Kako izračunati katalitično učinkovitost

Encimi so beljakovine v bioloških sistemih, ki pomagajo pospešiti reakcije, ki bi sicer potekale veliko počasneje kot brez pomoči encima. Kot taki so nekakšen katalizator. Drugi, nebiološki katalizatorji igrajo vlogo v industriji in drugod (na primer kemični katalizatorji pomagajo pri zgorevanju bencina za povečanje zmogljivosti motorjev na plinski pogon). Encimi pa so edinstveni po svojem mehanizmu katalitičnega delovanja. Delujejo tako, da znižujejo aktivacijsko energijo reakcije, ne da bi spremenili energijska stanja reaktantov (vložki kemične reakcije) ali produktov (izhodi). Namesto tega ustvarijo bolj gladko pot od reaktantov do izdelkov, tako da zmanjšajo količino energije, ki jo je treba "vložiti", da dobijo "donos" v obliki izdelkov.

Glede na vlogo encimov in dejstvo, da je bilo veliko teh naravnih beljakovin izbranih za človeško terapevtsko uporabo (en primer je laktaza, encim, ki pomaga pri prebavi mlečnega sladkorja, ki ga milijoni ljudi ne proizvajajo), ni presenetljivo, da najti formalna orodja za oceno, kako dobro določeni encimi opravljajo svoje delo v danih znanih pogojih - to je, da določijo svojo katalitičnost učinkovitost.

Pomembna lastnost encimov je njihova specifičnost. Encimi na splošno služijo za katalizacijo le ene od stotine biokemičnih presnovnih reakcij, ki se ves čas odvijajo v človeškem telesu. Tako lahko dani encim razumemo kot ključavnico in določeno spojino, na katero deluje, imenovano substrat, lahko primerjamo s ključem. Del encima, s katerim deluje substrat, je znan kot aktivno mesto encima.

Encimi so tako kot vsi proteini sestavljeni iz dolgih nizov aminokislin, ki jih je v človeških sistemih približno 20. Aktivna mesta encimov so zato običajno sestavljena iz aminokislinskih ostankov ali kemično nepopolnih kosov dane aminokisline, ki ji lahko "manjka" proton ali drug atom in ima neto električni naboj kot rezultat.

Encimi se v reakcijah, ki jih katalizirajo, kritično ne spremenijo - vsaj ne po koncu reakcije. Toda med samo reakcijo se začasno spremenijo, kar je potrebna funkcija, da se omogoči nadaljevanje reakcije. Za nadaljnjo analogijo ključavnice, ko substrat "najde" encim, potreben za določeno reakcijo, in se veže na aktivni encim mestu ("vstavitev ključa"), se encimsko-substratni kompleks podvrže spremembam ("obračanje ključa"), ki povzročijo sproščanje na novo izdelka.

Interakcijo substrata, encima in produkta v dani reakciji lahko predstavimo na naslednji način:

Tukaj, E predstavlja encim, S je substrat in P je izdelek. Tako si lahko postopek predstavljate kot ohlapno podoben kepi gline za modeliranje (S) postane popolnoma oblikovana skleda (P) pod vplivom človeškega obrtnika (E). Obrtnikove roke lahko štejemo za aktivno mesto "encima", ki ga ta oseba vključuje. Ko se grudnata glina človeku "veže" na roke, nekaj časa tvorijo "kompleks" glina je oblikovana v drugačno in vnaprej določeno obliko z delovanjem roke, ki ji je pridružena (ES). Potem, ko je skleda popolnoma oblikovana in nadaljnje delo ni potrebno, roke (E) spustite posodo (P) in postopek je končan.

Zdaj upoštevajte puščice na zgornjem diagramu. Opazili boste, da je korak med E + S in ES ima puščice, ki se premikajo v obe smeri, kar pomeni, da se lahko tako kot encim in substrat vežejo skupaj in tvorijo encimsko-substratni kompleks, se lahko ta kompleks loči v drugo smer, da sprosti encim in njegov substrat izvirne oblike.

Enosmerna puščica med ES in P, po drugi strani pa kaže, da izdelek P nikoli se spontano ne pridruži encimu, ki je odgovoren za njegovo tvorbo. To je smiselno glede na prej omenjeno specifičnost encimov: Če se encim veže na dani substrat, potem to stori ne vežejo se tudi na nastali produkt, sicer pa bi bil encim potem značilen za dva substrata in zato ne vse. Z vidika zdrave pameti tudi ne bi bilo smiselno, da bi en encim ugodneje deloval dano reakcijo v oboje navodila; to bi bilo kot avtomobil, ki se z enako lahkoto vozi tako navzgor kot navzdol.

Splošni odziv v prejšnjem poglavju si predstavljajte kot vsoto treh različnih konkurenčnih reakcij, ki so:

Vsaka od teh posameznih reakcij ima svojo konstanto hitrosti, ki meri, kako hitro se določena reakcija nadaljuje. Te konstante so specifične za določene reakcije in so bile eksperimentalno določene in preverjeno za obilico različnih substrat-plus-encim in encim-substrat kompleks-plus-izdelek združevanja. Zapišemo jih lahko na različne načine, vendar je na splošno konstanta hitrosti za zgornjo reakcijo 1) izražena kot k₁, da 2) kot k_-1, in to od 3) kot k₂ (to je včasih zapisano k_mačka).

Brez poglabljanja v račun, potreben za izpeljavo nekaterih enačb, ki sledijo, verjetno lahko vidite, da se hitrost, s katero se kopiči produkt, v, je funkcija konstante hitrosti za to reakcijo, k₂in koncentracija ES prisotna, izražena kot [ES]. Višja kot je konstanta hitrosti in več kot je substrat-encimski kompleks, hitreje se kopiči končni produkt reakcije. Zato:

Vendar se spomnimo, da poleg reakcije, ki ustvarja izdelek, obstajata še dve reakciji P se pojavljajo hkrati. Eno od teh je oblikovanje ES njegovih komponent E in S, medtem ko je druga ista reakcija v obratni smeri. Če vzamemo vse te informacije skupaj in razumemo, da je hitrost oblikovanja ES mora biti enaka stopnji izginotja (po dveh nasprotnih procesih)

Razdelitev obeh izrazov na k₁ donosi

Ker so vsik"izrazi v tej enačbi so konstante, ki jih lahko združimo v eno konstanto, K_M:

To omogoča zapis enačbe zgoraj

K_M je znana kot Michaelisova konstanta. To lahko štejemo za merilo, kako hitro kompleks encim-substrat izgine s kombinacijo nevezanega in nastajanja novega produkta.

Če se vrnemo do enačbe za hitrost tvorbe izdelka, v = k₂[ES], zamenjava daje:

Izraz v oklepajih, k₂/K_Mje znana kot konstanta specifičnosti_, _ imenovana tudi kinetična učinkovitost. Po vsej tej nadležni algebri imate končno izraz, ki ocenjuje katalitično učinkovitost ali učinkovitost encimov dane reakcije. Konstanto lahko izračunate neposredno iz koncentracije encima, koncentracije substrata in hitrosti tvorbe produkta, tako da prerazporedite na: