Fermentai yra baltymai biologinėse sistemose, kurie padeda paspartinti reakcijas, kurios kitu atveju vyktų daug lėčiau nei be fermento pagalbos. Taigi jie yra tam tikras katalizatorius. Kiti, ne biologiniai katalizatoriai vaidina svarbų vaidmenį pramonėje ir kitur (pavyzdžiui, cheminiai katalizatoriai padeda deginant benziną, kad padidintų dujomis varomų variklių galimybes). Tačiau fermentai yra unikalūs savo katalizinio veikimo mechanizmu. Jie veikia mažindami reakcijos aktyvacijos energiją, nekeisdami reagentų (cheminės reakcijos įvadai) ar produktų (išėjimai) energijos būsenų. Užtat jie iš tikrųjų sukuria sklandesnį kelią nuo reagentų iki produktų, sumažinant energijos kiekį, kurį reikia „investuoti“, kad gautų „grąžą“ produktų pavidalu.
Atsižvelgiant į fermentų vaidmenį ir į tai, kad daugelis šių natūraliai pasitaikančių baltymų buvo pasirinkti žmonių gydymui (vienas iš jų yra laktazė, fermentas, kuris padeda virškinti pieno cukrų, kurio nesugeba pagaminti milijonai žmonių organizmų), nenuostabu, kad biologai parengti oficialias priemones, skirtas įvertinti, kaip tam tikri fermentai gerai dirba savo darbą esant tam tikroms, žinomoms sąlygoms, tai yra, nustato jų katalizinius efektyvumas.
Fermentų pagrindai
Svarbus fermentų požymis yra jų specifiškumas. Fermentai paprastai tarnauja katalizuojant tik vieną iš šimtų biocheminių medžiagų apykaitos reakcijų, kurios visada vyksta žmogaus kūne. Taigi tam tikras fermentas gali būti laikomas spyna, o konkretų junginį, kurį jis veikia, vadinamą substratu, galima palyginti su raktu. Fermento dalis, su kuria sąveikauja substratas, yra žinoma kaip aktyvi fermento vieta.
Fermentai, kaip ir visi baltymai, susideda iš ilgų aminorūgščių virvelių, kurių žmogaus sistemose yra apie 20. Todėl aktyvios fermentų vietos paprastai susideda iš aminorūgščių liekanų arba chemiškai nepilnos dalys tam tikros aminorūgšties, kuriai gali trūkti protono ar kito atomo ir kuri turi grynąjį elektros krūvį kaip a rezultatas.
Kritiškai fermentai nekeičiami jų katalizuojamose reakcijose - bent jau ne pasibaigus reakcijai. Bet pačios reakcijos metu jie patiria laikinus pokyčius, tai yra būtina funkcija, leidžianti vykti reakcijai. Norint toliau naudoti užrakto ir rakto analogiją, kai substratas „suranda“ fermentą, reikalingą tam tikrai reakcijai, ir prisijungia prie aktyvaus fermento fermento-substrato kompleksas patiria pokyčius („rakto pasukimas“), dėl kurių išsiskiria naujai suformuotas produktas.
Fermentų kinetika
Substrato, fermento ir produkto sąveika tam tikroje reakcijoje gali būti pavaizduota taip:
E + S ⇌ ES → E + P
Čia E reiškia fermentą, S yra substratas ir P yra produktas. Taigi, jūs galite įsivaizduoti procesą kaip laisvai panašų į modelino gumulą (S) tampa visiškai suformuotu dubeniu (P) veikiamas žmogaus amatininko (E). Galima manyti, kad amatininko rankos yra aktyvi šio žmogaus „fermento“ vieta. Kai susmulkintas molis „pririšamas“ prie žmogaus rankų, kuriam laikui jie susidaro „kompleksą“, kurio metu molis formuojamas į skirtingą ir iš anksto nustatytą formą rankos, prie kurios jis yra sujungtas, veikimu (ES). Tada, kai dubuo yra visiškai formos ir nereikia daugiau dirbti, rankos (E) atleiskite dubenį (P), ir procesas yra baigtas.
Dabar apsvarstykite rodykles aukščiau pateiktoje diagramoje. Jūs pastebėsite, kad žingsnis tarp E + S ir ES turi rodykles, judančias abiem kryptimis, o tai reiškia, kad fermentas ir substratas gali susijungti ir sudaryti fermento-substrato kompleksas, šis kompleksas gali atsiriboti kita linkme, kad išlaisvintų fermentą ir jo substratą originalios formos.
Vienakryptė rodyklė tarp ES ir P, kita vertus, rodo, kad produktas P niekada spontaniškai nesijungia su fermentu, atsakingu už jo sukūrimą. Tai prasminga atsižvelgiant į anksčiau pažymėtą fermentų specifiškumą: Jei fermentas prisijungia prie tam tikro substrato, tada jis taip pat nesusijungia su gautu produktu, kitaip fermentas būtų specifiškas dviem substratams ir todėl nėra specifinis visi. Taip pat, sveiko proto požiūriu, nebūtų prasmės tam tikram fermentui priversti tam tikrą reakciją veikti palankiau tiek nurodymai; tai būtų kaip automobilis, kuris vienodai lengvai riedėtų tiek į kalną, tiek į nuokalnę.
Įvertinkite pastovius
Pagalvokite apie bendrą ankstesnio skyriaus reakciją kaip trijų skirtingų konkuruojančių reakcijų sumą:
1) \; E + S → ES \\ 2) \; ES → E + S \\ 3) \; ES → E + P
Kiekviena iš šių atskirų reakcijų turi savo greičio konstantą - tai matuoja, kaip greitai vyksta tam tikra reakcija. Šios konstantos yra būdingos konkrečioms reakcijoms ir buvo eksperimentiškai nustatytos bei patikrinta, ar gausybė skirtingų substrato-pliuso-fermento ir fermento-substrato kompleksas-plius-produktas grupavimas. Jie gali būti parašyti įvairiais būdais, tačiau paprastai 1) reakcijos greičio konstanta išreiškiama kaip k1, kad 2) kaip k-1ir 3) kaip k2 (tai kartais rašoma kkatė).
„Michaelis Constant“ ir „Fermentų efektyvumas“
Neriasi į skaičiavimą, kurio reikia norint gauti kai kurias tolesnes lygtis, tikriausiai galite pamatyti, kad produkto kaupimosi greitis, vyra šios reakcijos greičio konstantos funkcija, k2ir koncentracija ES esamas, išreikštas kaip [ES]. Kuo didesnė greičio konstanta ir kuo daugiau yra substrato-fermento komplekso, tuo greičiau kaupiasi galutinis reakcijos produktas. Todėl:
v = k_2 [ES]
Tačiau prisiminkite, kad dvi kitos reakcijos, išskyrus tą, kuri sukuria produktą P atsiranda tuo pačiu metu. Vienas iš jų yra ES nuo jo komponentų E ir S, o kita yra ta pati reakcija atvirkščiai. Apibendrinant visą šią informaciją ir suprantant, kad jos susidarymo greitis ES turi būti lygus jo išnykimo greičiui (dviem priešingais procesais), jūs turite
k_1 [E] [S] = k_2 [ES] + k _ {- 1} [ES]
Abiejų terminų padalijimas iš k1 derlius
[E] [S] = {(k_2 + k _ {- 1}) \ aukščiau {1pt} k_1} [ES]
Kadangi visi „k"šios lygties terminai yra konstantos, jas galima sujungti į vieną konstantą, K.M:
K_M = {(k_2 + k _ {- 1}) \ virš {1pt} k_1}
Tai leidžia parašyti aukščiau pateiktą lygtį
[E] [S] = K_M [ES]
K.M yra žinomas kaip Michaelio konstanta. Tai gali būti vertinama kaip matas, kaip greitai dingsta fermento ir substrato kompleksas, nes susidaro nesurišimas ir formuojamas naujas produktas.
Grįžtant prie produkto formavimo greičio lygties, v = k2[ES], pakeitimas duoda:
v = [E] [S] \ Biggas ({k_2 \ aukščiau {1pt} K_M} \ Bigg)
Išraiška skliaustuose, k2/K.M, vadinama specifiškumo konstanta_, _ dar vadinama kinetiniu efektyvumu. Po visos šios baisios algebros jūs pagaliau turite išraišką, kuri įvertina tam tikros reakcijos katalizinį efektyvumą arba fermentų efektyvumą. Konstantą galite apskaičiuoti tiesiogiai iš fermento koncentracijos, substrato koncentracijos ir produkto susidarymo greičio, pertvarkydami:
\ Bigg ({k_2 \ virš {1pt} K_M} \ Bigg) = {v \ virš {1pt} [E] [S]}