Les enzymes sont des protéines dans les systèmes biologiques qui aident à accélérer les réactions qui se dérouleraient autrement beaucoup plus lentement que sans l'aide de l'enzyme. En tant que tels, ils sont une sorte de catalyseur. D'autres catalyseurs non biologiques jouent un rôle dans l'industrie et ailleurs (par exemple, les catalyseurs chimiques facilitent la combustion de l'essence pour améliorer les capacités des moteurs à essence). Les enzymes, cependant, sont uniques dans leur mécanisme d'action catalytique. Ils fonctionnent en abaissant l'énergie d'activation d'une réaction sans modifier les états énergétiques des réactifs (les entrées d'une réaction chimique) ou des produits (les sorties). Au lieu de cela, ils créent en fait un chemin plus fluide des réactifs aux produits en réduisant la quantité d'énergie qui doit être « investie » afin de recevoir un « retour » sous forme de produits.
Étant donné le rôle des enzymes et le fait que bon nombre de ces protéines naturelles ont été cooptées à des fins thérapeutiques humaines (un exemple étant lactase, l'enzyme qui aide à la digestion du sucre du lait que le corps de millions de personnes ne parvient pas à produire), il n'est pas surprenant que les biologistes aient proposer des outils formels pour évaluer dans quelle mesure des enzymes spécifiques font leur travail dans des conditions données et connues - c'est-à-dire déterminer leur catalyseur Efficacité.
Notions de base sur les enzymes
Un attribut important des enzymes est leur spécificité. Les enzymes, en général, ne servent à catalyser qu'une seule des centaines de réactions métaboliques biochimiques qui se déroulent à tout moment dans le corps humain. Ainsi, une enzyme donnée peut être considérée comme un verrou, et le composé spécifique sur lequel elle agit, appelé substrat, peut être assimilé à une clé. La partie de l'enzyme avec laquelle un substrat interagit est connue sous le nom de site actif de l'enzyme.
Les enzymes, comme toutes les protéines, sont constituées de longues chaînes d'acides aminés, dont il existe environ 20 dans les systèmes humains. Les sites actifs des enzymes sont donc généralement constitués de résidus d'acides aminés ou de fragments chimiquement incomplets. d'un acide aminé donné, qui peut « manquer » d'un proton ou d'un autre atome et porter une charge électrique nette en tant que résultat.
Les enzymes, de manière critique, ne sont pas modifiées dans les réactions qu'elles catalysent – du moins pas une fois la réaction terminée. Mais ils subissent des changements temporaires au cours de la réaction elle-même, une fonction nécessaire pour permettre à la réaction en cours de se dérouler. Pour pousser plus loin l'analogie du verrou et de la clé, lorsqu'un substrat « trouve » l'enzyme requise pour une réaction donnée et se lie à l'enzyme active de l'enzyme. site (l'"insertion de clé"), le complexe enzyme-substrat subit des changements ("tournage de clé") qui entraînent la libération d'un nouveau produit.
Cinétique enzymatique
L'interaction du substrat, de l'enzyme et du produit dans une réaction donnée peut être représentée comme suit :
E + S ES → E + P
Ici, E représente l'enzyme, S est le substrat, et P est le produit. Ainsi, vous pouvez imaginer le processus comme vaguement semblable à un morceau de pâte à modeler (S) devenant un bol entièrement formé (P) sous l'influence d'un artisan humain (E). Les mains de l'artisan peuvent être considérées comme le site actif de « l'enzyme » que cette personne incarne. Lorsque l'argile en morceaux devient « liée » aux mains de la personne, elles forment un « complexe » pendant un certain temps, pendant lequel l'argile est moulée dans une forme différente et prédéterminée par l'action de la main à laquelle elle est jointe (ES). Ensuite, lorsque le bol est entièrement façonné et qu'aucun autre travail n'est nécessaire, les mains (E) libérer le bol (P), et le processus est terminé.
Considérez maintenant les flèches dans le diagramme ci-dessus. Vous remarquerez que l'étape entre E + S et ES a des flèches se déplaçant dans les deux sens, ce qui implique que, tout comme l'enzyme et le substrat peuvent se lier pour former un complexe enzyme-substrat, ce complexe peut se dissocier dans l'autre sens pour libérer l'enzyme et son substrat dans leur formes originales.
La flèche unidirectionnelle entre ES et P, d'autre part, montre que le produit P ne se joint jamais spontanément à l'enzyme responsable de sa création. Cela a du sens à la lumière de la spécificité des enzymes notée précédemment: si une enzyme se lie à un substrat donné, elle le fait pas également se lier au produit résultant, sinon cette enzyme serait alors spécifique de deux substrats et donc non spécifique à tout. De plus, du point de vue du bon sens, il n'aurait aucun sens pour une enzyme donnée de faire fonctionner une réaction donnée plus favorablement dans tous les deux directions; ce serait comme une voiture qui roule à la fois en montée et en descente avec la même facilité.
Constantes de taux
Considérez la réaction générale de la section précédente comme la somme de trois réactions concurrentes différentes, à savoir :
1) \; E + S → ES \\ 2) \; ES → E + S \\ 3) \; ES → E + P
Chacune de ces réactions individuelles a sa propre constante de vitesse, une mesure de la vitesse à laquelle une réaction donnée se déroule. Ces constantes sont spécifiques à des réactions particulières et ont été déterminées expérimentalement et vérifié pour une pléthore de différents substrat-plus-enzyme et complexe enzyme-substrat-plus-produit groupements. Ils peuvent être écrits de différentes manières, mais généralement, la constante de vitesse pour la réaction 1) ci-dessus est exprimée par k1, celui de 2) comme k-1, et celle de 3) comme k2 (c'est parfois écrit kchat).
La constante de Michaelis et l'efficacité enzymatique
Sans plonger dans le calcul nécessaire pour dériver certaines des équations qui suivent, vous pouvez probablement voir que la vitesse à laquelle le produit s'accumule, v, est fonction de la constante de vitesse de cette réaction, k2, et la concentration de ES présent, exprimé comme [ES]. Plus la constante de vitesse est élevée et plus le complexe substrat-enzyme présent est important, plus le produit final de la réaction s'accumule rapidement. Par conséquent:
v = k_2[ES]
Cependant, rappelons que deux autres réactions en plus de celle qui crée le produit P se produisent en même temps. L'un d'eux est la formation de ES de ses composants E et S, tandis que l'autre est la même réaction en sens inverse. En prenant toutes ces informations ensemble, et en comprenant que le taux de formation de ES doit être égal à son taux de disparition (par deux processus opposés), vous avez
k_1[E][S] = k_2 [ES] + k_{-1}[ES]
En divisant les deux termes par k1 rendements
[E][S] = {(k_2 + k_{-1}) \au-dessus{1pt} k_1} [ES]
Puisque tous les "k" les termes de cette équation sont des constantes, ils peuvent être combinés en une seule constante, KM:
K_M= {(k_2 + k_{-1}) \ci-dessus{1pt} k_1}
Cela permet d'écrire l'équation ci-dessus
[E][S] = K_M[ES]
KM est connue sous le nom de constante de Michaelis. Cela peut être considéré comme une mesure de la vitesse à laquelle le complexe enzyme-substrat disparaît via la combinaison de la non-liaison et de la formation d'un nouveau produit.
Pour revenir à l'équation de la vitesse de formation du produit, v = k2[ES], la substitution donne :
v = [E][S] \Bigg( {k_2 \above{1pt} K_M}\Bigg)
L'expression entre parenthèses, k2/KM, est connue sous le nom de constante de spécificité_, _ également appelée efficacité cinétique. Après toute cette algèbre embêtante, vous avez enfin une expression qui évalue l'efficacité catalytique, ou l'efficacité enzymatique, d'une réaction donnée. Vous pouvez calculer la constante directement à partir de la concentration d'enzyme, de la concentration de substrat et de la vitesse de formation du produit en réorganisant pour :
\Bigg( {k_2 \above{1pt} K_M}\Bigg)= {v \above{1pt}[E][S]}
