Ensüümid on valgud bioloogilistes süsteemides, mis aitavad kiirendada reaktsioone, mis muidu toimuksid palju aeglasemalt kui ilma ensüümi abita. Sellisena on nad omamoodi katalüsaatorid. Teistel, mitte-bioloogilistel katalüsaatoritel on tööstuses ja mujal oma roll (näiteks keemilised katalüsaatorid aitavad bensiini põletamisel suurendada gaasimootoriga mootorite võimeid). Ensüümid on katalüütilise toimemehhanismi poolest siiski ainulaadsed. Nad töötavad alandades reaktsiooni aktivatsioonienergiat, muutmata reagentide (keemilise reaktsiooni sisendid) või saaduste (väljundid) energiaolekuid. Selle asemel loovad need sujuvama tee reagentidest toodetesse, vähendades energiakogust, mis on vaja "investeerida", et saada toodetena "tootlust".
Võttes arvesse ensüümide rolli ja asjaolu, et paljud neist looduslikult esinevatest valkudest on inimeste terapeutiliseks kasutamiseks valitud (üks näide on laktaas, ensüüm, mis aitab piimasuhkru seedimist, mida miljonite inimeste organism ei tooda), pole üllatav, et bioloogid on tulla välja ametlike vahenditega, et hinnata, kui hästi teatud spetsiifilised ensüümid oma teadaolevatel tingimustel oma tööd teevad - st määravad kindlaks nende katalüütilised tõhusus.
Ensüümi põhitõed
Ensüümide oluline omadus on nende spetsiifilisus. Ensüümid katalüüsivad üldiselt ainult ühte sadadest biokeemilistest metaboolsetest reaktsioonidest, mis kogu aeg inimkehas avalduvad. Seega võib antud ensüümi pidada lukuks ja konkreetset ühendit, millel see toimib, nimetada substraadiks, saab võrrelda võtmega. Ensüümi osa, millega substraat interakteerub, on tuntud kui ensüümi aktiivne koht.
Ensüümid, nagu kõik valgud, koosnevad pikkadest aminohapete ahelatest, mida inimese süsteemides on umbes 20. Ensüümide aktiivsed kohad koosnevad seetõttu tavaliselt aminohappejääkidest või keemiliselt mittetäielikest tükkidest antud aminohappe sisaldus, millest võib puududa prooton või muu aatom ja millel on neto elektrilaeng a tulemus.
Ensüüme kriitiliselt ei muudeta nende katalüüsitavates reaktsioonides - vähemalt mitte pärast reaktsiooni lõppu. Kuid reaktsiooni enda käigus toimuvad ajutised muutused, mis on vajalik funktsioon reaktsiooni jätkamiseks. Luku ja klahvi analoogia edasiandmiseks, kui substraat "leiab" antud reaktsiooniks vajaliku ensüümi ja seondub ensüümi aktiivse saidil ("võtme sisestamine"), ensüümi-substraadi kompleksis toimuvad muutused ("võtme pööramine"), mille tulemuseks on vastloodud toote.
Ensüümi kineetika
Substraadi, ensüümi ja toote vastastikmõju antud reaktsioonis võib kujutada järgmiselt:
E + S ⇌ ES → E + P
Siin, E esindab ensüümi, S on substraat ja P on toode. Seega võite ette kujutada, et protsess sarnaneb lõdvalt modelleeriva saviga (S) täielikult vormitud kaussi (P) inimese käsitöölise mõju all (E). Käsitöölise käsi võib pidada selle inimese ensüümi aktiivseks kohaks. Kui kokku klopsitud savi "seotakse" inimese kätega, moodustavad nad mõneks ajaks "kompleksi", mille jooksul savi vormitakse käe, millega see on ühendatud, toimel teistsuguseks ja ettemääratud kujuks (ES). Siis, kui kauss on täielikult vormitud ja pole vaja enam tööd teha, on käed (E) vabastage kauss (P) ja protsess on lõppenud.
Nüüd kaaluge ülaltoodud skeemi nooli. Märkate, et samm vahel E + S ja ES nooled liiguvad mõlemas suunas, mis tähendab, et nii nagu ensüüm ja substraat võivad omavahel seonduda, moodustades ensüümi-substraadi kompleks, võib see kompleks dissotsieeruda teises suunas, vabastades ensüümi ja selle substraadi nende ensüümides originaalvormid.
