Gli enzimi sono proteine nei sistemi biologici che aiutano a velocizzare le reazioni che altrimenti avverrebbero molto più lentamente che senza l'aiuto dell'enzima. In quanto tali, sono una sorta di catalizzatore. Altri catalizzatori non biologici svolgono un ruolo nell'industria e altrove (ad esempio, i catalizzatori chimici aiutano nella combustione della benzina per migliorare le capacità dei motori a gas). Gli enzimi, tuttavia, sono unici nel loro meccanismo di azione catalitica. Funzionano abbassando l'energia di attivazione di una reazione senza modificare gli stati energetici dei reagenti (gli input di una reazione chimica) o dei prodotti (gli output). Invece, creano in effetti un percorso più agevole dai reagenti ai prodotti riducendo la quantità di energia che deve essere "investita" per ricevere un "ritorno" sotto forma di prodotti.
Dato il ruolo degli enzimi e il fatto che molte di queste proteine naturali sono state cooptate per uso terapeutico umano (un esempio è lattasi, l'enzima che aiuta la digestione dello zucchero del latte che milioni di corpi di persone non riescono a produrre), non sorprende che i biologi abbiano elaborare strumenti formali per valutare quanto bene enzimi specifici svolgono il loro lavoro in condizioni date e note, ovvero determinano il loro catalizzatore cata efficienza.
Nozioni di base sugli enzimi
Un attributo importante degli enzimi è la loro specificità. Gli enzimi, in generale, servono a catalizzare solo una delle centinaia di reazioni metaboliche biochimiche che si svolgono in ogni momento all'interno del corpo umano. Quindi un dato enzima può essere pensato come una serratura, e il composto specifico su cui agisce, chiamato substrato, può essere paragonato a una chiave. La parte dell'enzima con cui interagisce un substrato è nota come sito attivo dell'enzima.
Gli enzimi, come tutte le proteine, sono costituiti da lunghe stringhe di amminoacidi, di cui ce ne sono circa 20 nei sistemi umani. I siti attivi degli enzimi quindi di solito sono costituiti da residui di amminoacidi, o pezzi chimicamente incompleti di un dato amminoacido, che può "mancare" un protone o un altro atomo e portare una carica elettrica netta come risultato.
Gli enzimi, in modo critico, non vengono modificati nelle reazioni che catalizzano, almeno non dopo che la reazione è terminata. Ma subiscono cambiamenti temporanei durante la reazione stessa, una funzione necessaria per consentire alla reazione in corso di procedere. Per portare ulteriormente l'analogia della serratura e della chiave, quando un substrato "trova" l'enzima richiesto per una data reazione e si lega all'attivo dell'enzima sito (la "chiave di inserimento"), il complesso enzima-substrato subisce modifiche ("giro di chiave") che determinano il rilascio di un neoformato Prodotto.
Cinetica enzimatica
L'interazione del substrato, dell'enzima e del prodotto in una data reazione può essere rappresentata come segue:
E + S ⇌ ES → E + P
Qui, E rappresenta l'enzima, S è il substrato, e P è il prodotto. Pertanto, puoi immaginare il processo come vagamente simile a un pezzo di plastilina (S) diventando una ciotola completamente formata (P) sotto l'influenza di un artigiano umano (E). Le mani dell'artigiano possono essere pensate come il sito attivo dell'"enzima" che questa persona incarna. Quando il grumo di argilla si "lega" alle mani della persona, formano un "complesso" per un tempo, durante il quale l'argilla viene modellata in una forma diversa e predeterminata dall'azione della mano a cui è unita (ES). Quindi, quando la ciotola è completamente modellata e non è necessario alcun ulteriore lavoro, le mani (E) rilasciare la ciotola (P) e il processo è completo.
Ora considera le frecce nel diagramma sopra. Noterai che il passaggio tra E + S e ES ha frecce che si muovono in entrambe le direzioni, il che implica che, proprio come enzima e substrato possono legarsi insieme per formare un complesso enzima-substrato, questo complesso può dissociarsi nell'altra direzione per rilasciare l'enzima e il suo substrato nella loro forme originali.
La freccia unidirezionale tra ES e P, d'altra parte, mostra che il prodotto P non si unisce mai spontaneamente all'enzima responsabile della sua creazione. Ciò ha senso alla luce della specificità degli enzimi precedentemente notata: se un enzima si lega a un dato substrato, allora lo fa non si legano anche al prodotto risultante, altrimenti quell'enzima sarebbe quindi specifico per due substrati e quindi non specifico per tutti. Inoltre, dal punto di vista del buon senso, non avrebbe senso per un dato enzima far funzionare una data reazione in modo più favorevole in tutti e due indicazioni; sarebbe come un'auto che va in salita e in discesa con la stessa facilità.
Costanti di tasso
Pensa alla reazione generale nella sezione precedente come alla somma di tre diverse reazioni concorrenti, che sono:
1) \; E + S → ES \\ 2) \; ES → E + S \\ 3) \; ES → E + P
Ognuna di queste singole reazioni ha una propria costante di velocità, una misura della velocità con cui procede una determinata reazione. Queste costanti sono specifiche per particolari reazioni e sono state determinate sperimentalmente e verificato per una pletora di diversi substrato-più-enzima e complesso-enzima-substrato-più-prodotto raggruppamenti. Possono essere scritti in vari modi, ma generalmente, la costante di velocità per la reazione 1) sopra è espressa come K1, quello di 2) come K-1, e quello di 3) come K2 (questo a volte è scritto Kgatto).
La costante di Michaelis e l'efficienza enzimatica
Senza immergersi nel calcolo necessario per derivare alcune delle equazioni che seguono, probabilmente puoi vedere che la velocità con cui il prodotto si accumula, v, è una funzione della costante di velocità per questa reazione, K2e la concentrazione di ES presente, espresso come [ES]. Maggiore è la costante di velocità e maggiore è il complesso substrato-enzima presente, più rapidamente si accumula il prodotto finale della reazione. Perciò:
v = k_2[ES]
Ricorda però che altre due reazioni oltre a quella che crea il prodotto P si verificano contemporaneamente. Uno di questi è la formazione di ES dai suoi componenti E e S, mentre l'altra è la stessa reazione al contrario. Prendendo insieme tutte queste informazioni e comprendendo che il tasso di formazione di ES deve eguagliare il suo tasso di scomparsa (per due processi opposti), hai
k_1[E][S] = k_2 [ES] + k_{-1}[ES]
Dividendo entrambi i termini per K1 rendimenti
[E][S] = {(k_2 + k_{-1}) \sopra{1pt} k_1} [ES]
Poiché tutti i "K" i termini in questa equazione sono costanti, possono essere combinati in un'unica costante, KM:
K_M= {(k_2 + k_{-1}) \sopra{1pt} k_1}
Ciò consente di scrivere l'equazione sopra
[E][S] = K_M[ES]
KM è nota come costante di Michaelis. Questo può essere considerato come una misura della velocità con cui il complesso enzima-substrato scompare attraverso la combinazione di disfacimento e formazione di nuovo prodotto.
Tornando indietro all'equazione per la velocità di formazione del prodotto, v = K2[ES], la sostituzione dà:
v = [E][S] \Bigg( {k_2 \sopra{1pt} K_M}\Bigg)
L'espressione tra parentesi, K2/KM, è nota come costante di specificità_, _ chiamata anche efficienza cinetica. Dopo tutta questa fastidiosa algebra, hai finalmente un'espressione che valuta l'efficienza catalitica, o l'efficienza enzimatica, di una data reazione. Puoi calcolare la costante direttamente dalla concentrazione di enzima, dalla concentrazione di substrato e dalla velocità di formazione del prodotto riorganizzando a:
\Bigg( {k_2 \sopra{1pt} K_M}\Bigg)= {v \sopra{1pt}[E][S]}