Πώς να υπολογίσετε την καταλυτική απόδοση

Τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες σε βιολογικά συστήματα που βοηθούν στην επιτάχυνση των αντιδράσεων που διαφορετικά θα γίνονταν πολύ πιο αργά από ό, τι χωρίς τη βοήθεια του ενζύμου. Ως εκ τούτου, είναι ένα είδος καταλύτη. Άλλοι, μη βιολογικοί καταλύτες παίζουν ρόλο στη βιομηχανία και αλλού (για παράδειγμα, οι χημικοί καταλύτες βοηθούν στην καύση της βενζίνης για την ενίσχυση των δυνατοτήτων των κινητήρων με αέριο). Τα ένζυμα, ωστόσο, είναι μοναδικά στον μηχανισμό καταλυτικής δράσης τους. Λειτουργούν μειώνοντας την ενέργεια ενεργοποίησης μιας αντίδρασης χωρίς να αλλάξουν τις ενεργειακές καταστάσεις των αντιδρώντων (τις εισόδους μιας χημικής αντίδρασης) ή τα προϊόντα (τα αποτελέσματα) Αντίθετα, στην ουσία δημιουργούν μια ομαλότερη πορεία από αντιδραστήρια σε προϊόντα μειώνοντας την ποσότητα ενέργειας που πρέπει να «επενδυθεί» για να λάβει μια «απόδοση» με τη μορφή προϊόντων.

Δεδομένου του ρόλου των ενζύμων και του γεγονότος ότι πολλές από αυτές τις φυσικώς απαντώμενες πρωτεΐνες έχουν επιλεγεί για ανθρώπινη θεραπευτική χρήση (ένα παράδειγμα είναι λακτάση, το ένζυμο που βοηθά στην πέψη του σακχάρου γάλακτος που εκατομμύρια άνθρωποι δεν παράγουν), δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι οι βιολόγοι έχουν ελάτε με επίσημα εργαλεία για να αξιολογήσετε πόσο καλά συγκεκριμένα ένζυμα κάνουν τη δουλειά τους υπό δεδομένες, γνωστές συνθήκες - δηλαδή, καθορίζουν την καταλυτική τους αποδοτικότητα.

Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό των ενζύμων είναι η ειδικότητά τους. Τα ένζυμα, γενικά, χρησιμεύουν για να καταλύσουν μόνο μία από τις εκατοντάδες βιοχημικές μεταβολικές αντιδράσεις που εκτυλίσσονται συνεχώς στο ανθρώπινο σώμα. Έτσι ένα δεδομένο ένζυμο μπορεί να θεωρηθεί ως κλειδαριά, και η συγκεκριμένη ένωση στην οποία δρα, που ονομάζεται υπόστρωμα, μπορεί να παρομοιαστεί με ένα κλειδί. Το μέρος του ενζύμου με το οποίο αλληλεπιδρά ένα υπόστρωμα είναι γνωστό ως η δραστική θέση του ενζύμου.

Τα ένζυμα, όπως όλες οι πρωτεΐνες, αποτελούνται από μεγάλες σειρές αμινοξέων, εκ των οποίων υπάρχουν περίπου 20 στα ανθρώπινα συστήματα. Οι ενεργές θέσεις των ενζύμων συνεπώς συνήθως αποτελούνται από υπολείμματα αμινοξέων ή χημικά ατελή κομμάτια ενός δεδομένου αμινοξέος, το οποίο μπορεί να "λείπει" ένα πρωτόνιο ή άλλο άτομο και φέρει ένα καθαρό ηλεκτρικό φορτίο ως αποτέλεσμα.

Τα ένζυμα, κριτικά, δεν αλλάζουν στις αντιδράσεις που καταλύουν - τουλάχιστον όχι μετά την ολοκλήρωση της αντίδρασης. Αλλά υφίστανται προσωρινές αλλαγές κατά τη διάρκεια της ίδιας της αντίδρασης, απαραίτητη λειτουργία για να επιτρέψει την αντίδραση να προχωρήσει. Για να μεταφέρει περαιτέρω την αναλογία κλειδώματος και κλειδιού, όταν ένα υπόστρωμα "βρίσκει" το ένζυμο που απαιτείται για μια δεδομένη αντίδραση και συνδέεται με το ενεργό ένζυμο τοποθεσία (η "εισαγωγή κλειδιού"), το σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος υφίσταται αλλαγές ("κλειδί στροφής") που έχουν ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση ενός πρόσφατα σχηματισμένου προϊόν.

Η αλληλεπίδραση του υποστρώματος, του ενζύμου και του προϊόντος σε μια δεδομένη αντίδραση μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής:

Εδώ, μι αντιπροσωπεύει το ένζυμο, μικρό είναι το υπόστρωμα και Π είναι το προϊόν. Επομένως, μπορείτε να οραματιστείτε τη διαδικασία ως παρόμοια με ένα κομμάτι πηλό μοντελοποίησης (μικρό) να γίνει ένα πλήρως σχηματισμένο μπολ (Π) υπό την επήρεια ανθρώπου τεχνίτη (μι). Τα χέρια του τεχνίτη μπορεί να θεωρηθούν ως η ενεργή θέση του «ενζύμου» που ενσωματώνει αυτό το άτομο. Όταν ο άργιλος γίνεται "δεσμευμένος" στα χέρια του ατόμου, σχηματίζουν ένα "σύνθετο" για ένα διάστημα, κατά τη διάρκεια του οποίου ο πηλός διαμορφώνεται σε διαφορετικό και προκαθορισμένο σχήμα με τη δράση του χεριού στο οποίο συνδέεται (ES). Στη συνέχεια, όταν το μπολ έχει διαμορφωθεί πλήρως και δεν απαιτείται περαιτέρω εργασία, τα χέρια (μι) αφήστε το μπολ (Πκαι η διαδικασία έχει ολοκληρωθεί.

Τώρα εξετάστε τα βέλη στο παραπάνω διάγραμμα. Θα παρατηρήσετε ότι το βήμα μεταξύ μι + μικρό και ES έχει βέλη που κινούνται και προς τις δύο κατευθύνσεις, υπονοώντας ότι, όπως το ένζυμο και το υπόστρωμα μπορούν να ενωθούν μαζί για να σχηματίσουν ένα σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος, αυτό το σύμπλοκο μπορεί να αποσυνδεθεί προς την άλλη κατεύθυνση για να απελευθερώσει το ένζυμο και το υπόστρωμά του στο πρωτότυπες φόρμες.

Το μονοκατευθυντικό βέλος μεταξύ ES και Π, από την άλλη πλευρά, δείχνει ότι το προϊόν Π ποτέ δεν ενώνεται αυθόρμητα με το ένζυμο που είναι υπεύθυνο για τη δημιουργία του. Αυτό έχει νόημα υπό το φως της προηγουμένως αναφερθείσας ειδικότητας των ενζύμων: Εάν ένα ένζυμο συνδέεται με ένα δεδομένο υπόστρωμα, τότε δεν δεσμεύεται επίσης με το προκύπτον προϊόν ή αλλιώς ότι το ένζυμο θα ήταν τότε ειδικό για δύο υποστρώματα και ως εκ τούτου δεν είναι ειδικό στο όλα. Επίσης, από κοινή άποψη, δεν θα είχε νόημα για ένα δεδομένο ένζυμο να κάνει μια δεδομένη αντίδραση να λειτουργεί πιο ευνοϊκά και τα δυο κατευθύνσεις; αυτό θα ήταν σαν ένα αυτοκίνητο που θα κυλάει τόσο προς τα πάνω όσο και προς τα κάτω με την ίδια ευκολία.

Σκεφτείτε τη γενική αντίδραση στην προηγούμενη ενότητα ως το άθροισμα τριών διαφορετικών ανταγωνιστικών αντιδράσεων, οι οποίες είναι:

Κάθε μία από αυτές τις μεμονωμένες αντιδράσεις έχει τη δική της σταθερά ρυθμού, ένα μέτρο του πόσο γρήγορα προχωρά μια δεδομένη αντίδραση. Αυτές οι σταθερές είναι ειδικές για συγκεκριμένες αντιδράσεις και έχουν προσδιοριστεί πειραματικά και επαληθευτεί για μια πληθώρα διαφορετικών συμπλόκων υποστρώματος-συν-ενζύμου και ενζύμου-συν-υποστρώματος ομαδοποιήσεις. Μπορούν να γραφτούν με διάφορους τρόπους, αλλά γενικά, η σταθερά ρυθμού για την αντίδραση 1) παραπάνω εκφράζεται ως κ₁, αυτό του 2) ως κ_-1, και αυτό του 3) ως κ₂ (μερικές φορές γράφεται κ_Γάτα).

Χωρίς να βουτήξετε στον λογισμό που απαιτείται για να αντλήσετε μερικές από τις εξισώσεις που ακολουθούν, πιθανότατα μπορείτε να δείτε ότι η ταχύτητα με την οποία συσσωρεύεται το προϊόν, β, είναι συνάρτηση της σταθεράς ρυθμού για αυτήν την αντίδραση, κ₂, και η συγκέντρωση του ES παρόν, εκφραζόμενο ως [ES]. Όσο υψηλότερη είναι η σταθερά ρυθμού και όσο περισσότερο υπάρχει το σύμπλοκο υποστρώματος-ενζύμου, τόσο πιο γρήγορα συσσωρεύεται το τελικό προϊόν της αντίδρασης. Ως εκ τούτου:

Ωστόσο, θυμηθείτε ότι δύο άλλες αντιδράσεις εκτός από αυτήν που δημιουργεί το προϊόν Π συμβαίνουν ταυτόχρονα. Ένα από αυτά είναι ο σχηματισμός του ES από τα συστατικά του μι και μικρό, ενώ το άλλο είναι η ίδια αντίδραση αντίστροφα. Συγκέντρωση όλων αυτών των πληροφοριών και κατανόηση ότι ο ρυθμός σχηματισμού ES πρέπει να ισούται με το ποσοστό εξαφάνισής του (με δύο αντίθετες διαδικασίες)

Διαίρεση και των δύο όρων με κ₁ αποδόσεις

Δεδομένου ότι όλα τα "κ"οι όροι σε αυτήν την εξίσωση είναι σταθερές, μπορούν να συνδυαστούν σε μία σταθερή, κ_Μ:

Αυτό επιτρέπει την εγγραφή της παραπάνω εξίσωσης

κ_Μ είναι γνωστή ως σταθερά Μιχαήλ. Αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως ένα μέτρο για το πόσο γρήγορα το σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος εξαφανίζεται μέσω του συνδυασμού της μη δεσμευμένης και της δημιουργίας νέου προϊόντος.

Πηγαίνοντας πίσω στην εξίσωση για ταχύτητα σχηματισμού προϊόντων, β = κ₂[ES], η υποκατάσταση δίνει:

Η έκφραση σε παρένθεση, κ₂/κ_Μ, είναι γνωστή ως σταθερά εξειδίκευσης_, που ονομάζεται επίσης κινητική απόδοση. Μετά από όλη αυτή την ενοχλητική άλγεβρα, επιτέλους έχετε μια έκφραση που αξιολογεί την καταλυτική απόδοση ή την αποτελεσματικότητα των ενζύμων μιας δεδομένης αντίδρασης. Μπορείτε να υπολογίσετε τη σταθερά απευθείας από τη συγκέντρωση του ενζύμου, τη συγκέντρωση του υποστρώματος και την ταχύτητα του σχηματισμού προϊόντος αναδιατάσσοντας: