Fermenti ir olbaltumvielas bioloģiskās sistēmās, kas palīdz paātrināt reakcijas, kas citādi notiktu daudz lēnāk nekā bez fermenta palīdzības. Kā tādi tie ir sava veida katalizatori. Citi, nebioloģiski katalizatori spēlē lomu rūpniecībā un citur (piemēram, ķīmiskie katalizatori palīdz benzīna sadedzināšanā, lai uzlabotu ar gāzi darbināmu motoru iespējas). Fermenti tomēr ir unikāli ar katalītiskās darbības mehānismu. Tie darbojas, samazinot reakcijas aktivācijas enerģiju, nemainot reaģentu (ķīmiskās reakcijas izejvielas) vai produktu (izejas) enerģijas stāvokļus. Tā vietā tie faktiski rada vienmērīgāku ceļu no reaģentiem uz produktiem, samazinot enerģijas daudzumu, kas ir "jāiegulda", lai saņemtu "atdevi" produktu veidā.
Ņemot vērā fermentu nozīmi un to, ka daudzi no šiem dabā sastopamajiem proteīniem ir izvēlēti cilvēku terapeitiskai lietošanai (viens piemērs ir laktāzi, fermentu, kas palīdz sagremot piena cukuru, ko miljoniem cilvēku organismā neizdodas ražot), nav pārsteidzoši, ka biologi ir nākt klajā ar oficiāliem rīkiem, lai novērtētu, cik labi specifiskie fermenti veic savu darbu noteiktos, zināmos apstākļos - tas ir, nosaka to katalītisko efektivitāte.
Fermentu pamati
Svarīgs fermentu atribūts ir to specifika. Fermenti parasti kalpo, lai katalizētu tikai vienu no simtiem bioķīmisko vielmaiņas reakciju, kas vienmēr notiek cilvēka ķermenī. Tādējādi noteiktu fermentu var uzskatīt par slēdzeni, un konkrēto savienojumu, uz kura tas iedarbojas, ko sauc par substrātu, var pielīdzināt atslēgai. Fermenta daļa, ar kuru mijiedarbojas substrāts, ir pazīstama kā fermenta aktīvā vieta.
Fermenti, tāpat kā visas olbaltumvielas, sastāv no garām aminoskābju virknēm, kuru cilvēka sistēmās ir aptuveni 20. Tādēļ fermentu aktīvās vietas parasti sastāv no aminoskābju atlikumiem vai ķīmiski nepilnīgiem gabaliņiem noteiktas aminoskābes, kurai var "trūkst" protona vai cita atoma un kurai ir tīrs elektriskais lādiņš kā a rezultāts.
Fermenti kritiski netiek mainīti to katalizētajās reakcijās - vismaz ne pēc reakcijas beigām. Bet tās notiek īslaicīgas izmaiņas pašas reakcijas laikā, kas ir nepieciešama funkcija, lai ļautu turpināties reakcijai. Lai turpinātu izmantot atslēgu un atslēgu, kad substrāts "atrod" konkrētajai reakcijai nepieciešamo fermentu un saistās ar fermenta aktīvo vietā ("atslēgas ievietošana"), fermenta-substrāta kompleksā notiek izmaiņas ("atslēgas pagriešana"), kā rezultātā tiek atbrīvots jaunizveidots produktu.
Fermentu kinētika
Substrāta, fermenta un produkta mijiedarbību noteiktā reakcijā var attēlot šādi:
E + S ⇌ ES → E + P
Šeit, E ir ferments, S ir substrāts un P ir produkts. Tādējādi jūs varat iedomāties procesu kā brīvi līdzīgu modeļa vienreizējam (S) kļūstot par pilnībā izveidotu bļodu (P) cilvēka amatnieka ietekmē (E). Var uzskatīt, ka amatnieka rokas ir šī cilvēka fermenta aktīvā vieta. Kad sasmalcinātais māls kļūst "saistīts" ar cilvēka rokām, tas uz laiku veido "kompleksu", kura laikā māls tiek veidots citā un iepriekš noteiktā formā, darbojoties ar roku, kurai tas ir pievienots (ES). Tad, kad bļoda ir pilnībā izveidota un turpmāks darbs nav nepieciešams, rokas (E) atlaidiet trauku (P), un process ir pabeigts.
Tagad apsveriet bultiņas iepriekš redzamajā diagrammā. Jūs ievērosiet, ka solis starp E + S un ES ir bultiņas, kas pārvietojas abos virzienos, kas nozīmē, ka tāpat kā enzīms un substrāts var sasaistīties kopā, veidojot enzīmu-substrātu komplekss, šis komplekss var sadalīties citā virzienā, lai atbrīvotu fermentu un tā substrātu tajos oriģinālās formas.
Vienvirziena bultiņa starp ES un P, no otras puses, parāda, ka produkts P nekad spontāni nepievienojas fermentam, kas ir atbildīgs par tā radīšanu. Tam ir jēga, ņemot vērā iepriekš atzīmēto fermentu specifiskumu: Ja ferments saistās ar konkrēto substrātu, tad tas arī nesaistās ar iegūto produktu vai arī tas ferments būtu specifisks diviem substrātiem un tādējādi nebūtu specifisks visi. Arī no veselā saprāta viedokļa nebūtu jēgas noteiktam fermentam likt dotajai reakcijai darboties labvēlīgāk. gan virzieni; tas būtu kā automašīna, kas vienādi viegli ripo gan augšup, gan lejup.
Novērtēt konstantes
Iedomājieties vispārējo reakciju iepriekšējā sadaļā kā trīs dažādu konkurējošu reakciju summu, kas ir:
1) \; E + S → ES \\ 2) \; ES → E + S \\ 3) \; ES → E + P
Katrai no šīm individuālajām reakcijām ir sava ātruma konstante, kas nosaka, cik ātri norit konkrētā reakcija. Šīs konstantes ir raksturīgas konkrētām reakcijām un ir eksperimentāli noteiktas un pārbaudīts, vai ir daudz dažādu substrātu-plus-enzīmu un fermentu-substrātu kompleksu-plus-produktu grupējumi. Tos var rakstīt dažādos veidos, taču parasti iepriekš minētās reakcijas 1) ātruma konstante tiek izteikta kā k1, ka 2) kā k-1un 3) kā k2 (to dažkārt raksta kkaķis).
Michaelis konstante un fermentu efektivitāte
Nenirstot aprēķinā, kas nepieciešams, lai iegūtu dažus sekojošos vienādojumus, jūs, iespējams, redzat, ka produkta uzkrāšanās ātrums, v, ir šīs reakcijas ātruma konstantes funkcija, k2un koncentrācija ES klāt, izteikts kā [ES]. Jo augstāka ir ātruma konstante un jo vairāk ir substrāta-enzīmu kompleksa, jo ātrāk reakcijas galīgais produkts uzkrājas. Tādēļ:
v = k_2 [ES]
Tomēr atcerieties, ka divas citas reakcijas, izņemot to, kas rada produktu P notiek vienlaikus. Viens no tiem ir ES no tā sastāvdaļām E un S, bet otra ir tāda pati reakcija pretēji. Ņemot visu šo informāciju kopā un saprotot, ka veidošanās ātrums ES jābūt vienādam ar tās pazušanas ātrumu (izmantojot divus pretējus procesus), jums ir
k_1 [E] [S] = k_2 [ES] + k _ {- 1} [ES]
Abus vārdus dalot ar k1 raža
[E] [S] = {(k_2 + k _ {- 1}) \ virs {1pt} k_1} [ES]
Tā kā visi "k"šī vienādojuma termini ir konstantes, tos var apvienot vienā konstantē, KM:
K_M = {(k_2 + k _ {- 1}) \ virs {1pt} k_1}
Tas ļauj uzrakstīt iepriekšējo vienādojumu
[E] [S] = K_M [ES]
KM ir pazīstams kā Michaelis konstante. To var uzskatīt par mēru tam, cik ātri izzūd enzīmu-substrātu komplekss, nesaistoties un veidojoties jaunam produktam.
Atgriežoties pie produkta veidošanās ātruma vienādojuma, v = k2[ES], aizstāšana dod:
v = [E] [S] \ Bigg ({k_2 \ virs {1pt} K_M} \ Bigg)
Izteiksme iekavās, k2/KM, ir pazīstams kā specifiskuma konstante_, _ ko sauc arī par kinētisko efektivitāti. Pēc visas šīs nepatīkamās algebras jums beidzot ir izteiksme, kas novērtē konkrētās reakcijas katalītisko efektivitāti vai enzīmu efektivitāti. Konstantu var aprēķināt tieši no fermenta koncentrācijas, substrāta koncentrācijas un produkta veidošanās ātruma, pārkārtojot:
\ Bigg ({k_2 \ virs {1pt} K_M} \ Bigg) = {v \ virs {1pt} [E] [S]}