Як розрахувати каталітичну ефективність

Зміст

• Основи ферменту
• Ферментативна кінетика
• Константи швидкості
• Постійна та ефективність ферментів Michaelis

Ферменти - це білки в біологічних системах, які допомагають прискорити реакції, які в іншому випадку проходитимуть набагато повільніше, ніж без допомоги ферменту. Як такі вони є своєрідним каталізатором. Інші, небіологічні каталізатори відіграють роль у промисловості та інших місцях (наприклад, хімічні каталізатори допомагають у спалюванні бензину для підвищення можливостей газових двигунів). Ферменти, однак, унікальні за своїм механізмом каталітичної дії. Вони працюють, знижуючи енергію активації реакції без зміни енергетичних станів реагентів (входів хімічної реакції) або продуктів (виходів). Натомість вони фактично створюють більш плавний шлях від реагентів до продуктів, зменшуючи кількість енергії, яку потрібно "інвестувати", щоб отримати "прибуток" у вигляді продуктів.

Враховуючи роль ферментів і той факт, що багато з цих природних білків були використані для терапевтичного використання людиною (одним із прикладів є лактаза, фермент, що сприяє перетравленню молочного цукру, який організми мільйонів людей не виробляють), не дивно, що біологи придумали формальні інструменти для оцінки того, наскільки добре специфічні ферменти виконують свою роботу за заданих, відомих умов - тобто визначають їх каталітичну ефективність.

Основи ферменту

Важливим атрибутом ферментів є їх специфічність. Ферменти, взагалі кажучи, служать для каталізації лише однієї із сотень біохімічних метаболічних реакцій, що розгортаються всередині людського організму в усі часи. Таким чином, даний фермент може розглядатися як замок, і конкретна сполука, на яку він діє, називається субстратом, може бути уподібнена до ключа. Частина ферменту, з якою взаємодіє субстрат, відома як активний сайт ферменту.

Ферменти, як і всі білки, складаються з довгих ниток амінокислот, яких в системах людини близько 20. Отже, активні ділянки ферментів зазвичай складаються з амінокислотних залишків або хімічно неповних шматочків даної амінокислоти, які можуть "бракувати" протону чи іншого атома і в результаті несуть чистий електричний заряд.

Ферменти, критично, не змінюються в реакціях, які вони каталізують - принаймні не після закінчення реакції. Але вони зазнають тимчасових змін під час самої реакції, що є необхідною функцією для того, щоб давати можливість реакції. Щоб продовжити аналогію блокування ключа, коли субстрат "знаходить" необхідний для даної реакції фермент і зв'язується з активним сайтом ферментів ("введення ключа"), фермент-субстратний комплекс зазнає змін ("поворот ключів" "), що призводить до випуску новоствореного продукту.

Ферментативна кінетика

Взаємодія субстрату, ферменту та продукту в заданій реакції може бути представлена ​​таким чином:

E + S ⇌ ES → E + P

Ось Е являє собою фермент, S є субстратом, і П є продуктом. Таким чином, ви можете уявити процес, як такий, що схожий на грудку глини, що моделює (S) становлення повністю сформованої миски (П) під впливом людського майстра (Е). Руки майстрів можуть вважатися активним сайтом "ферменту", який ця людина втілює. Коли глини, що згущуються, стають «прив’язаними» до рук людей, вони на час утворюють «комплекс», протягом якого глину формують в іншу і заздалегідь задану форму дією руки, до якої вона приєднана (ES). Потім, коли миска буде повністю сформована і більше не потрібно працювати, руки (Е) звільнити миску (П), і процес завершено.

Тепер розглянемо стрілки на наведеній діаграмі. Ви помітите, що крок між Е + S і ES має стрілки, що рухаються в обох напрямках, що означає, що так само, як фермент і субстрат можуть зв'язуватися разом, утворюючи фермент-субстратний комплекс, цей комплекс може дисоціювати в іншому напрямку, щоб вивільнити фермент та його субстрат у первісних формах.

Односпрямована стрілка між ES і П, з іншого боку, показує, що продукт П ніколи спонтанно не з'єднується з ферментом, відповідальним за його створення. Це має сенс у світлі раніше відзначеної специфічності ферментів: Якщо фермент зв'язується з певним субстратом, він також не пов'язується з отриманим продуктом або іншим чином, що ензим буде тоді специфічним для двох субстратів і, отже, не специфічним для всіх. Крім того, з точки зору здорового глузду, не було б сенсу для даного ферменту робити так, щоб дана реакція працювала більш сприятливо і те й інше напрямки; це було б як автомобіль, який з однаковою легкістю котиться і в гору, і вниз.

Константи швидкості

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

1) ; E + S → ES 2) ; ES → E + S 3) ; ES → E + P

Кожна з цих індивідуальних реакцій має свою константу швидкості - міру того, як швидко протікає дана реакція. Ці константи є специфічними для конкретних реакцій і були експериментально визначені та перевірені на безліч різних груповок субстрат-плюс-фермент та ферменти-субстрати комплексу плюс-продукти. Вони можуть бути записані різними способами, але в цілому константа швидкості реакції 1) вище виражається як к₁, що з 2) як к_-1, і що з 3) як к₂ (про це іноді пишуть к_кіт).

Постійна та ефективність ферментів Michaelis

Не занурюючись в обчислення, необхідне для отримання деяких з наступних рівнянь, ви, ймовірно, можете бачити, що швидкість, з якою накопичується продукт, v, є функцією постійної швидкості для цієї реакції, к₂, і концентрація ES присутній, виражений як. Чим вище константа швидкості і чим більше присутній субстратно-ферментного комплексу, тим швидше накопичується кінцевий продукт реакції. Тому:

v = k_2

Однак нагадайте, що ще дві реакції, крім тієї, що створює продукт П виникають одночасно. Одним із таких є утворення ES з його компонентів Е і S, а інша - така ж реакція у зворотному напрямку. Збираючи всю цю інформацію разом, і розуміючи, що швидкість формування ES повинна дорівнювати її швидкість зникнення (двома протилежними процесами), у вас є

k_1 = k_2 + k _ {- 1}

Поділ обох доданків на к₁ врожайність

= {(k_2 + k _ {- 1}) вище {1pt} k_1}

Оскільки всі "к"терміни в цьому рівнянні є константами, їх можна об'єднати в одну константу, К_М:

K_M = {(k_2 + k _ {- 1}) вище {1pt} k_1}

Це дозволяє записати рівняння вище

= К_М

К_М відома як константа Міхаеліса. Це можна розглядати як міру того, як швидко зникає комплекс ферментів-субстратів завдяки комбінації того, що він стає незв'язаним і утворюється новий продукт.

Повертаючись до рівняння швидкості формування продукту, v = к₂, заміна дає:

v = Bigg ({k_2 вище {1pt} K_M} Bigg)

Вираз у дужках, к₂/К_М, відомий як константа специфічності _, _ також називається кінетичною ефективністю. Зрештою, ця сумна алгебра, нарешті, ви маєте вираз, який оцінює каталітичну ефективність або ферментну ефективність заданої реакції. Ви можете обчислити константу безпосередньо з концентрації ферменту, концентрації субстрату та швидкості утворення продукту шляхом перестановки на:

Bigg ({k_2 вище {1pt} K_M} Bigg) = {v вище {1pt}}