אנזימים הם חלבונים במערכות ביולוגיות המסייעים להאיץ בתגובות שאחרת היו מתרחשות לאט הרבה יותר מאשר ללא עזרת האנזים. ככאלה, הם מהווים סוג של זרז. זרזים אחרים שאינם ביולוגיים ממלאים תפקיד בתעשייה ובמקומות אחרים (למשל, זרזים כימיים מסייעים בעירה של בנזין כדי לשפר את יכולותיהם של מנועים המונעים על ידי גז). אנזימים, לעומת זאת, ייחודיים במנגנון הפעולה הקטליטי שלהם. הם פועלים על ידי הורדת אנרגיית ההפעלה של תגובה מבלי לשנות את מצבי האנרגיה של המגיבים (התשומות של תגובה כימית) או את התוצרים (התפוקות). במקום זאת הם למעשה יוצרים דרך חלקה יותר ממגיבים למוצרים על ידי הורדת כמות האנרגיה שצריך "להשקיע" על מנת לקבל "תמורה" בצורת מוצרים.
בהתחשב בתפקידם של האנזימים והעובדה שרבים מחלבונים אלה המופיעים באופן טבעי נבחרו לשימוש טיפולי אנושי (דוגמה אחת היא לקטאז, האנזים המסייע לעיכול סוכר חלב שמיליוני גופם של אנשים אינם מצליחים לייצר), אין זה מפתיע שלביולוגים יש להמציא כלים רשמיים להעריך עד כמה אנזימים ספציפיים מבצעים את עבודתם בתנאים ידועים ונתונים - כלומר לקבוע את הזרז שלהם יְעִילוּת.
יסודות האנזים
תכונה חשובה של אנזימים היא הספציפיות שלהם. אנזימים, באופן כללי, משמשים לזרז רק אחת ממאות התגובות המטבוליות הביוכימיות הנפרשות בגוף האדם בכל עת. לכן ניתן לחשוב על אנזים נתון כמנעול, וניתן לדמות את המרכיב הספציפי עליו הוא פועל, הנקרא מצע, למפתח. חלקו של האנזים איתו מצע מתקשר ידוע כאתר הפעיל של האנזים.
אנזימים, כמו כל החלבונים, מורכבים ממחרוזות ארוכות של חומצות אמינו, אשר ישנן כ -20 במערכות אנושיות. האתרים הפעילים של אנזימים מורכבים, בדרך כלל, משיירי חומצות אמינו, או מגושים לא שלמים מבחינה כימית של חומצת אמינו נתונה, שעשויה להיות "חסר" פרוטון או אטום אחר ונושאת מטען חשמלי נטו כ- תוֹצָאָה.
אנזימים, באופן ביקורתי, אינם משתנים בתגובות שהם מזרזים - לפחות לא לאחר סיום התגובה. אך הם עוברים שינויים זמניים במהלך התגובה עצמה, תפקיד הכרחי בכדי לאפשר לתגובה בהישג יד להמשיך. כדי להמשיך את אנלוגיית הנעילה והמפתח, כאשר מצע "מוצא" את האנזים הדרוש לתגובה נתונה ונקשר לפעיל האנזים. באתר ("הכנסת המפתח"), מתחם האנזים-מצע עובר שינויים ("סיבוב המקשים") שגורמים לשחרורו של חדש שנוצר מוצר.
אנזים קינטיקה
ניתן לייצג את האינטראקציה של המצע, האנזים והמוצר בתגובה נתונה באופן הבא:
E + S ⇌ ES → E + P
פה, ה מייצג את האנזים, ס הוא המצע, ו פ הוא המוצר. לפיכך, אתה יכול לדמיין את התהליך כמשוחרר באופן רופף לגוש חימר דוגמנות (סהופכת לקערה מעוצבת לחלוטין (פ) בהשפעת אומן אנושי (ה). ניתן לחשוב על ידיו של בעל המלאכה כאתר הפעיל של ה"אנזים "שמגלם אדם זה. כאשר החימר הגוש הופך "כבול" לידיים של האדם, הם יוצרים "מורכב" לזמן מה, במהלכו החימר מעוצב בצורה שונה וקבועה מראש על ידי פעולת היד אליה הוא מחובר (ES). ואז, כאשר הקערה מעוצבת במלואה ואין צורך בעבודה נוספת, הידיים (ה) שחרר את הקערה (פ), והתהליך הושלם.
שקול כעת את החצים בתרשים לעיל. תבחין כי הצעד בין ה + ס ו ES יש חצים הנעים לשני הכיוונים, רומז שכמו שאנזים ומצע יכולים להיקשר יחד ליצירת קומפלקס אנזים-מצע, קומפלקס זה יכול להתנתק בכיוון השני כדי לשחרר את האנזים ואת המצע שלו בתוכם צורות מקוריות.
החץ החד כיווני בין ES ו פ, לעומת זאת, מראה כי המוצר פ לעולם אינו מצטרף באופן ספונטני לאנזים האחראי ליצירתו. זה הגיוני לאור הספציפיות של אנזימים שצוינו בעבר: אם אנזים נקשר למצע נתון, זה כן לא נקשר גם למוצר המתקבל, או שאנזים זה יהיה ספציפי לשני מצעים ולכן אינו ספציפי ב את כל. כמו כן, מנקודת מבט של השכל הישר, זה לא הגיוני שאנזים נתון יגרום לתגובה נתונה לעבוד בצורה טובה יותר שניהם כיוונים; זה יהיה כמו מכונית שמתגלגלת בעלייה ובירידה באותה קלות.
דרג קבועים
חשבו על התגובה הכללית בסעיף הקודם כסכום של שלוש תגובות מתחרות שונות, שהן:
1) \; E + S → ES \\ 2) \; ES → E + S \\ 3) \; ES → E + P
לכל אחת מהתגובות האינדיבידואליות הללו יש קבוע קצב משלה, מדד למהירות התגובה הנתונה. קבועים אלה ספציפיים לתגובות מסוימות ונקבעו באופן ניסיוני אומת על שפע של מצע פלוס-אנזים ומוצר מורכב של אנזים-מצע פלוס-מוצר קיבוצים. ניתן לכתוב אותם במגוון דרכים, אך באופן כללי, קבוע הקצב לתגובה 1) לעיל מתבטא כ- k1, זה של 2) כ k-1וזה של 3) כ k2 (זה נכתב לפעמים kחתול).
היעילות הקבועה ומיכאליס
מבלי לצלול לחשבון הדרוש להפקת חלק מהמשוואות הבאות, כנראה שתוכלו לראות שהמהירות בה מצטבר המוצר, v, הוא פונקציה של קבוע הקצב לתגובה זו, k2, והריכוז של ES נוכח, מבוטא כ-ES]. ככל שקצב הקצב גבוה יותר וקיים מורכב יותר של מצעי-אנזים, כך מצטבר התגובה הסופית של התגובה. לָכֵן:
v = k_2 [ES]
עם זאת, זכור כי שתי תגובות אחרות מלבד זו שיוצרת את המוצר פ מתרחשים באותו זמן. אחד מאלה הוא היווצרותו של ES ממרכיביו ה ו סואילו השנייה היא אותה תגובה הפוכה. לקחת את כל המידע הזה יחד, ולהבין שקצב היווצרותו של ES חייב להיות שווה לקצב היעלמותו (בשני תהליכים מנוגדים), יש לך
k_1 [E] [S] = k_2 [ES] + k _ {- 1} [ES]
מחלק את שני המונחים לפי k1 תשואות
[E] [S] = {(k_2 + k _ {- 1}) \ מעל {1pt} k_1} [ES]
מאז כל "k"מונחים במשוואה זו הם קבועים, ניתן לשלב אותם לקבוע אחד, קM:
K_M = {(k_2 + k _ {- 1}) \ מעל {1pt} k_1}
זה מאפשר לכתוב את המשוואה לעיל
[E] [S] = K_M [ES]
קM ידוע כקבוע מיכאליס. ניתן לראות בכך מדד כמה מהר מתחם האנזים-מצע נעלם באמצעות שילוב של היווצרותו של קשר בלתי-מאוגד ומוצר חדש.
חוזרים כל הדרך למשוואה למהירות יצירת המוצר, v = k2[ES], החלפה נותנת:
v = [E] [S] \ Bigg ({k_2 \ מעל {1pt} K_M} \ Bigg)
הביטוי בסוגריים, k2/קM, ידוע כקבוע הספציפיות_, _ נקרא גם היעילות הקינטית. אחרי כל האלגברה המעצבנת הזו, סוף סוף יש לך ביטוי שמעריך את היעילות הקטליטית, או יעילות האנזים, של תגובה נתונה. ניתן לחשב את הקבוע ישירות מריכוז האנזים, ריכוז המצע ומהירות היווצרות המוצר על ידי סידור מחדש ל:
\ Bigg ({k_2 \ מעל {1pt} K_M} \ Bigg) = {v \ מעל {1pt} [E] [S]}