Ako vypočítať katalytickú účinnosť

Enzýmy sú proteíny v biologických systémoch, ktoré pomáhajú urýchliť reakcie, ktoré by inak prebiehali oveľa pomalšie ako bez pomoci enzýmu. Ako také sú akýmsi katalyzátorom. Iné, nebiologické katalyzátory hrajú úlohu v priemysle i inde (napríklad chemické katalyzátory pomáhajú pri spaľovaní benzínu s cieľom zvýšiť možnosti benzínových motorov). Enzýmy sú však jedinečné svojim mechanizmom katalytického pôsobenia. Fungujú tak, že znižujú aktivačnú energiu reakcie bez zmeny energetických stavov reaktantov (vstupy chemickej reakcie) alebo produktov (výstupy). Namiesto toho v skutočnosti vytvárajú plynulejšiu cestu od reaktantov k produktom znižovaním množstva energie, ktorú je potrebné „investovať“, aby sa získala „návratnosť“ vo forme produktov.

Vzhľadom na úlohu enzýmov a skutočnosť, že mnohé z týchto prirodzene sa vyskytujúcich proteínov boli kooptované na humánne terapeutické použitie (jedným príkladom je laktáza, enzým, ktorý pomáha pri trávení mliečneho cukru, ktorý nedokážú produkovať milióny ľudských tiel), niet divu, že biológovia prísť s formálnymi nástrojmi na vyhodnotenie toho, ako dobre fungujú konkrétne enzýmy za daných, známych podmienok - to znamená, že určujú ich katalyzátor efektívnosť.

Dôležitým atribútom enzýmov je ich špecifickosť. Enzýmy, všeobecne povedané, slúžia na katalyzáciu iba jednej zo stoviek biochemických metabolických reakcií, ktoré sa v ľudskom tele odohrávajú neustále. Daný enzým teda možno považovať za zámok a konkrétnu zlúčeninu, na ktorú pôsobí, nazývanú substrát, možno prirovnať ku kľúču. Časť enzýmu, s ktorou interaguje substrát, je známa ako aktívne miesto enzýmu.

Enzýmy, rovnako ako všetky bielkoviny, pozostávajú z dlhých reťazcov aminokyselín, ktorých je v ľudských systémoch asi 20. Aktívne miesta enzýmov preto zvyčajne pozostávajú z aminokyselinových zvyškov alebo z chemicky neúplných častí danej aminokyseliny, ktorej môže „chýbať“ protón alebo iný atóm a prenášať čistý elektrický náboj ako a výsledok.

Enzýmy sa kriticky nemenia v reakciách, ktoré katalyzujú - prinajmenšom nie po ukončení reakcie. Počas samotnej reakcie však prechádzajú dočasnými zmenami, čo je nevyhnutná funkcia umožňujúca pokračovanie reakcie po ruke. Pre ďalšie uskutočnenie zámkovej a kľúčovej analógie, keď substrát „nájde“ enzým požadovaný pre danú reakciu a naviaže sa na aktívny enzým miesto („vloženie kľúča“), komplex enzým-substrát prechádza zmenami („otáčaním kľúča“), ktoré vedú k uvoľneniu novo vytvoreného výrobok.

Interakciu substrátu, enzýmu a produktu v danej reakcii je možné predstaviť nasledovne:

Tu, E predstavuje enzým, S je substrát a P je produkt. Môžete si teda predstaviť postup ako voľne podobný hrudke modelovacej hliny (S) stáva sa úplne formovanou misou (P) pod vplyvom ľudského remeselníka (E). Ruky remeselníka možno považovať za aktívne miesto „enzýmu“, ktorý táto osoba stelesňuje. Keď sa nahromadená hlina „naviaže“ na ruky človeka, vytvorí na určitý čas „komplex“, počas ktorého hlina sa formuje do iného a vopred určeného tvaru pôsobením ruky, s ktorou je spojená (ES). Potom, keď je misa úplne tvarovaná a nie je potrebná žiadna ďalšia práca, ruky (E) uvoľnite misku (P) a proces je dokončený.

Teraz zvážte šípky na vyššie uvedenom diagrame. Všimnete si, že krok medzi E + S a ES má šípky pohybujúce sa v oboch smeroch, z čoho vyplýva, že rovnako ako sa enzým a substrát môžu navzájom viazať a vytvárať komplex enzým-substrát, môže tento komplex disociovať v opačnom smere, aby sa uvoľnil enzým a jeho substrát v nich pôvodné formuláre.

Jednosmerná šípka medzi ES a Pna druhej strane ukazuje, že výrobok P sa nikdy spontánne nespája s enzýmom zodpovedným za jeho tvorbu. To dáva zmysel vo svetle predtým zaznamenanej špecifickosti enzýmov: Ak sa enzým viaže na daný substrát, potom je to tak sa tiež neviaže na výsledný produkt, inak by bol tento enzým špecifický pre dva substráty, a teda nie je špecifický pre všetko. Rovnako z hľadiska zdravého rozumu by nemalo zmysel, aby daný enzým pôsobil tak, že daná reakcia bude priaznivejšie oboje smery; bolo by to ako auto, ktoré sa valí do kopca aj z kopca rovnako ľahko.

Predstavte si všeobecnú reakciu v predchádzajúcej časti ako súhrn troch rôznych konkurenčných reakcií, ktoré sú:

Každá z týchto jednotlivých reakcií má svoju vlastnú rýchlostnú konštantu, ktorá je mierou toho, ako rýchlo daná reakcia prebieha. Tieto konštanty sú špecifické pre konkrétne reakcie a boli experimentálne stanovené overené na množstvo rôznych substrát-plus-enzým a enzým-substrát-komplex-plus-produkt zoskupenia. Dajú sa zapísať rôznymi spôsobmi, ale všeobecne sa rýchlostná konštanta pre reakciu 1) vyššie vyjadruje ako k₁, že z 2) ako k_-1, a to z 3) ako k₂ (toto sa niekedy píše k_kat).

Bez toho, aby ste sa ponorili do kalkulu potrebného na odvodenie niektorých z nasledujúcich rovníc, môžete pravdepodobne vidieť, že rýchlosť, pri ktorej sa produkt hromadí, v, je funkciou rýchlostnej konštanty pre túto reakciu, k₂a koncentrácia ES prítomný, vyjadrený ako [ES]. Čím vyššia je rýchlostná konštanta a čím viac komplexu substrát-enzým je prítomný, tým rýchlejšie sa hromadí konečný produkt reakcie. Preto:

Pripomeňme však, že okrem reakcie, ktorá vedie k vytvoreniu produktu, existujú ďalšie dve reakcie P sa vyskytujú súčasne. Jedným z nich je vznik ES z jeho komponentov E a S, zatiaľ čo druhá je rovnaká opačná reakcia. Ak vezmeme všetky tieto informácie dohromady a pochopíme, že rýchlosť tvorby ES sa musí rovnať miere zmiznutia (dvoma protichodnými procesmi), máte

Delenie obidvoch výrazov k₁ výnosy

Keďže všetky „k„pojmy v tejto rovnici sú konštanty, dajú sa spojiť do jednej konštanty, K_M:

Toto umožňuje zápis vyššie uvedenej rovnice

K_M je známa ako Michaelisova konštanta. To možno považovať za mieru toho, ako rýchlo zmizne komplex enzým-substrát kombináciou odbúravania a tvorby nového produktu.

Vraciame sa úplne späť k rovnici rýchlosti tvorby produktu, v = k₂[ES], substitúcia dáva:

Výraz v zátvorke, k₂/K_M, je známe ako konštanta špecifickosti_, _ nazývaná tiež kinetická účinnosť. Po celej tejto otravnej algebre máte konečne výraz, ktorý hodnotí katalytickú účinnosť alebo enzýmovú účinnosť danej reakcie. Konštantu môžete vypočítať priamo z koncentrácie enzýmu, koncentrácie substrátu a rýchlosti tvorby produktu opätovným usporiadaním: