เอ็นไซม์เป็นโปรตีนในระบบชีวภาพที่ช่วยเร่งความเร็วตามปฏิกิริยาที่จะเกิดขึ้นช้ากว่าโดยไม่ต้องใช้เอ็นไซม์ ดังนั้นพวกมันจึงเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดหนึ่ง ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช่ชีวภาพอื่นๆ มีบทบาทในอุตสาหกรรมและที่อื่นๆ (เช่น ตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีช่วยในการเผาไหม้น้ำมันเบนซินเพื่อเพิ่มขีดความสามารถของเครื่องยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยแก๊ส) อย่างไรก็ตาม เอ็นไซม์มีลักษณะเฉพาะในกลไกการออกฤทธิ์ของตัวเร่งปฏิกิริยา พวกมันทำงานโดยลดพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาโดยไม่เปลี่ยนสถานะพลังงานของสารตั้งต้น (ปัจจัยนำเข้าของปฏิกิริยาเคมี) หรือผลิตภัณฑ์ (ผลลัพธ์) ในทางกลับกัน พวกมันจะสร้างเส้นทางที่ราบรื่นยิ่งขึ้นจากสารตั้งต้นไปสู่ผลิตภัณฑ์โดยการลดปริมาณพลังงานที่ต้อง "ลงทุน" เพื่อให้ได้ "ผลตอบแทน" ในรูปของผลิตภัณฑ์
เมื่อพิจารณาถึงบทบาทของเอนไซม์และความจริงที่ว่าโปรตีนที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเหล่านี้จำนวนมากได้ถูกเลือกใช้เพื่อการบำบัดของมนุษย์ (ตัวอย่างหนึ่งคือ แลคเตส ซึ่งเป็นเอ็นไซม์ที่ช่วยในการย่อยน้ำตาลนมที่ร่างกายคนนับล้านไม่สามารถผลิตได้) ไม่น่าแปลกใจที่นักชีววิทยามี ใช้เครื่องมือที่เป็นทางการเพื่อประเมินว่าเอนไซม์จำเพาะทำงานได้ดีเพียงใดภายใต้สภาวะที่กำหนดหรือเป็นที่รู้จัก นั่นคือ กำหนดตัวเร่งปฏิกิริยา ประสิทธิภาพ
ข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับเอนไซม์
คุณลักษณะที่สำคัญของเอนไซม์คือความจำเพาะ โดยทั่วไปแล้ว เอนไซม์จะกระตุ้นปฏิกิริยาเมแทบอลิซึมทางชีวเคมีเพียงหนึ่งในหลายร้อยที่เกิดขึ้นภายในร่างกายมนุษย์ตลอดเวลา ดังนั้นเอ็นไซม์ที่กำหนดอาจถูกมองว่าเป็นตัวล็อค และสารประกอบเฉพาะที่ทำหน้าที่เรียก เรียกว่าซับสเตรต สามารถเปรียบได้กับกุญแจ ส่วนของเอนไซม์ที่มีปฏิสัมพันธ์กับซับสเตรตเรียกว่าไซต์แอคทีฟของเอนไซม์
เอ็นไซม์เช่นเดียวกับโปรตีนทั้งหมดประกอบด้วยกรดอะมิโนสายยาว ซึ่งมีประมาณ 20 ชนิดในระบบของมนุษย์ ตำแหน่งแอคทีฟของเอ็นไซม์มักจะประกอบด้วยกรดอะมิโนตกค้างหรือชิ้นส่วนที่ไม่สมบูรณ์ทางเคมี ของกรดอะมิโนที่ให้มา ซึ่งอาจ "หายไป" โปรตอนหรืออะตอมอื่น ๆ และมีประจุไฟฟ้าสุทธิเป็น ผลลัพธ์.
ในขั้นวิกฤต เอนไซม์จะไม่เปลี่ยนแปลงในปฏิกิริยาที่กระตุ้น - อย่างน้อยก็ไม่ใช่หลังจากที่ปฏิกิริยาสิ้นสุดลง แต่พวกมันได้รับการเปลี่ยนแปลงชั่วคราวระหว่างปฏิกิริยา ซึ่งเป็นหน้าที่ที่จำเป็นในการปล่อยให้ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในมือดำเนินไป เพื่อนำความคล้ายคลึงล็อคและคีย์เพิ่มเติม เมื่อซับสเตรต "พบ" เอ็นไซม์ที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาที่กำหนดและจับกับแอคทีฟของเอ็นไซม์ ไซต์ ("การแทรกกุญแจ") สารเชิงซ้อนของเอนไซม์-ซับสเตรตได้รับการเปลี่ยนแปลง ("การหมุนแป้น") ซึ่งส่งผลให้เกิดการปลดปล่อยสารตั้งต้นใหม่ สินค้า.
จลนพลศาสตร์ของเอนไซม์
อันตรกิริยาของซับสเตรต เอนไซม์ และผลิตภัณฑ์ในปฏิกิริยาที่กำหนดสามารถแสดงได้ดังนี้:
E + S ⇌ ES → E + P
ที่นี่ อี แสดงถึงเอนไซม์ ส เป็นสารตั้งต้น และ พี คือสินค้า ดังนั้น คุณอาจนึกภาพกระบวนการนี้ให้ดูเหมือนหลวมๆ กับก้อนดินจำลอง (ส) กลายเป็นชามที่ขึ้นรูปเต็มที่ (พี) ภายใต้อิทธิพลของช่างฝีมือมนุษย์ (อี). มือของช่างฝีมืออาจถูกมองว่าเป็นแหล่งกระตุ้นของ "เอนไซม์" ที่บุคคลนี้สร้างขึ้น เมื่อก้อนดินเหนียวกลายเป็น "มัด" กับมือของบุคคลนั้น จะกลายเป็น "ซับซ้อน" ชั่วขณะหนึ่งในระหว่างนั้น ดินเหนียวถูกหล่อหลอมให้มีรูปร่างที่แตกต่างกันและถูกกำหนดโดยการกระทำของมือที่เชื่อมเข้าด้วยกัน it (ES). จากนั้นเมื่อชามมีรูปร่างสมบูรณ์และไม่ต้องดำเนินการใดๆ อีก มือ (อี) ปล่อยชาม (พี) และดำเนินการเสร็จสิ้น
ตอนนี้ให้พิจารณาลูกศรในแผนภาพด้านบน จะสังเกตได้ว่าขั้นตอนระหว่าง อี + ส และ ES มีลูกศรเคลื่อนที่ทั้งสองทิศทาง หมายความว่า เช่นเดียวกับที่เอ็นไซม์และซับสเตรตสามารถจับกันเพื่อสร้าง an เอ็นไซม์-สารตั้งต้นเชิงซ้อน สารเชิงซ้อนนี้สามารถแยกตัวไปในทิศทางอื่นเพื่อปล่อยเอนไซม์และสารตั้งต้นใน แบบฟอร์มเดิม
ลูกศรทิศทางเดียวระหว่าง ES และ พีในทางกลับกันแสดงว่าสินค้า พี ไม่เคยเข้าร่วมกับเอนไซม์ที่รับผิดชอบในการสร้างตามธรรมชาติ สิ่งนี้สมเหตุสมผลเมื่อพิจารณาถึงความจำเพาะของเอ็นไซม์ที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้: หากเอ็นไซม์จับกับซับสเตรตที่กำหนด มันก็จะเป็นเช่นนั้น ไม่ผูกมัดกับผลิตภัณฑ์ที่เป็นผลหรืออย่างอื่นที่เอ็นไซม์จะจำเพาะสำหรับซับสเตรตสองชนิดและด้วยเหตุนี้จึงไม่จำเพาะที่ ทั้งหมด. นอกจากนี้ จากจุดยืนสามัญสำนึก มันไม่สมเหตุสมผลเลยที่เอ็นไซม์ที่ให้มาเพื่อทำให้ปฏิกิริยาที่กำหนดทำงานได้ดีขึ้นใน ทั้งสอง ทิศทาง; นี้จะเป็นเหมือนรถที่หมุนได้ทั้งขึ้นและลงเนินอย่างเท่าเทียมกัน
ค่าคงที่ Rate
คิดว่าปฏิกิริยาทั่วไปในส่วนก่อนหน้าเป็นผลรวมของปฏิกิริยาตอบสนองที่แตกต่างกันสามแบบ ได้แก่:
1) \; E + S → ES \\ 2) \; ES → E + S \\ 3) \; ES → E + P
ปฏิกิริยาแต่ละตัวเหล่านี้มีค่าคงที่อัตราของตัวเองซึ่งเป็นตัววัดว่าปฏิกิริยาที่กำหนดเกิดขึ้นได้เร็วแค่ไหน ค่าคงที่เหล่านี้จำเพาะต่อปฏิกิริยาเฉพาะและถูกกำหนดโดยการทดลองแล้วและ ได้รับการยืนยันว่ามีสารตั้งต้น-บวก-เอนไซม์และเอนไซม์-สารตั้งต้นที่ซับซ้อน-พลัส-ผลิตภัณฑ์มากมาย การจัดกลุ่ม สามารถเขียนได้หลายวิธี แต่โดยทั่วไป ค่าคงที่อัตราสำหรับปฏิกิริยา 1) ด้านบนจะแสดงเป็น k1, ของ 2) as k-1และของ 3) as k2 (นี้บางครั้งเขียน kแมว).
ค่าคงที่ของ Michaelis และประสิทธิภาพของเอนไซม์
โดยไม่ต้องดำดิ่งลงไปในแคลคูลัสที่จำเป็นในการหาสมการบางสมการที่ตามมา คุณอาจเห็นได้ว่าความเร็วที่ผลิตภัณฑ์สะสม วีเป็นฟังก์ชันของอัตราคงที่สำหรับปฏิกิริยานี้ k2และความเข้มข้นของ ES ปัจจุบัน แสดงเป็น [ES]. ยิ่งค่าคงที่อัตราสูงขึ้นและยิ่งมีสารตั้งต้น-เอนไซม์ที่ซับซ้อนมากขึ้นเท่าใด ผลิตภัณฑ์สุดท้ายของปฏิกิริยาก็จะสะสมเร็วขึ้นเท่านั้น ดังนั้น:
วี = k_2[ES]
อย่างไรก็ตาม พึงระลึกว่าปฏิกิริยาอีกสองประการนอกเหนือจากปฏิกิริยาที่สร้างผลิตภัณฑ์ พี กำลังเกิดขึ้นพร้อมกัน หนึ่งในนั้นคือการก่อตัวของ ES จากส่วนประกอบ อี และ สในขณะที่อีกอันหนึ่งมีปฏิกิริยาเหมือนกันในทางกลับกัน นำข้อมูลทั้งหมดนี้มารวมกันและเข้าใจว่าอัตราการก่อตัวของ ES ต้องเท่ากับอัตราการหายตัวไป (โดยสองกระบวนการที่ตรงกันข้าม) คุณมี
k_1[E][S] = k_2 [ES] + k_{-1}[ES]
หารทั้งสองเทอมด้วย k1 ผลผลิต
[E][S] = {(k_2 + k_{-1}) \above{1pt} k_1} [ES]
เนื่องจากทั้งหมด "k" พจน์ในสมการนี้เป็นค่าคงที่ สามารถนำมารวมกันเป็นค่าคงที่ตัวเดียวได้ Kเอ็ม:
K_M= {(k_2 + k_{-1}) \above{1pt} k_1}
ทำให้สามารถเขียนสมการข้างต้นได้
[E][S] = K_M[ES]
Kเอ็ม เรียกว่าค่าคงที่มิคาเอลิส นี่ถือได้ว่าเป็นการวัดความเร็วของสารตั้งต้นของเอนไซม์-ซับสเตรตที่หายไปจากการรวมตัวกันของการแยกตัวออกจากกันและเกิดผลิตภัณฑ์ใหม่ขึ้น
ย้อนกลับไปที่สมการความเร็วของการเกิดผลิตภัณฑ์ วี = k2[ES] การทดแทนให้:
v = [E][S] \Bigg( {k_2 \above{1pt} K_M}\Bigg)
นิพจน์ในวงเล็บคือ k2/Kเอ็มเรียกว่าค่าคงที่ความจำเพาะ _ หรือเรียกอีกอย่างว่าประสิทธิภาพจลนศาสตร์ หลังจากพีชคณิตที่น่ารำคาญนี้ ในที่สุด คุณมีนิพจน์ที่ประเมินประสิทธิภาพตัวเร่งปฏิกิริยาหรือประสิทธิภาพของเอนไซม์ของปฏิกิริยาที่กำหนด คุณสามารถคำนวณค่าคงที่ได้โดยตรงจากความเข้มข้นของเอนไซม์ ความเข้มข้นของซับสเตรต และความเร็วของการเกิดผลิตภัณฑ์โดยจัดเรียงใหม่เป็น:
\Bigg( {k_2 \above{1pt} K_M}\Bigg)= {v \above{1pt}[E][S]}