Ühesuunaline nool vahel ES ja Pseevastu näitab, et toode P ei ühine kunagi spontaanselt selle loomise eest vastutava ensüümiga. See on mõistlik ensüümide eelnevalt märgitud spetsiifilisuse valguses: kui ensüüm seondub antud substraadiga, siis see ei seondu ka saadusega või muidu on see ensüüm spetsiifiline kahe substraadi suhtes ja seega mitte spetsiifiline kõik. Samuti ei oleks terve mõistuse seisukohast mõtet, et antud ensüüm paneks antud reaktsiooni soodsamalt tööle mõlemad suunad; see oleks nagu auto, mis ühtlaselt nii üles- kui allamäge veereb.
Hinda konstante
Mõelge eelmise jaotise üldisele reaktsioonile kui kolme erineva konkureeriva reaktsiooni summale, milleks on:
1) \; E + S → ES \\ 2) \; ES → E + S \\ 3) \; ES → E + P
Igal neist individuaalsetest reaktsioonidest on oma kiiruskonstant, mis näitab, kui kiiresti antud reaktsioon kulgeb. Need konstandid on spetsiifilised konkreetsetele reaktsioonidele ja on eksperimentaalselt määratud ja kontrollitud paljude erinevate substraat-pluss-ensüüm ja ensüüm-substraat-kompleks-pluss-saaduste suhtes rühmitused. Neid saab kirjutada mitmel viisil, kuid üldiselt väljendatakse ülaltoodud reaktsiooni 1) kiiruskonstant kujul k1, mis on 2) as k-1ja 3) as k2 (see on mõnikord kirjutatud kkass).
Michaeli konstant ja ensüümide efektiivsus
Mõne järgneva võrrandi tuletamiseks vajalikku arvutusse sukeldumata näete tõenäoliselt, et toote kogunemiskiirus von selle reaktsiooni kiiruskonstandi funktsioon, k2ja kontsentratsioon ES kohal, väljendatunaES]. Mida suurem on kiiruskonstant ja mida rohkem on substraat-ensüümi kompleksi, seda kiiremini reaktsiooni lõpprodukt koguneb. Seetõttu:
v = k_2 [ES]
Tuletame siiski meelde, et lisaks toote loomisele on veel kaks reaktsiooni P esinevad samal ajal. Üks neist on ES selle komponentidest E ja S, samas kui teine on sama reaktsioon tagurpidi. Võttes kogu selle teabe kokku ja mõistes, et ES peab olema võrdne selle kadumiskiirusega (kahe vastandliku protsessi abil)
k_1 [E] [S] = k_2 [ES] + k _ {- 1} [ES]
Mõlemate terminite jagamine k1 saagikus
[E] [S] = {(k_2 + k _ {- 1}) \ üle {1pt} k_1} [ES]
Kuna kõikk"selle võrrandi mõisted on konstandid, neid saab ühendada üheks konstandiks, KM:
K_M = {(k_2 + k _ {- 1}) \ üle {1pt} k_1}
See võimaldab ülaltoodud võrrandi kirjutada
[E] [S] = K_M [ES]
KM on tuntud kui Michaelis konstant. Seda võib pidada mõõduks, kui kiiresti ensüüm-substraat kompleks kaob seondumise ja uue toote moodustumise kombinatsiooni kaudu.
Tulles tagasi toote moodustumise kiiruse võrrandi juurde, v = k2[ES], asendamine annab:
v = [E] [S] \ Bigg ({k_2 \ üle {1pt} K_M} \ Bigg)
Sulgudes olev väljend, k2/KMon tuntud kui spetsiifilisuse konstant_, mida nimetatakse ka kineetiliseks efektiivsuseks. Pärast kogu seda ebameeldivat algebrat on teil lõpuks olemas avaldis, mis hindab antud reaktsiooni katalüütilist efektiivsust või ensüümi efektiivsust. Konstandi saate arvutada otse ensüümi kontsentratsiooni, substraadi kontsentratsiooni ja toote moodustumise kiiruse põhjal, korraldades ümber:
\ Bigg ({k_2 \ üle {1pt} K_M} \ Bigg) = {v \ üle {1pt} [E] [S]}