ES]. Jo højere hastighedskonstant og jo mere substrat-enzymkompleks til stede, jo hurtigere akkumuleres det ultimative produkt af reaktionen. Derfor:

Husk dog, at to andre reaktioner udover den, der skaber produktet P sker på samme tid. En af disse er dannelsen af ES fra dets komponenter E og S, mens den anden er den samme reaktion i omvendt retning. At tage alle disse oplysninger sammen og forstå, at hastigheden for dannelse af ES skal svare til dens forsvindingshastighed (ved to modsatrettede processer), har du

Opdeler begge termer efter k₁ udbytter

Da alle "k"termer i denne ligning er konstanter, de kan kombineres til en enkelt konstant, K_M:

Dette gør det muligt at skrive ligningen ovenfor

K_M er kendt som Michaelis-konstanten. Dette kan betragtes som et mål for, hvor hurtigt enzym-substratkomplekset forsvinder via kombinationen af ​​at blive ubundet og nyt produkt dannes.

Går helt tilbage til ligningen for hastighed af produktdannelse, v = k₂[ES], erstatning giver:

Udtrykket i parentes, k₂/K_M, er kendt som specificitetskonstant_, også kaldet kinetisk effektivitet. Efter al denne irriterende algebra har du endelig et udtryk, der vurderer den katalytiske effektivitet eller enzymeffektiviteten af ​​en given reaktion. Du kan beregne konstanten direkte fra koncentrationen af ​​enzymet, koncentrationen af ​​substrat og hastigheden af ​​produktdannelsen ved at omarrangere til: