A katalitikus hatékonyság kiszámítása

Az enzimek olyan fehérjék a biológiai rendszerekben, amelyek elősegítik a reakciók végbemenetelét, amelyek egyébként sokkal lassabban zajlanak le, mint az enzim segítsége nélkül. Mint ilyenek, egyfajta katalizátorok. Más, nem biológiai katalizátorok szerepet játszanak az iparban és másutt (például a vegyi katalizátorok elősegítik a benzin elégetését, hogy fokozzák a gázüzemű motorok képességeit). Az enzimek azonban egyedülállóak a katalitikus hatás mechanizmusában. Úgy működnek, hogy csökkentik a reakció aktivációs energiáját anélkül, hogy megváltoztatnák a reaktánsok (kémiai reakció bemenetei) vagy a termékek (kimenetek) energiaállapotát. Ehelyett valójában gördülékenyebb utat teremtenek a reagensektől a termékekig azáltal, hogy csökkentik az "befektetendő" energia mennyiségét annak érdekében, hogy termék formájában "megtérülést" kapjanak.

Tekintettel az enzimek szerepére és arra, hogy e természetes úton előforduló fehérjék közül sokat együtt választottak emberi terápiás alkalmazásra (az egyik példa a tejcukor emésztését elősegítő enzim, amelyet emberek milliói nem képesek előállítani), nem meglepő, hogy a biológusok formális eszközökkel álljon elő annak felmérésére, hogy a meghatározott enzimek milyen jól teljesítik munkájukat adott, ismert körülmények között - vagyis meghatározzák katalitikus hatékonyság.

Az enzimek fontos tulajdonsága a specifitásuk. Az enzimek általában a biokémiai anyagcsere-reakciók százainak közül csak az egyiket katalizálják, amelyek mindenkor kibontakoznak az emberi testben. Így egy adott enzimet zárnak lehet tekinteni, és az a specifikus vegyület, amelyre hat, szubsztrátnak nevezhető, kulcshoz hasonlítható. Az enzimnek az a része, amellyel a szubsztrát kölcsönhatásba lép, az enzim aktív helyeként ismert.

Az enzimek, mint minden fehérje, hosszú aminosavakból állnak, amelyekből körülbelül 20 van az emberi rendszerekben. Az enzimek aktív helyei ezért általában aminosavmaradékokból vagy kémiailag hiányos darabokból állnak egy adott aminosavból, amelyből hiányozhat egy proton vagy más atom, és nettó elektromos töltést hordoz eredmény.

Az enzimek kritikusan nem változnak az általuk katalizált reakciókban - legalábbis a reakció befejezése után nem. De átmeneti változásokon mennek keresztül a reakció során, ami szükséges funkció a reakció folytatásához. A zárolás és kulcs analógia továbbviteléhez, amikor egy szubsztrát "megtalálja" az adott reakcióhoz szükséges enzimet és kötődik az enzim aktív az enzim-szubsztrát komplex olyan változásokon megy keresztül ("kulcsfordítás"), amelyek egy újonnan képződött anyag felszabadulását eredményezik. termék.

A szubsztrát, az enzim és a termék kölcsönhatása egy adott reakcióban a következőképpen ábrázolható:

Itt, E az enzimet jelenti, S az aljzat, és P a termék. Így elképzelheti, hogy a folyamat lazán hasonlít egy darab modellező agyagra (S) egy teljesen kialakított tál (P) emberi kézműves hatása alatt (E). Úgy gondolhatunk, hogy a kézműves keze az "enzim" aktív helye, amelyet ez a személy testesít meg. Amikor az összecsomósodott agyag „megkötődik” az illető kezével, egy időre „komplexet” alkotnak, amelynek során az agyagot egy más és előre meghatározott alakúra formázzák a kéz hatására, amelyhez csatlakozik (ES). Ezután, amikor a tál teljesen meg van formálva, és nincs szükség további munkára, a kezek (E) engedje el a tálat (P), és a folyamat befejeződött.

Most vegye figyelembe a fenti diagram nyilait. Észre fogja venni, hogy a lépés E + S és ES a nyilak mindkét irányban mozognak, ami azt jelenti, hogy ugyanúgy, ahogy az enzim és a szubsztrát össze tud kapcsolódni, hogy egy enzim-szubsztrát komplex, ez a komplex disszociálhat a másik irányba, hogy felszabadítsa az enzimet és szubsztrátját azokban eredeti formák.

Közötti egyirányú nyíl ES és Pviszont azt mutatja, hogy a termék P soha nem csatlakozik spontán a létrehozásáért felelős enzimmel. Ennek van értelme az enzimek korábban megjegyzett specifitásának fényében: Ha egy enzim egy adott szubsztrátumhoz kötődik, akkor nem kötődik a kapott termékhez, vagy pedig ez az enzim két szubsztrátra specifikus, és ezért nem specifikus a minden. Ezenkívül józan ész szempontjából nem lenne értelme egy adott enzimnek arra, hogy az adott reakció kedvezőbben működjön mindkét irányok; ez olyan lenne, mint egy autó, amely felfelé és lefelé egyaránt gördül ugyanolyan könnyedén.

Gondoljunk az előző szakasz általános reakciójára három különböző versengő reakció összegeként, amelyek:

Ezen egyedi reakciók mindegyikének megvan a maga sebességállandója, annak mértéke, hogy az adott reakció milyen gyorsan halad. Ezek az állandók specifikusak az egyes reakciókra, és kísérletileg meghatározták őket és különféle szubsztrát-plusz-enzim és enzim-szubsztrát-komplex-plusz-termék sokaságát igazolták csoportosulások. Különböző módon írhatók, de általában a fenti 1) reakció sebességi állandóját fejezzük ki k₁, hogy a 2) as k_-1és a 3) as k₂ (ezt néha írják k_macska).

Anélkül, hogy belemerülne a következő egyenletek levezetéséhez szükséges számításba, valószínűleg láthatja, hogy a termék felhalmozódásának sebessége, v, a reakció sebességi állandójának függvénye, k₂és a koncentrációja ES jelen van, [ES]. Minél nagyobb a sebességi állandó és minél több szubsztrát-enzim komplex van jelen, annál gyorsabban halmozódik fel a reakció végterméke. Ebből kifolyólag:

Emlékezzünk azonban arra, hogy a terméket létrehozó reakción kívül két másik reakció is P egyidejűleg fordulnak elő. Ezek egyike a ES alkotóelemeiből E és S, míg a másik ugyanaz a reakció fordítva. Mindezen információk összesítése és annak megértése, hogy a ES meg kell egyeznie az eltűnési sebességével (két ellentétes folyamat által), akkor van

Mindkét kifejezés elosztása k₁ hozamok

Mivel az összesk"az ebben az egyenletben szereplő kifejezések konstansok, egyetlen konstanssá egyesíthetők, K_M:

Ez lehetővé teszi a fenti egyenlet megírását

K_M Michaelis-konstans néven ismert. Ez annak a mértékének tekinthető, hogy az enzim-szubsztrát komplex milyen gyorsan eltűnik a megkötötlenné válás és a képződő új termék kombinációján keresztül.

Visszatérve a termékképződés sebességének egyenletéhez, v = k₂[ES], a helyettesítés a következőket adja:

A zárójelben lévő kifejezés, k₂/K_M, specifitási állandónak nevezik, _ kinetikus hatékonyságnak is nevezik. Ennyi bosszantó algebra után végre megvan egy kifejezés, amely felméri az adott reakció katalitikus hatékonyságát vagy enzimhatékonyságát. Kiszámíthatja az állandót közvetlenül az enzim koncentrációja, a szubsztrát koncentrációja és a termék képződésének sebessége alapján, azáltal, hogy újrarendezi: