Hur man beräknar katalytisk effektivitet

Enzymer är proteiner i biologiska system som hjälper till att påskynda reaktioner som annars skulle ske långsammare än utan hjälp av enzymet. Som sådan är de en slags katalysator. Andra, icke-biologiska katalysatorer spelar en roll inom industrin och på andra håll (t.ex. kemiska katalysatorer hjälper till vid förbränning av bensin för att förbättra kapaciteten hos gasdrivna motorer). Enzymer är emellertid unika i sin mekanism för katalytisk verkan. De arbetar genom att sänka aktiveringsenergin för en reaktion utan att ändra energitillstånden för reaktanterna (ingångarna till en kemisk reaktion) eller produkterna (utgångarna). Istället skapar de i själva verket en smidigare väg från reaktanter till produkter genom att sänka mängden energi som behöver "investeras" för att få en "avkastning" i form av produkter.

Med tanke på enzymernas roll och det faktum att många av dessa naturligt förekommande proteiner har valts för human terapeutisk användning (ett exempel är laktas, det enzym som hjälper till med matsmältningen av mjölksocker som miljontals människokroppar inte producerar), är det inte förvånande att biologer har komma med formella verktyg för att bedöma hur väl specifika enzymer gör sina jobb under givna, kända förhållanden - det vill säga bestämma deras katalytiska effektivitet.

En viktig egenskap hos enzymer är deras specificitet. Enzymer, generellt sett, tjänar till att katalysera endast en av de hundratals biokemiska metaboliska reaktioner som alltid utvecklas i människokroppen. Således kan ett givet enzym betraktas som ett lås, och den specifika förening som den verkar på, kallad ett substrat, kan liknas med en nyckel. Den del av enzymet som ett substrat samverkar med är känd som enzymets aktiva plats.

Enzymer, som alla proteiner, består av långa strängar av aminosyror, av vilka det finns cirka 20 i mänskliga system. De aktiva platserna för enzymer består därför vanligtvis av aminosyrarester eller kemiskt ofullständiga bitar av en given aminosyra, som kan "sakna" en proton eller annan atom och har en nettoladdning som en resultat.

Enzymer, kritiskt, ändras inte i de reaktioner de katalyserar - åtminstone inte efter att reaktionen är över. Men de genomgår tillfälliga förändringar under själva reaktionen, en nödvändig funktion för att låta reaktionen vid handen fortsätta. För att föra lås-och-nyckel-analogin vidare, när ett substrat "hittar" det enzym som krävs för en given reaktion och binder till enzymets aktiva plats ("nyckelinsättning") genomgår enzym-substratkomplexet förändringar ("nyckelvändning") som resulterar i frisläppandet av en nybildad produkt.

Interaktionen mellan substratet, enzymet och produkten i en given reaktion kan representeras enligt följande:

Här, E representerar enzymet, S är substratet, och P är produkten. Således kan du föreställa dig processen som löst besläktad med en klump modelleringslera (Sblir en fullformad skål (P) under påverkan av en mänsklig hantverkare (E). Hantverkarens händer kan betraktas som den aktiva platsen för det "enzym" som denna person förkroppsligar. När klumpen blir "bunden" till personens händer, bildar de ett "komplex" under en tid, under vilken leran formas till en annan och förutbestämd form genom handlingen till vilken den är fäst (ES). Då, när skålen är helt formad och inget ytterligare arbete behövs, ska händerna (E) släpp skålen (P) och processen är klar.

Tänk nu på pilarna i ovanstående diagram. Du kommer att märka att steget mellan E + S och ES har pilar som rör sig i båda riktningarna, vilket antyder att precis som enzym och substrat kan bindas samman för att bilda ett enzym-substratkomplex, kan detta komplex dissocieras i den andra riktningen för att frigöra enzymet och dess substrat i deras ursprungliga former.

Den enkelriktade pilen mellan ES och På andra sidan visar att produkten P ansluter sig aldrig spontant till det enzym som är ansvarigt för dess skapande. Detta är vettigt mot bakgrund av den tidigare noterade specificiteten hos enzymer: Om ett enzym binder till ett givet substrat, så gör det inte också binda till den resulterande produkten, annars skulle det enzymet då vara specifikt för två substrat och följaktligen inte specifikt vid Allt. Ur sunt förnuft skulle det inte vara meningsfullt för ett visst enzym att få en given reaktion att fungera bättre i både vägbeskrivning; detta skulle vara som en bil som rullar med både uppför och nedförsbacke med lika lätthet.

Tänk på den allmänna reaktionen i föregående avsnitt som summan av tre olika konkurrerande reaktioner, som är:

Var och en av dessa enskilda reaktioner har sin egen hastighetskonstant, ett mått på hur snabbt en given reaktion fortskrider. Dessa konstanter är specifika för specifika reaktioner och har experimentellt bestämts och verifierad för en uppsjö av olika substrat-plus-enzym och enzym-substrat-komplex-plus-produkt grupperingar. De kan skrivas på olika sätt, men i allmänhet uttrycks hastighetskonstanten för reaktion 1) som k₁, den av 2) som k_-1och 3) som k₂ (detta skrivs ibland k_katt).

Utan att dyka in i kalkylen som behövs för att härleda några av ekvationerna som följer kan du förmodligen se att hastigheten vid vilken produkt ackumuleras, v, är en funktion av hastighetskonstanten för denna reaktion, k₂och koncentrationen av ES närvarande, uttryckt som [ES]. Ju högre hastighetskonstant och ju mer substrat-enzymkomplex som finns, desto snabbare ackumuleras reaktionens slutprodukt. Därför:

Kom dock ihåg att två andra reaktioner förutom den som skapar produkten P sker samtidigt. En av dessa är bildandet av ES från dess komponenter E och S, medan den andra är samma reaktion i omvänd ordning. Sammanfatta all denna information och förstå att bildningshastigheten för ES måste motsvara sin försvinnningshastighet (genom två motsatta processer), har du

Dela upp båda termerna efter k₁ avkastning

Eftersom alla "k"termer i denna ekvation är konstanter, de kan kombineras till en enda konstant, K_M:

Detta gör att ekvationen ovan kan skrivas

K_M är känd som Michaelis-konstanten. Detta kan betraktas som ett mått på hur snabbt enzym-substratkomplexet försvinner via kombinationen av att bli obundet och att en ny produkt bildas.

Går hela vägen tillbaka till ekvationen för produktbildningens hastighet, v = k₂[ES], substitution ger:

Uttrycket inom parentes, k₂/K_M, är känd som specificitetskonstant_, även kallad kinetisk effektivitet. Efter all denna irriterande algebra har du äntligen ett uttryck som bedömer den katalytiska effektiviteten, eller enzymeffektiviteten, för en given reaktion. Du kan beräkna konstanten direkt från enzymkoncentrationen, koncentrationen av substrat och hastigheten för produktbildning genom att ordna om till: