Hvordan beregne katalytisk effektivitet

Enzymer er proteiner i biologiske systemer som hjelper til med å fremskynde reaksjoner som ellers ville foregått langt saktere enn uten hjelp av enzymet. Som sådan er de en slags katalysator. Andre, ikke-biologiske katalysatorer spiller en rolle i industrien og andre steder (for eksempel hjelper kjemiske katalysatorer med forbrenning av bensin for å forbedre kapasiteten til gassdrevne motorer). Enzymer er imidlertid unike i sin mekanisme for katalytisk virkning. De fungerer ved å senke aktiveringsenergien til en reaksjon uten å endre energitilstandene til reaktantene (inngangene til en kjemisk reaksjon) eller produktene (utgangene). I stedet skaper de faktisk en jevnere vei fra reaktanter til produkter ved å senke mengden energi som må "investeres" for å motta en "retur" i form av produkter.

Gitt rollen til enzymer og det faktum at mange av disse naturlig forekommende proteinene er blitt valgt for human terapeutisk bruk (et eksempel er laktase, enzymet som hjelper til med fordøyelsen av melkesukker som millioner av menneskers kropper ikke produserer), er det ikke overraskende at biologer har komme med formelle verktøy for å vurdere hvor godt spesifikke enzymer gjør jobben sin under gitte, kjente forhold - det vil si bestemme deres katalytiske effektivitet.

En viktig egenskap for enzymer er deres spesifisitet. Enzymer, generelt sett, tjener til å katalysere bare en av hundrevis av biokjemiske metabolske reaksjoner som til enhver tid utfolder seg i menneskekroppen. Dermed kan et gitt enzym betraktes som en lås, og den spesifikke forbindelsen som den virker på, kalt et substrat, kan sammenlignes med en nøkkel. Den delen av enzymet som et substrat samhandler med er kjent som enzymets aktive sted.

Enzymer, som alle proteiner, består av lange strenger av aminosyrer, hvorav det er omtrent 20 i menneskelige systemer. De aktive stedene av enzymer består derfor vanligvis av aminosyrerester, eller kjemisk ufullstendige biter av en gitt aminosyre, som kan "mangle" et proton eller annet atom og har en netto elektrisk ladning som en resultat.

Enzymer, kritisk, endres ikke i reaksjonene de katalyserer - i det minste ikke etter at reaksjonen er over. Men de gjennomgår midlertidige endringer under selve reaksjonen, en nødvendig funksjon for å la reaksjonen for hånden fortsette. For å bære lås-og-nøkkel-analogien videre, når et substrat "finner" det enzymet som kreves for en gitt reaksjon og binder seg til enzymets aktive nettsted ("nøkkelinnsetting"), gjennomgår enzym-substratkomplekset endringer ("nøkkelvending") som resulterer i frigjøring av et nydannet produkt.

Interaksjonen mellom substratet, enzymet og produktet i en gitt reaksjon kan vises som følger:

Her, E representerer enzymet, S er underlaget, og P er produktet. Dermed kan du se for deg prosessen som løst lik en klump med modelleringsleire (Sblir en fullformet bolle (P) under påvirkning av en menneskelig håndverker (E). Håndverkerens hender kan betraktes som det aktive stedet for "enzymet" denne personen legemliggjør. Når klumpen opp leire blir "bundet" til personens hender, danner de et "kompleks" i en periode, i løpet av hvilken leiren er støpt til en annen og forhåndsbestemt form ved handlingen som den er bundet til (ES). Når bollen er helt formet og det ikke er behov for videre arbeid, skal hendene (E) slipp bollen (P), og prosessen er fullført.

Vurder nå pilene i diagrammet ovenfor. Du vil merke at trinnet mellom E + S og ES har piler som beveger seg i begge retninger, noe som betyr at akkurat som enzym og substrat kan binde seg sammen for å danne et enzym-substrat kompleks, kan dette komplekset dissosiere i den andre retningen for å frigjøre enzymet og dets substrat i deres originale former.

Den ensrettet pilen mellom ES og Pviser derimot at produktet P blir aldri spontant med enzymet som er ansvarlig for dets dannelse. Dette er fornuftig i lys av den tidligere nevnte spesifisiteten til enzymer: Hvis et enzym binder seg til et gitt substrat, gjør det ikke også binde til det resulterende produkt, ellers vil enzymet være spesifikt for to substrater og følgelig ikke spesifikt ved alle. Fra sunn fornuft vil det ikke være fornuftig for et gitt enzym å få en gitt reaksjon til å fungere gunstigere i både anvisninger; dette ville være som en bil som ruller med både oppoverbakke og utforbakke med like letthet.

Tenk på den generelle reaksjonen i forrige avsnitt som summen av tre forskjellige konkurrerende reaksjoner, som er:

Hver av disse individuelle reaksjonene har sin egen hastighetskonstant, et mål på hvor raskt en gitt reaksjon fortsetter. Disse konstantene er spesifikke for bestemte reaksjoner og har blitt eksperimentelt bestemt og verifisert for en mengde forskjellige substrat-pluss-enzym og enzym-substrat-kompleks-pluss-produkt grupperinger. De kan skrives på en rekke måter, men generelt blir hastighetskonstanten for reaksjon 1) ovenfor uttrykt som k₁, den av 2) som k_-1og 3) som k₂ (dette er noen ganger skrevet k_katt).

Uten å dykke inn i beregningen som trengs for å utlede noen av ligningene som følger, kan du sannsynligvis se at hastigheten som produktet akkumuleres med, v, er en funksjon av hastighetskonstanten for denne reaksjonen, k₂og konsentrasjonen av ES til stede, uttrykt som [ES]. Jo høyere hastighetskonstant og jo mer substrat-enzymkompleks som er tilstede, desto raskere akkumuleres det endelige produktet av reaksjonen. Derfor:

Husk imidlertid at to andre reaksjoner i tillegg til den som skaper produktet P forekommer samtidig. En av disse er dannelsen av ES fra komponentene E og S, mens den andre er den samme reaksjonen i omvendt retning. Å ta all denne informasjonen sammen, og forstå at dannelsesgraden av ES må være lik forsvindingsgraden (av to motstridende prosesser), har du

Dele begge begrepene etter k₁ gir

Siden alle "k"termer i denne ligningen er konstanter, de kan kombineres til en enkelt konstant, K_M:

Dette gjør at ligningen ovenfor kan skrives

K_M er kjent som Michaelis-konstanten. Dette kan betraktes som et mål på hvor raskt enzym-substratkomplekset forsvinner via kombinasjonen av å bli ubundet og et nytt produkt blir dannet.

Går helt tilbake til ligningen for hastighet på produktdannelse, v = k₂[ES], erstatning gir:

Uttrykket i parentes, k₂/K_M, er kjent som spesifisitetskonstanten _, også kalt kinetisk effektivitet. Etter all denne irriterende algebraen, har du endelig et uttrykk som vurderer den katalytiske effektiviteten, eller enzymeffektiviteten, til en gitt reaksjon. Du kan beregne konstanten direkte fra konsentrasjonen av enzymet, konsentrasjonen av substrat og hastigheten av produktdannelsen ved å omorganisere til: