Cum se calculează eficiența catalitică

Enzimele sunt proteine ​​din sistemele biologice care ajută la accelerarea reacțiilor care altfel ar avea loc mult mai lent decât fără ajutorul enzimei. Ca atare, sunt un fel de catalizator. Alți catalizatori non-biologici joacă un rol în industrie și în alte părți (de exemplu, catalizatorii chimici ajută la arderea benzinei pentru a spori capacitățile motoarelor cu gaz). Cu toate acestea, enzimele sunt unice prin mecanismul lor de acțiune catalitică. Acestea funcționează prin scăderea energiei de activare a unei reacții fără a schimba stările de energie ale reactanților (intrările unei reacții chimice) sau ale produselor (ieșirile). În schimb, ele creează efectiv o cale mai lină de la reactanți la produse prin scăderea cantității de energie care trebuie „investită” pentru a primi o „rentabilitate” sub formă de produse.

Având în vedere rolul enzimelor și faptul că multe dintre aceste proteine ​​naturale au fost cooptate pentru utilizarea terapeutică umană (un exemplu fiind lactază, enzima care ajută la digestia zahărului din lapte pe care milioane de oameni nu reușesc să o producă), nu este surprinzător faptul că biologii au veniți cu instrumente formale pentru a evalua cât de bine își îndeplinesc enzimele specifice în anumite condiții cunoscute - adică, să le determine catalizatorul eficienţă.

Un atribut important al enzimelor este specificitatea acestora. Enzimele, în general vorbind, servesc pentru a cataliza doar una dintre sutele de reacții metabolice biochimice care se desfășoară în permanență în corpul uman. Astfel, o anumită enzimă poate fi considerată ca o blocare, iar compusul specific asupra căruia acționează, numit substrat, poate fi asemănat cu o cheie. Partea enzimei cu care interacționează un substrat este cunoscută ca situl activ al enzimei.

Enzimele, ca toate proteinele, constau din șiruri lungi de aminoacizi, dintre care există aproximativ 20 în sistemele umane. Prin urmare, siturile active ale enzimelor constau în resturi de aminoacizi sau bucăți incomplete din punct de vedere chimic a unui anumit aminoacid, care poate „lipsi” de un proton sau alt atom și care poartă o sarcină electrică netă ca rezultat.

În mod critic, enzimele nu sunt schimbate în reacțiile pe care le catalizează - cel puțin nu după ce reacția sa încheiat. Dar ele suferă modificări temporare în timpul reacției în sine, o funcție necesară pentru a permite reacției la îndemână să continue. Pentru a duce mai departe analogia de blocare, atunci când un substrat „găsește” enzima necesară pentru o anumită reacție și se leagă de enzima activă („inserarea cheii”), complexul enzimă-substrat suferă modificări („rotire cheie”) care au ca rezultat eliberarea unui nou format produs.

Interacțiunea substratului, enzimei și produsului într-o reacție dată poate fi reprezentată după cum urmează:

Aici, E reprezintă enzima, S este substratul și P este produsul. Astfel, puteți imagina procesul ca fiind asemănător cu o bucată de lut de modelat (S) devenind un castron complet format (P) sub influența unui meșteșugar uman (E). Mâinile meșteșugarului pot fi considerate drept locul activ al „enzimei” pe care o întruchipează această persoană. Când lutul în picioare devine „legat” de mâinile persoanei, acestea formează un „complex” pentru un timp, timp în care argila este modelată într-o formă diferită și predeterminată prin acțiunea mâinii la care este alăturată (ES). Apoi, când bolul este complet format și nu mai este nevoie de lucrări suplimentare, mâinile (E) eliberați vasul (P), iar procesul este complet.

Acum ia în considerare săgețile din diagrama de mai sus. Veți observa că pasul dintre E + S și ES are săgeți care se deplasează în ambele direcții, ceea ce înseamnă că, la fel cum enzima și substratul se pot lega împreună pentru a forma un complex enzimă-substrat, acest complex se poate disocia în cealaltă direcție pentru a elibera enzima și substratul acesteia în forme originale.

Săgeata unidirecțională dintre ES și Ppe de altă parte, arată că produsul P nu se alătură niciodată spontan cu enzima responsabilă de crearea sa. Acest lucru are sens în lumina specificității notate anterior a enzimelor: dacă o enzimă se leagă de un substrat dat, atunci nu se leagă de asemenea de produsul rezultat sau altfel acea enzimă ar fi atunci specifică pentru două substraturi și deci nu specifică la toate. De asemenea, din punct de vedere al bunului simț, nu ar avea sens ca o anumită enzimă să facă o reacție dată să funcționeze mai favorabil în ambii directii; acest lucru ar fi ca o mașină care rulează atât la urcare cât și la coborâre cu aceeași ușurință.

Gândiți-vă la reacția generală din secțiunea anterioară ca la suma a trei reacții concurente diferite, care sunt:

Fiecare dintre aceste reacții individuale are propria constantă de viteză, o măsură a cât de repede se desfășoară o reacție dată. Aceste constante sunt specifice unor reacții particulare și au fost determinate experimental și verificat pentru o multitudine de diferite substrat-plus-enzimă și enzimă-substrat complex-plus-produs grupări. Ele pot fi scrise într-o varietate de moduri, dar, în general, constanta vitezei pentru reacția 1) de mai sus este exprimată ca k₁, cea a 2) ca k_-1, și cea a 3) ca k₂ (aceasta este uneori scris k_pisică).

Fără a vă scufunda în calculul necesar pentru a obține unele dintre ecuațiile care urmează, puteți vedea probabil că viteza la care se acumulează produsul, v, este o funcție a constantei de viteză pentru această reacție, k₂, și concentrația de ES prezent, exprimat ca [ES]. Cu cât constanta de viteză este mai mare și complexul substrat-enzimă este mai mare, cu atât se acumulează mai rapid produsul final al reacției. Prin urmare:

Totuși, amintiți-vă că alte două reacții în afară de cea care creează produsul P au loc în același timp. Una dintre acestea este formarea ES din componentele sale E și S, în timp ce cealaltă este aceeași reacție în sens invers. Luând toate aceste informații împreună și înțelegând că rata de formare a ES trebuie să egaleze rata sa de dispariție (prin două procese opuse), aveți

Împărțirea ambilor termeni la k₁ randamente

Din moment ce toatek„termenii din această ecuație sunt constante, pot fi combinați într-o singură constantă, K_M:

Aceasta permite ca ecuația de mai sus să fie scrisă

K_M este cunoscută sub numele de constanta Michaelis. Aceasta poate fi privită ca o măsură a vitezei cu care dispare complexul enzimă-substrat prin combinația de a deveni nelegat și de a se forma un nou produs.

Mergând până la ecuația vitezei de formare a produsului, v = k₂[ES], substituția dă:

Expresia dintre paranteze, k₂/K_M, este cunoscută sub numele de constantă de specificitate_, _ numită și eficiența cinetică. După toată această algebră plictisitoare, aveți în sfârșit o expresie care evaluează eficiența catalitică sau eficiența enzimatică a unei reacții date. Puteți calcula constanta direct din concentrația enzimei, concentrația substratului și viteza de formare a produsului, aranjând din nou la: