Enzymen zijn eiwitten in biologische systemen die helpen bij het versnellen van reacties die anders veel langzamer zouden plaatsvinden dan zonder de hulp van het enzym. Als zodanig zijn ze een soort katalysator. Andere, niet-biologische katalysatoren spelen een rol in de industrie en elders (chemische katalysatoren helpen bijvoorbeeld bij de verbranding van benzine om de mogelijkheden van door gas aangedreven motoren te vergroten). Enzymen zijn echter uniek in hun mechanisme van katalytische werking. Ze werken door de activeringsenergie van een reactie te verlagen zonder de energietoestanden van de reactanten (de inputs van een chemische reactie) of de producten (de outputs) te veranderen. In plaats daarvan creëren ze in feite een soepeler pad van reactanten naar producten door de hoeveelheid energie te verlagen die moet worden "geïnvesteerd" om een "rendement" in de vorm van producten te ontvangen.
Gezien de rol van enzymen en het feit dat veel van deze natuurlijk voorkomende eiwitten zijn gecoöpteerd voor therapeutisch gebruik bij mensen (een voorbeeld is lactase, het enzym dat helpt bij de vertering van melksuiker die het lichaam van miljoenen mensen niet aanmaakt), is het niet verwonderlijk dat biologen formele instrumenten bedenken om te beoordelen hoe goed specifieke enzymen hun werk doen onder bepaalde, bekende omstandigheden – dat wil zeggen, hun katalytische efficiëntie.
Basisprincipes van enzymen
Een belangrijk kenmerk van enzymen is hun specificiteit. Enzymen dienen in het algemeen om slechts één van de honderden biochemische metabolische reacties te katalyseren die zich altijd in het menselijk lichaam voordoen. Zo kan een bepaald enzym worden gezien als een slot, en de specifieke verbinding waarop het inwerkt, een substraat genoemd, kan worden vergeleken met een sleutel. Het deel van het enzym waarmee een substraat een interactie aangaat, staat bekend als de actieve plaats van het enzym.
Enzymen bestaan, net als alle eiwitten, uit lange reeksen aminozuren, waarvan er ongeveer 20 in menselijke systemen zijn. De actieve plaatsen van enzymen bestaan daarom meestal uit aminozuurresten, of chemisch onvolledige brokken van een bepaald aminozuur, dat een proton of ander atoom kan "ontbreken" en een netto elektrische lading als een resultaat.
Enzymen veranderen van cruciaal belang in de reacties die ze katalyseren - tenminste niet nadat de reactie voorbij is. Maar ze ondergaan wel tijdelijke veranderingen tijdens de reactie zelf, een noodzakelijke functie om de reactie te laten verlopen. Om de lock-and-key-analogie verder te brengen, wanneer een substraat het enzym "vindt" dat nodig is voor een bepaalde reactie en bindt aan het actieve enzym plaats (de "sleutelinsertie"), ondergaat het enzym-substraatcomplex veranderingen ("sleuteldraaien") die resulteren in de afgifte van een nieuw gevormd Product.
Enzymkinetiek
De interactie van het substraat, enzym en product in een bepaalde reactie kan als volgt worden weergegeven:
E + S ES → E + P
Hier, E vertegenwoordigt het enzym, zo is het substraat, en P is het produkt. Je kunt je het proces dus voorstellen als losjes verwant aan een klomp boetseerklei (zo) een volledig gevormde kom worden (P) onder invloed van een menselijke vakman (E). De handen van de vakman kunnen worden gezien als de actieve plaats van het "enzym" dat deze persoon belichaamt. Wanneer de opeengehoopte klei "gebonden" wordt aan de handen van de persoon, vormen ze een tijd lang een "complex", waarin de klei wordt in een andere en vooraf bepaalde vorm gegoten door de actie van de hand waarmee het is verbonden (ES). Wanneer de kom volledig gevormd is en er verder geen werk nodig is, zullen de handen (E) laat de kom los (P), en het proces is voltooid.
Beschouw nu de pijlen in het bovenstaande diagram. Je zult merken dat de stap tussen E + zo en ES heeft pijlen die in beide richtingen bewegen, wat impliceert dat, net zoals enzym en substraat aan elkaar kunnen binden om een enzym-substraatcomplex, dit complex kan in de andere richting dissociëren om het enzym en zijn substraat in hun originele vormen.
De unidirectionele pijl tussen ES en P, aan de andere kant, laat zien dat het product P sluit zich nooit spontaan aan bij het enzym dat verantwoordelijk is voor de aanmaak ervan. Dit is logisch in het licht van de eerder opgemerkte specificiteit van enzymen: als een enzym aan een bepaald substraat bindt, doet het dat ook. niet ook aan het resulterende product binden, anders zou dat enzym dan specifiek zijn voor twee substraten en dus niet specifiek voor alle. Vanuit gezond verstand zou het ook geen zin hebben dat een bepaald enzym een bepaalde reactie gunstiger laat werken in beide routebeschrijving; dit zou zijn als een auto die zowel bergop als bergaf met evenveel gemak rolt.
Tariefconstanten
Zie de algemene reactie in de vorige sectie als de som van drie verschillende concurrerende reacties, namelijk:
1) \; E + S → ES \\ 2) \; ES → E + S \\ 3) \; ES → E + P
Elk van deze individuele reacties heeft zijn eigen snelheidsconstante, een maat voor hoe snel een bepaalde reactie verloopt. Deze constanten zijn specifiek voor bepaalde reacties en zijn experimenteel bepaald en geverifieerd voor een overvloed aan verschillende substraat-plus-enzymen en enzym-substraatcomplex-plus-producten groeperingen. Ze kunnen op verschillende manieren worden geschreven, maar over het algemeen wordt de snelheidsconstante voor reactie 1) hierboven uitgedrukt als: k1, die van 2) als k-1, en die van 3) als k2 (dit wordt soms geschreven) kkat).
De Michaelis-constante en enzymefficiëntie
Zonder in de calculus te duiken die nodig is om enkele van de volgende vergelijkingen af te leiden, kun je waarschijnlijk zien dat de snelheid waarmee het product zich ophoopt, v, is een functie van de snelheidsconstante voor deze reactie, k2, en de concentratie van ES aanwezig, uitgedrukt als [ES]. Hoe hoger de snelheidsconstante en hoe meer substraat-enzymcomplex aanwezig is, hoe sneller het uiteindelijke product van de reactie zich ophoopt. Daarom:
v = k_2[ES]
Bedenk echter dat er nog twee andere reacties zijn dan degene die het product creëert P vinden tegelijkertijd plaats. Een daarvan is de vorming van ES van zijn componenten E en zo, terwijl de andere dezelfde reactie is in omgekeerde volgorde. Door al deze informatie samen te nemen, en te begrijpen dat de snelheid van vorming van ES moet gelijk zijn aan de mate van verdwijning (door twee tegengestelde processen), je hebt
k_1[E][S] = k_2 [ES] + k_{-1}[ES]
Beide termen delen door k1 opbrengsten
[E][S] = {(k_2 + k_{-1}) \boven{1pt} k_1} [ES]
Aangezien alle "k" termen in deze vergelijking zijn constanten, ze kunnen worden gecombineerd tot een enkele constante, KM:
K_M= {(k_2 + k_{-1}) \boven{1pt} k_1}
Hierdoor kan de bovenstaande vergelijking worden geschreven
[E][S] = K_M[ES]
KM staat bekend als de Michaelis-constante. Dit kan worden gezien als een maat voor hoe snel het enzym-substraatcomplex verdwijnt door de combinatie van ongebonden worden en het ontstaan van nieuw product.
Helemaal teruggaand naar de vergelijking voor de snelheid van productvorming, v = k2[ES], substitutie geeft:
v = [E][S] \Bigg( {k_2 \boven{1pt} K_M}\Bigg)
De uitdrukking tussen haakjes, k2/KM, staat bekend als de specificiteitsconstante_, _ ook wel de kinetische efficiëntie genoemd. Na al deze vervelende algebra heb je eindelijk een uitdrukking die de katalytische efficiëntie of enzymefficiëntie van een bepaalde reactie beoordeelt. Je kunt de constante rechtstreeks berekenen uit de concentratie van het enzym, de concentratie van het substraat en de snelheid van productvorming door te herschikken naar:
\Bigg( {k_2 \boven{1pt} K_M}\Bigg)= {v \boven{1pt}[E][S]}