Як розрахувати каталітичну ефективність

Ферменти - це білки в біологічних системах, які сприяють прискоренню реакцій, які інакше проходили б набагато повільніше, ніж без допомоги ферменту. Як такі, вони є своєрідним каталізатором. Інші небіологічні каталізатори відіграють певну роль у промисловості та в інших місцях (наприклад, хімічні каталізатори допомагають згорянню бензину для покращення можливостей двигунів, що працюють на газі). Однак ферменти унікальні за своїм механізмом каталітичної дії. Вони працюють, знижуючи енергію активації реакції, не змінюючи енергетичних станів реагентів (входи хімічної реакції) або продуктів (виходи). Натомість вони фактично створюють більш плавний шлях від реагентів до продуктів, зменшуючи кількість енергії, яку потрібно «вкласти», щоб отримати «віддачу» у вигляді продуктів.

Беручи до уваги роль ферментів та той факт, що багато з цих природних білків були вибрані для терапевтичного використання людиною (одним із прикладів є лактази, ферменту, який сприяє перетравленню молочного цукру, який мільйони людських організмів не виробляють), не дивно, що біологи розробити офіційні інструменти для оцінки того, наскільки конкретні ферменти виконують свою роботу за певних, відомих умов - тобто визначають їх каталітичність ефективність.

Важливим атрибутом ферментів є їх специфічність. Ферменти, загалом кажучи, служать каталізатором лише однієї з сотень біохімічних метаболічних реакцій, які постійно розгортаються в організмі людини. Таким чином, даний фермент можна сприймати як замок, а конкретну сполуку, на яку він діє, званий субстратом, можна уподібнити ключу. Частина ферменту, з якою взаємодіє субстрат, відома як активний центр ферменту.

Ферменти, як і всі білки, складаються з довгих ниток амінокислот, яких у системах людини близько 20. Тому активні ділянки ферментів зазвичай складаються з залишків амінокислот або хімічно неповних шматків даної амінокислоти, в якій може "бракувати" протон або інший атом і нести чистий електричний заряд у вигляді результат.

Ферменти, як не критично, не змінюються в реакціях, які вони каталізують - принаймні не після того, як реакція закінчиться. Але вони піддаються тимчасовим змінам під час самої реакції, необхідна функція для того, щоб забезпечити протікання реакції. Провести подальшу аналогію із замком і ключем, коли субстрат "знаходить" фермент, необхідний для даної реакції, і зв'язується з активним ферментом сайт ("вставка ключа"), фермент-субстратний комплекс зазнає змін ("поворот ключа"), які призводять до вивільнення новоутвореного продукту.

Взаємодія субстрату, ферменту та продукту в даній реакції може бути представлена ​​наступним чином:

Ось, Е являє собою фермент, S - підкладка, і P є продуктом. Таким чином, ви можете уявити процес як подібний до грудочки глини для ліплення (S) стає повністю сформованою чашею (P) під впливом ремісника-людини (Е). Руки майстра можна вважати активним центром «ферменту», який втілює ця людина. Коли грудка глини стає "прив'язаною" до рук людини, вони утворюють "комплекс" на деякий час, протягом якого глина формується в іншу і заздалегідь визначену форму дією руки, до якої вона приєднана (ES). Потім, коли чаша повністю сформована і подальша робота не потрібна, руки (Е) відпусти чашу (P), і процес завершено.

Тепер розглянемо стрілки на наведеній вище схемі. Ви помітите, що крок між Е + S і ES має стрілки, що рухаються в обидві сторони, маючи на увазі, що так само, як фермент і субстрат можуть зв’язуватися, утворюючи фермент-субстратний комплекс, цей комплекс може дисоціювати в іншому напрямку, виділяючи фермент та його субстрат у своїх оригінальні форми.

Односпрямована стрілка між ES і P, з іншого боку, показує, що товар P ніколи не спонтанно приєднується до ферменту, відповідального за його створення. Це має сенс у світлі раніше зазначеної специфічності ферментів: якщо фермент зв'язується з даним субстратом, то він робить це також не зв'язується з отриманим продуктом, інакше цей фермент тоді буде специфічним для двох субстратів і, отже, не специфічним для всі. Крім того, з точки зору здорового глузду, не має сенсу для даного ферменту змусити дану реакцію працювати більш сприятливо обидва напрямки; це було б як автомобіль, який з однаковою легкістю котиться як на підйом, так і на спуск.

Подумайте про загальну реакцію в попередньому розділі як про суму трьох різних конкуруючих реакцій, які:

Кожна з цих окремих реакцій має власну константу швидкості, яка є мірою того, як швидко протікає дана реакція. Ці константи є специфічними для певних реакцій і були експериментально визначені та перевірено на наявність безлічі різних субстрат-плюс-фермент та фермент-субстрат комплекс-плюс-продукт групування. Їх можна записати різними способами, але загалом константа швидкості реакції 1) вище виражається як k₁, що з 2) як k_-1, та що 3) як k₂ (це іноді пишеться k_кішка).

Не занурюючись у обчислення, необхідне для виведення деяких рівнянь, що слідують, ви, мабуть, бачите, що швидкість, з якою накопичується продукт, v, є функцією константи швидкості для цієї реакції, k₂, і концентрація ES присутній, виражений як [ES]. Чим вище константа швидкості та чим більше присутній субстрат-ферментний комплекс, тим швидше накопичується кінцевий продукт реакції. Тому:

Однак нагадаємо, що дві інші реакції, крім тієї, яка створює продукт P відбуваються одночасно. Одним з них є утворення ES з його компонентів Е і S, тоді як інша - та сама реакція у зворотному напрямку. Беручи всю цю інформацію разом, і розуміючи, що швидкість формування ES має дорівнювати швидкості зникнення (двома протилежними процесами)

Поділивши обидва терміни на k₁ врожайність

Оскільки всі "k"доданки в цьому рівнянні є константами, їх можна об'єднати в єдину константу, К_М:

Це дозволяє записати рівняння вище

К_М відома як константа Міхеліса. Це можна розглядати як міру того, наскільки швидко зникає фермент-субстратний комплекс через поєднання незв’язаного та утворення нового продукту.

Повертаючись до рівняння швидкості утворення продукту, v = k₂[ES], заміна дає:

Вираз у дужках, k₂/К_М, відомий як константа специфічності_, _ також звана кінетичною ефективністю. Після всієї цієї набридливої ​​алгебри ви нарешті отримали вираз, що оцінює каталітичну ефективність або ефективність ферментів даної реакції. Ви можете розрахувати константу безпосередньо з концентрації ферменту, концентрації субстрату та швидкості утворення продукту, переклавши: