Как рассчитать каталитическую эффективность

Ферменты - это белки в биологических системах, которые помогают ускорить реакции, которые в противном случае протекали бы гораздо медленнее, чем без помощи фермента. По сути, они являются своего рода катализатором. Другие, небиологические катализаторы, играют роль в промышленности и в других местах (например, химические катализаторы способствуют сгоранию бензина, повышая возможности газовых двигателей). Однако ферменты уникальны по механизму каталитического действия. Они работают за счет снижения энергии активации реакции без изменения энергетических состояний реагентов (входы химической реакции) или продуктов (выходы). Вместо этого они фактически создают более плавный путь от реагентов к продуктам, снижая количество энергии, которое необходимо «инвестировать», чтобы получить «отдачу» в виде продуктов.

Учитывая роль ферментов и тот факт, что многие из этих природных белков были адаптированы для терапевтического использования человеком (одним из примеров является лактаза, фермент, который помогает переваривать молочный сахар, который организм миллионов людей не может производить), поэтому неудивительно, что биологи придумать формальные инструменты для оценки того, насколько хорошо определенные ферменты выполняют свою работу в заданных, известных условиях, то есть определить их каталитические свойства. эффективность.

Важным атрибутом ферментов является их специфичность. Ферменты, вообще говоря, служат катализатором только одной из сотен биохимических метаболических реакций, которые постоянно происходят в организме человека. Таким образом, данный фермент можно рассматривать как замок, а конкретное соединение, на которое он действует, называемое субстратом, можно уподобить ключу. Часть фермента, с которой взаимодействует субстрат, называется активным центром фермента.

Ферменты, как и все белки, состоят из длинных цепочек аминокислот, которых в организме человека около 20. Поэтому активные центры ферментов обычно состоят из аминокислотных остатков или химически неполных фрагментов. данной аминокислоты, которая может «не иметь» протона или другого атома и нести чистый электрический заряд в виде результат.

Крайне важно, что ферменты не изменяются в реакциях, которые они катализируют - по крайней мере, после того, как реакция закончилась. Но они претерпевают временные изменения во время самой реакции, а это необходимая функция, позволяющая протекать текущей реакции. Чтобы продолжить аналогию с замком и ключом, когда субстрат «находит» фермент, необходимый для данной реакции, и связывается с активным ферментом. сайта («вставка ключа»), комплекс фермент-субстрат претерпевает изменения («поворот ключа»), которые приводят к высвобождению вновь образованного продукт.

Взаимодействие субстрата, фермента и продукта в данной реакции можно представить следующим образом:

Здесь, E представляет собой фермент, S это субстрат, а п это продукт. Таким образом, вы можете представить себе процесс как нечто похожее на кусок глины для лепки (S) превращаясь в полностью сформированную чашу (п) под воздействием человека-мастера (E). Руки мастера можно рассматривать как активный центр «фермента», который воплощает этот человек. Когда комок глины «привязывается» к рукам человека, они на какое-то время образуют «комплекс», в течение которого глине придается другая и заданная форма под действием руки, к которой она присоединена (ES). Затем, когда чаша полностью сформирована и больше не нужно работать, руки (E) освободите чашу (п), и процесс завершен.

Теперь рассмотрим стрелки на приведенной выше диаграмме. Вы заметите, что шаг между E + S а также ES имеет стрелки, движущиеся в обоих направлениях, что означает, что так же, как фермент и субстрат могут связываться вместе, комплекс фермент-субстрат, этот комплекс может диссоциировать в другом направлении, высвобождая фермент и его субстрат в их оригинальные формы.

Однонаправленная стрелка между ES а также п, с другой стороны, показывает, что продукт п никогда самопроизвольно не соединяется с ферментом, ответственным за его создание. Это имеет смысл в свете ранее отмеченной специфичности ферментов: если фермент связывается с данным субстратом, то он это делает. также не связываются с полученным продуктом, иначе этот фермент будет специфичен для двух субстратов и, следовательно, не специфичен для все. Кроме того, с точки зрения здравого смысла, для данного фермента не имело бы смысла заставлять данную реакцию работать более благоприятно в оба направления; это было бы похоже на машину, которая одинаково легко катится как в гору, так и по спуску.

Думайте об общей реакции из предыдущего раздела как о сумме трех различных конкурирующих реакций, а именно:

У каждой из этих индивидуальных реакций есть своя собственная константа скорости, мера того, насколько быстро протекает данная реакция. Эти константы относятся к конкретным реакциям и были определены экспериментально. проверено на наличие множества различных субстрат-плюс-фермент и фермент-субстратный комплекс-плюс-продукт группировки. Их можно записать по-разному, но обычно константа скорости для реакции 1) выше выражается как k₁, что из 2) как k_-1, а 3) как k₂ (это иногда пишут k_Кот).

Не углубляясь в вычисления, необходимые для вывода некоторых из следующих уравнений, вы, вероятно, увидите, что скорость, с которой накапливается продукт, v, является функцией константы скорости этой реакции, k₂, а концентрация ES присутствует, выражается как [ES]. Чем выше константа скорости и чем больше присутствует комплекса субстрат-фермент, тем быстрее накапливается конечный продукт реакции. Следовательно:

Однако помните, что две другие реакции, помимо той, которая создает продукт п происходят одновременно. Одно из них - формирование ES из его компонентов E а также S, а другой - та же реакция в обратном порядке. Взяв всю эту информацию вместе и понимая, что скорость образования ES должна равняться скорости его исчезновения (двумя противоположными процессами), у вас есть

Разделив оба термина на k₁ дает

Поскольку все "k"члены в этом уравнении являются константами, их можно объединить в одну константу, K_M:

Это позволяет записать приведенное выше уравнение

K_M известна как константа Михаэлиса. Это можно рассматривать как меру того, насколько быстро комплекс фермент-субстрат исчезает за счет комбинации освобождения от связывания и образования нового продукта.

Возвращаясь к уравнению скорости образования продукта, v = k₂[ES], замена дает:

Выражение в скобках, k₂/K_M, известна как константа специфичности _, также называемая кинетической эффективностью. После всей этой надоедливой алгебры у вас наконец есть выражение, которое оценивает каталитическую эффективность или эффективность фермента данной реакции. Вы можете рассчитать константу непосредственно из концентрации фермента, концентрации субстрата и скорости образования продукта, перенастроив на: