Como calcular a eficiência catalítica

As enzimas são proteínas em sistemas biológicos que ajudam a acelerar as reações que, de outra forma, aconteceriam muito mais lentamente do que sem o auxílio da enzima. Como tal, são uma espécie de catalisador. Outros catalisadores não biológicos desempenham um papel na indústria e em outros lugares (por exemplo, os catalisadores químicos ajudam na combustão da gasolina para aumentar as capacidades dos motores movidos a gás). As enzimas, entretanto, são únicas em seu mecanismo de ação catalítica. Eles funcionam diminuindo a energia de ativação de uma reação sem alterar os estados de energia dos reagentes (as entradas de uma reação química) ou dos produtos (as saídas). Em vez disso, eles criam um caminho mais suave dos reagentes aos produtos, reduzindo a quantidade de energia que precisa ser "investida" para receber um "retorno" na forma de produtos.

Dado o papel das enzimas e o fato de que muitas dessas proteínas naturais foram cooptadas para uso terapêutico humano (sendo um exemplo lactase, a enzima que ajuda na digestão do açúcar do leite que o corpo de milhões de pessoas não consegue produzir), não é surpreendente que os biólogos tenham apresentar ferramentas formais para avaliar o quão bem enzimas específicas realizam seu trabalho sob determinadas condições conhecidas - isto é, determinar seu catalisador eficiência.

Um atributo importante das enzimas é sua especificidade. As enzimas, em geral, servem para catalisar apenas uma das centenas de reações bioquímicas metabólicas que ocorrem o tempo todo no corpo humano. Assim, uma determinada enzima pode ser considerada uma fechadura, e o composto específico sobre o qual atua, denominado substrato, pode ser comparado a uma chave. A parte da enzima com a qual um substrato interage é conhecida como o sítio ativo da enzima.

As enzimas, como todas as proteínas, consistem em longas cadeias de aminoácidos, dos quais existem cerca de 20 nos sistemas humanos. Os sítios ativos das enzimas, portanto, geralmente consistem em resíduos de aminoácidos, ou pedaços quimicamente incompletos de um determinado aminoácido, que pode estar "faltando" um próton ou outro átomo e carregar uma carga elétrica líquida como um resultado.

As enzimas, criticamente, não são alteradas nas reações que catalisam - pelo menos não após o término da reação. Mas eles passam por mudanças temporárias durante a própria reação, uma função necessária para permitir que a reação em questão prossiga. Para levar a analogia chave e fechadura, quando um substrato "encontra" a enzima necessária para uma determinada reação e se liga ao ativo da enzima local (a "inserção da chave"), o complexo enzima-substrato sofre mudanças ("rotação da chave") que resultam na liberação de um novo produtos.

A interação do substrato, enzima e produto em uma determinada reação pode ser representada da seguinte forma:

Aqui, E representa a enzima, S é o substrato, e P é o produto. Assim, você pode imaginar o processo como vagamente semelhante a um pedaço de argila de modelagem (S) tornando-se uma tigela totalmente formada (P) sob a influência de um artesão humano (E). As mãos do artesão podem ser consideradas o local ativo da "enzima" que essa pessoa incorpora. Quando a argila aglomerada fica "ligada" às mãos da pessoa, elas formam um "complexo" por um tempo, durante o qual a argila é moldada em uma forma diferente e predeterminada pela ação da mão à qual é unida (ES). Então, quando a tigela estiver totalmente moldada e nenhum outro trabalho for necessário, as mãos (E) solte a tigela (P), e o processo está concluído.

Agora considere as setas no diagrama acima. Você notará que a etapa entre E + S e ES tem setas se movendo em ambas as direções, o que implica que, assim como a enzima e o substrato podem se ligar para formar um complexo enzima-substrato, este complexo pode se dissociar na outra direção para liberar a enzima e seu substrato em seu formulários originais.

A seta unidirecional entre ES e P, por outro lado, mostra que o produto P nunca se junta espontaneamente à enzima responsável por sua criação. Isso faz sentido à luz da especificidade das enzimas observada anteriormente: se uma enzima se liga a um determinado substrato, ela o faz também não se ligam ao produto resultante ou então essa enzima seria específica para dois substratos e, portanto, não específica em tudo. Além disso, do ponto de vista do senso comum, não faria sentido para uma determinada enzima fazer uma determinada reação funcionar mais favoravelmente em Ambas instruções; seria como um carro que rola em aclive e declive com igual facilidade.

Pense na reação geral da seção anterior como a soma de três reações concorrentes diferentes, que são:

Cada uma dessas reações individuais tem sua própria constante de velocidade, uma medida da rapidez com que uma determinada reação ocorre. Essas constantes são específicas para reações particulares e foram determinadas experimentalmente e verificado para uma infinidade de diferentes substrato mais enzima e complexo enzima-substrato mais produto agrupamentos. Eles podem ser escritos de várias maneiras, mas geralmente, a constante de taxa para a reação 1) acima é expressa como k₁, o de 2) como k_-1, e o de 3) como k₂ (isso às vezes é escrito k_gato).

Sem mergulhar no cálculo necessário para derivar algumas das equações a seguir, você provavelmente pode ver que a velocidade na qual o produto se acumula, v, é uma função da constante de taxa para esta reação, k₂, e a concentração de ES presente, expresso como [ES]. Quanto mais alta a constante de velocidade e mais complexo substrato-enzima presente, mais rapidamente o produto final da reação se acumula. Portanto:

No entanto, lembre-se de que duas outras reações além da que cria o produto P estão ocorrendo ao mesmo tempo. Um deles é a formação de ES de seus componentes E e S, enquanto o outro é a mesma reação ao contrário. Juntando todas essas informações e entendendo que a taxa de formação de ES deve ser igual à sua taxa de desaparecimento (por dois processos opostos), você tem

Dividindo os dois termos por k₁ rendimentos

Uma vez que todos os "k"termos nesta equação são constantes, eles podem ser combinados em uma única constante, K_M:

Isso permite que a equação acima seja escrita

K_M é conhecido como a constante de Michaelis. Isso pode ser considerado como uma medida de quão rápido o complexo enzima-substrato desaparece através da combinação de se tornar não ligado e o novo produto sendo formado.

Voltando à equação da velocidade de formação do produto, v = k₂[ES], a substituição dá:

A expressão entre parênteses, k₂/K_M, é conhecida como a constante de especificidade, _ também chamada de eficiência cinética. Depois de toda essa álgebra incômoda, você finalmente tem uma expressão que avalia a eficiência catalítica, ou eficiência enzimática, de uma determinada reação. Você pode calcular a constante diretamente da concentração de enzima, a concentração de substrato e a velocidade de formação do produto reorganizando para: