Enzymy to białka w układach biologicznych, które pomagają przyspieszyć reakcje, które w innym przypadku zachodziłyby znacznie wolniej niż bez pomocy enzymu. Jako takie są rodzajem katalizatora. Inne, niebiologiczne katalizatory odgrywają rolę w przemyśle i nie tylko (na przykład katalizatory chemiczne wspomagają spalanie benzyny w celu zwiększenia możliwości silników zasilanych gazem). Enzymy mają jednak unikalny mechanizm działania katalitycznego. Działają poprzez obniżenie energii aktywacji reakcji bez zmiany stanów energetycznych reagentów (wejścia reakcji chemicznej) lub produktów (wyjścia). Zamiast tego w efekcie tworzą gładszą ścieżkę od substratów do produktów, zmniejszając ilość energii, którą należy „zainwestować”, aby uzyskać „zwrot” w postaci produktów.
Biorąc pod uwagę rolę enzymów oraz fakt, że wiele z tych naturalnie występujących białek zostało dokooptowanych do użytku terapeutycznego u ludzi (przykładem może być laktaza, enzym, który pomaga w trawieniu cukru mlecznego, którego miliony organizmów nie wytwarzają), nic dziwnego, że biolodzy wymyślić formalne narzędzia do oceny, jak dobrze określone enzymy wykonują swoją pracę w danych, znanych warunkach – czyli określić ich katalityczną wydajność.
Podstawy enzymów
Ważną cechą enzymów jest ich specyficzność. Ogólnie rzecz biorąc, enzymy katalizują tylko jedną z setek biochemicznych reakcji metabolicznych, które zachodzą w ludzkim ciele przez cały czas. Tak więc dany enzym może być uważany za zamek, a specyficzny związek, na który działa, zwany substratem, można porównać do klucza. Część enzymu, z którą oddziałuje substrat, jest znana jako miejsce aktywne enzymu.
Enzymy, podobnie jak wszystkie białka, składają się z długich ciągów aminokwasów, których w ludzkich układach jest około 20. Miejsca aktywne enzymów składają się zatem zwykle z reszt aminokwasowych lub chemicznie niekompletnych kawałków danego aminokwasu, który może „brakować” protonu lub innego atomu i nieść ładunek elektryczny netto jako wynik.
Co krytyczne, enzymy nie ulegają zmianie w katalizowanych przez nie reakcjach – przynajmniej nie po zakończeniu reakcji. Ale ulegają one chwilowym zmianom podczas samej reakcji, co jest niezbędną funkcją umożliwiającą przebieg obecnej reakcji. Aby kontynuować analogię „zamka i klucza”, gdy substrat „znajdzie” enzym wymagany do danej reakcji i wiąże się z aktywnym enzymem miejscu („wstawienie klucza”), kompleks enzym-substrat ulega zmianom („przekręcenie klucza”), które skutkują uwolnieniem nowo utworzonego produkt.
Kinetyka enzymatyczna
Oddziaływanie substratu, enzymu i produktu w danej reakcji można przedstawić w następujący sposób:
E + S ⇌ ES → E + P
Tutaj, mi reprezentuje enzym, S jest podłożem i P jest produktem. Można więc wyobrazić sobie ten proces jako luźno podobny do bryły plasteliny (S) stając się w pełni uformowaną miską (P) pod wpływem ludzkiego rzemieślnika (mi). Ręce rzemieślnika można uznać za aktywne miejsce „enzymu”, który ta osoba ucieleśnia. Kiedy zbrylona glina „przywiązuje się” do rąk osoby, tworzy na pewien czas „kompleks”, podczas którego glina jest formowana w inny i z góry określony kształt poprzez działanie ręki, z którą jest połączona (ES). Następnie, gdy miska jest już w pełni ukształtowana i nie jest wymagana dalsza praca, ręce (mi) zwolnić miskę (P) i proces jest zakończony.
Teraz rozważ strzałki na powyższym schemacie. Zauważysz, że krok między mi + S i ES ma strzałki poruszające się w obu kierunkach, co oznacza, że podobnie jak enzym i substrat mogą się łączyć, tworząc kompleks enzym-substrat, kompleks ten może dysocjować w przeciwnym kierunku, aby uwolnić enzym i jego substrat w swoim oryginalne formy.
Strzałka jednokierunkowa między ES i Pz drugiej strony pokazuje, że produkt P nigdy nie łączy się samoistnie z enzymem odpowiedzialnym za jego powstanie. Ma to sens w świetle wcześniej odnotowanej specyfiki enzymów: jeśli enzym wiąże się z danym substratem, to nie nie wiązać się również z powstałym produktem, w przeciwnym razie enzym byłby wtedy specyficzny dla dwóch substratów, a zatem nie specyficzny w wszystko. Ponadto, ze zdroworozsądkowego punktu widzenia, nie miałoby sensu, aby dany enzym powodował, że dana reakcja działała korzystniej w obie kierunki; byłoby to jak samochód, który z równą łatwością toczy się zarówno pod górę, jak i z góry.
Stałe szybkości
Pomyśl o ogólnej reakcji w poprzedniej sekcji jako sumie trzech różnych konkurencyjnych reakcji, którymi są:
1) \; E + S → ES \\ 2) \; ES → E + S \\ 3) \; ES → E + P
Każda z tych indywidualnych reakcji ma swoją własną stałą szybkości, będącą miarą tego, jak szybko dana reakcja przebiega. Stałe te są specyficzne dla poszczególnych reakcji i zostały określone eksperymentalnie i zweryfikowane pod kątem mnogości różnych kompleksów substrat-plus-enzym i enzym-substrat-plus-produkt ugrupowania. Można je zapisać na różne sposoby, ale ogólnie stała szybkości reakcji 1) powyżej jest wyrażona jako k1, że z 2) jako k-1, i że z 3) as k2 (czasami jest to napisane kkot).
Stała Michaelisa i wydajność enzymatyczna
Bez zagłębiania się w rachunek różniczkowy potrzebny do wyprowadzenia niektórych z poniższych równań, prawdopodobnie można zauważyć, że prędkość, z jaką produkt się akumuluje, v, jest funkcją stałej szybkości tej reakcji, k2, a koncentracja ES obecny, wyrażony jako [ES]. Im wyższa stała szybkości i im więcej kompleksu substrat-enzym, tym szybciej akumuluje się końcowy produkt reakcji. W związku z tym:
v = k_2[ES]
Pamiętaj jednak, że oprócz tej, która tworzy produkt, dwie inne reakcje P występują w tym samym czasie. Jednym z nich jest tworzenie ES z jego składników mi i S, podczas gdy druga jest tą samą reakcją w odwrotnej kolejności. Biorąc wszystkie te informacje razem i rozumiejąc, że tempo powstawania ES musi równać się szybkości zanikania (przez dwa przeciwstawne procesy), masz
k_1[E][S] = k_2 [ES] + k_{-1}[ES]
Dzieląc oba terminy przez k1 plony
[E][S] = {(k_2 + k_{-1}) \above{1pt} k_1} [ES]
Ponieważ wszystkie „k" terminy w tym równaniu są stałymi, można je połączyć w jedną stałą, KM:
K_M= {(k_2 + k_{-1}) \above{1pt} k_1}
Pozwala to na zapisanie powyższego równania
[E][S] = K_M[ES]
KM jest znany jako stała Michaelisa. Można to traktować jako miarę szybkości zanikania kompleksu enzym-substrat w wyniku połączenia niezwiązania i tworzenia się nowego produktu.
Wracając do równania prędkości tworzenia produktu, v = k2[ES], podstawienie daje:
v = [E][S] \Bigg( {k_2 \above{1pt} K_M}\Bigg)
Wyrażenie w nawiasach, k2/KM, jest znana jako stała specyficzności_, zwana również wydajnością kinetyczną. Po całej tej nieznośnej algebrze, w końcu masz wyrażenie, które ocenia wydajność katalityczną lub wydajność enzymatyczną danej reakcji. Stałą można obliczyć bezpośrednio ze stężenia enzymu, stężenia substratu i szybkości tworzenia się produktu, przestawiając na:
\Bigg( {k_2 \above{1pt} K_M}\Bigg)= {v \above{1pt}[E][S]}