Enzimi su proteini u biološkim sustavima koji pomažu ubrzati reakcije koje bi se inače odvijale puno sporije nego bez pomoći enzima. Kao takvi, svojevrsni su katalizator. Ostali, nebiološki katalizatori igraju ulogu u industriji i drugdje (na primjer, kemijski katalizatori pomažu u izgaranju benzina kako bi poboljšali sposobnosti motora na plin). Enzimi su, međutim, jedinstveni po svom mehanizmu katalitičkog djelovanja. Djeluju snižavanjem energije aktiviranja reakcije bez promjene energetskih stanja reaktanata (ulazi kemijske reakcije) ili proizvoda (izlazi). Umjesto toga, oni ustvari stvaraju glađi put od reaktanata do proizvoda smanjenjem količine energije koju treba "uložiti" da bi se dobio "povrat" u obliku proizvoda.
S obzirom na ulogu enzima i činjenicu da su mnogi od ovih prirodnih proteina kooptirani za humanu terapijsku upotrebu (jedan primjer je laktaza, enzim koji pomaže u probavi mliječnog šećera koji milijuni ljudskih tijela ne proizvode), nije iznenađujuće da biolozi imaju smislite formalne alate za procjenu koliko dobro određeni enzimi rade svoj posao u zadanim, poznatim uvjetima - odnosno određuju svoj katalitički učinkovitost.
Osnove enzima
Važna osobina enzima je njihova specifičnost. Enzimi, općenito govoreći, služe da kataliziraju samo jednu od stotina biokemijskih metaboličkih reakcija koje se cijelo vrijeme odvijaju u ljudskom tijelu. Tako se o danom enzimu može razmišljati kao o bravi, a specifični spoj na koji djeluje, nazvan supstrat, može se usporediti s ključem. Dio enzima s kojim supstrat komunicira poznat je kao aktivno mjesto enzima.
Enzimi se, kao i svi proteini, sastoje od dugih nizova aminokiselina, kojih u ljudskim sustavima ima oko 20. Stoga se aktivna mjesta enzima obično sastoje od aminokiselinskih ostataka ili kemijski nepotpunih komadića date aminokiseline, kojoj možda nedostaje proton ili neki drugi atom i nosi neto električni naboj kao proizlaziti.
Enzimi se kritično ne mijenjaju u reakcijama koje kataliziraju - barem ne nakon što reakcija završi. Ali oni se podvrgavaju privremenim promjenama tijekom same reakcije, nužne funkcije koja omogućava da se reakcija u tijeku. Da bi se analogija zaključavanja nastavila dalje, kada supstrat "pronađe" enzim potreban za datu reakciju i veže se na aktivni enzim na mjestu ("umetanje ključa"), kompleks enzima i supstrata prolazi kroz promjene ("okretanje ključa") koje rezultiraju oslobađanjem novonastalog proizvod.
Kinetika enzima
Interakcija supstrata, enzima i proizvoda u određenoj reakciji može se predstaviti na sljedeći način:
E + S ⇌ ES → E + P
Ovdje, E predstavlja enzim, S je supstrat i Str je proizvod. Stoga postupak možete zamisliti kao labav srodnik grumenici gline za modeliranje (S) postaje potpuno oblikovana zdjela (Str) pod utjecajem ljudskog zanatlije (E). Na ruke majstora može se gledati kao na aktivno mjesto "enzima" koji ova osoba utjelovljuje. Kad se nakupina gline "veže" za ruke osobe, oni neko vrijeme tvore "kompleks" glina se oblikuje u drugačiji i unaprijed određeni oblik djelovanjem ruke kojoj se pridružuje (ES). Zatim, kad se zdjela potpuno oblikuje i ne treba daljnji rad, ruke (E) otpustite posudu (Str), a postupak je završen.
Sada razmotrite strelice na gornjem dijagramu. Primijetit ćete da je korak između E + S i ES ima strelice koje se kreću u oba smjera, što implicira da se, baš kao što se enzim i supstrat mogu povezati i stvoriti enzim-supstratni kompleks, ovaj kompleks može se disocirati u drugom smjeru kako bi oslobodio enzim i njegov supstrat u njihovom izvorni oblici.
Jednosmjerna strelica između ES i Str, s druge strane, pokazuje da proizvod Str nikada se spontano ne pridruži enzimu odgovornom za njegovo stvaranje. To ima smisla u svjetlu prethodno zabilježene specifičnosti enzima: Ako se enzim veže za određeni supstrat, tada to čini se također ne vežu za rezultirajući proizvod, inače bi taj enzim tada bio specifičan za dva supstrata, a time i nespecifičan za svi. Također, sa stajališta zdravog razuma, ne bi imalo smisla da dati enzim učini da određena reakcija djeluje povoljnije u oba upute; ovo bi bilo poput automobila koji se jednako lako kreće i uzbrdo i nizbrdo.
Ocijenite konstante
Opću reakciju u prethodnom odjeljku zamislite kao zbroj tri različite konkurentske reakcije, a to su:
1) \; E + S → ES \\ 2) \; ES → E + S \\ 3) \; ES → E + P
Svaka od ovih pojedinačnih reakcija ima svoju konstantu brzine, mjeru brzine odvijanja određene reakcije. Te su konstante specifične za određene reakcije i eksperimentalno su određene i provjereno za mnoštvo različitih supstrata-plus-enzim i enzima-supstrata kompleks-plus-proizvoda grupiranja. Mogu se napisati na razne načine, ali općenito, konstanta brzine za gornju reakciju 1) izražava se kao k1, onaj od 2) kao k-1, i to od 3) kao k2 (ovo je ponekad napisano kmačka).
Michaelisova konstantna i enzimska učinkovitost
Bez zaranjanja u računicu potrebnu za izvođenje nekih jednadžbi koje slijede, vjerojatno možete vidjeti da brzina akumuliranja proizvoda, v, je funkcija konstante brzine za ovu reakciju, k2, i koncentracija ES prisutan, izražen kao [ES]. Što je veća konstanta brzine i što je više supstrat-enzimski kompleks prisutan, brži se akumulira konačni produkt reakcije. Stoga:
v = k_2 [ES]
Međutim, podsjetimo da su još dvije reakcije osim one koja stvara proizvod Str javljaju se istodobno. Jedno od njih je stvaranje ES od njegovih komponenata E i S, dok je druga ista reakcija obrnuto. Uzimajući sve ove informacije zajedno, i shvaćajući da je brzina formiranja ES mora biti jednaka stopi nestajanja (u dva suprotna procesa), imate
k_1 [E] [S] = k_2 [ES] + k _ {- 1} [ES]
Dijeleći oba pojma sa k1 prinosi
[E] [S] = {(k_2 + k _ {- 1}) \ iznad {1pt} k_1} [ES]
Budući da su svik"pojmovi u ovoj jednadžbi su konstante, mogu se kombinirati u jednu konstantu, KM:
K_M = {(k_2 + k _ {- 1}) \ iznad {1pt} k_1}
To omogućuje zapis gornje jednadžbe
[E] [S] = K_M [ES]
KM poznata je kao Michaelisova konstanta. To se može smatrati mjerom koliko brzo kompleks enzima i supstrata nestaje kombinacijom nevezivanja i stvaranja novog proizvoda.
Vraćajući se sve do jednadžbe brzine stvaranja proizvoda, v = k2[ES], supstitucija daje:
v = [E] [S] \ Bigg ({k_2 \ iznad {1pt} K_M} \ Bigg)
Izraz u zagradi, k2/KM, poznat kao konstanta specifičnosti_, _ koja se naziva i kinetička učinkovitost. Nakon sve ove dosadne algebre, konačno imate izraz koji procjenjuje katalitičku učinkovitost ili enzimsku učinkovitost dane reakcije. Konstantu možete izračunati izravno iz koncentracije enzima, koncentracije supstrata i brzine stvaranja proizvoda preuređivanjem u:
\ Bigg ({k_2 \ iznad {1pt} K_M} \ Bigg) = {v \ iznad {1pt} [E] [S]}