Sadržaj
Enzimi su proteini u biološkim sustavima koji pomažu u ubrzavanju reakcija koje bi se inače odvijale mnogo sporije nego bez pomoći enzima. Kao takvi, oni su svojevrsni katalizatori. Ostali, nebiološki katalizatori igraju ulogu u industriji i drugdje (na primjer, kemijski katalizatori pomažu u sagorijevanju benzina radi poboljšanja mogućnosti motora na plin). Enzimi su, međutim, jedinstveni po svom mehanizmu katalitičkog djelovanja. Djeluju tako što smanjuju aktivacijsku energiju reakcije bez promjene energetskih stanja reaktanata (ulaza kemijske reakcije) ili proizvoda (izlaza). Umjesto toga, oni u stvari stvaraju glatkiji put od reaktanata do proizvoda, smanjujući količinu energije u koju je potrebno „uložiti“ da bi dobili „povrat“ u obliku proizvoda.
S obzirom na ulogu enzima i činjenicu da su mnogi od tih proteina koji su prirodno prisutni odabrani za ljudsku terapijsku upotrebu (jedan primjer je laktaza, enzim koji pomaže u probavi mliječnog šećera koji tijela milijuna ljudi ne uspijevaju proizvesti), nije iznenađujuće da su biolozi smislili formalne alate za procjenu koliko dobro određeni enzimi rade svoj posao pod danim, poznatim uvjetima - odnosno da odredi njihovu katalitičku učinkovitost.
Osnove enzima
Važna osobina enzima je njihova specifičnost. Enzimi, općenito govoreći, služe kataliziranju samo jedne od stotina biokemijskih metaboličkih reakcija koje se odvijaju u ljudskom tijelu u svakom trenutku. Stoga se neki enzim može smatrati bravom, a specifični spoj na koji djeluje, nazvan supstrat, može se usporediti s ključem. Dio enzima s kojim supstrat komunicira poznat je kao aktivno mjesto enzima.
Enzimi se, kao i svi proteini, sastoje od dugih nizova aminokiselina kojih je u ljudskom sustavu oko 20. Aktivna mjesta enzima stoga se obično sastoje od aminokiselinskih ostataka ili kemijski nepotpunih komada određene aminokiseline, kojima može nedostajati protoni ili drugi atom i kao rezultat toga imaju električni naboj.
Enzimi se, kritično, ne mijenjaju u reakcijama koje kataliziraju - barem ne nakon završetka reakcije. Ali oni se tijekom same reakcije podvrgavaju privremenim promjenama, što je nužna funkcija u omogućavanju tijeka reakcije. Za daljnju analogiju zaključavanja i ključa, kad supstrat "pronađe" enzim potreban za datu reakciju i veže se na aktivno mjesto enzima ("umetanje ključa"), enzimski-supstratni kompleks prolazi kroz promjene ("okretanje ključeva" ") što rezultira izdavanjem novoformiranog proizvoda.
Enzimska kinetika
Interakcija supstrata, enzima i proizvoda u određenoj reakciji može se predstaviti na sljedeći način:
E + S ⇌ ES → E + POvdje, E predstavlja enzim, S je supstrat i P je proizvod. Stoga možete zamisliti postupak kao srodan gomili gline za modeliranje (S) postaje potpuno formirana zdjela (P) pod utjecajem ljudskog zanatlije (E). Ruke majstora mogu se smatrati aktivnim mjestom "enzima" kojeg ova osoba utjelovljuje. Kad glina koja se nagomilava postaje "vezana" za ruke ljudi, oni formiraju neko vrijeme "kompleks" za vrijeme kojeg se glina oblikuje u drugačiji i unaprijed određeni oblik djelovanjem ruku kojoj je pridružena (ES). Zatim, kada je zdjela u potpunosti oblikovana i više nije potrebno raditi, ruke (E) pusti zdjelu (P), a postupak je dovršen.
Sada razmotrite strelice na gornjem dijagramu. Primijetit ćete da je korak između E + S i ES ima strelice koje se kreću u oba smjera, što implicira da se, baš kao što se enzim i supstrat mogu povezati i stvaraju enzimsko-supstratni kompleks, taj kompleks može disocirati u drugom smjeru, kako bi oslobodio enzim i njegov supstrat u izvornom obliku.
Jednosmjerna strelica između ES i P, s druge strane, pokazuje da je proizvod P nikada se spontano ne stapa s enzimom odgovornim za njegovo stvaranje. To ima smisla u svjetlu prethodno uočene specifičnosti enzima: Ako se enzim veže na određeni supstrat, onda se također ne veže za dobiveni proizvod ili bi inače taj enzim bio specifičan za dva supstrata i stoga uopće nije specifičan. Također, sa stanovišta zdravog razuma, ne bi imalo smisla dani enzim čini da reakcija djeluje povoljnije na oba smjerovi; ovo bi bilo poput automobila koji se s jednakom lakoćom kotrlja i uzbrdo i nizbrdo.
Konstantne cijene
Zamislite opću reakciju u prethodnom odjeljku kao zbroj tri različite konkurentne reakcije, a to su:
1) ; E + S → ES 2) ; ES → E + S 3) ; ES → E + PSvaka od ovih pojedinačnih reakcija ima svoju konstantu brzine, mjeru koliko brzo se odvija određena reakcija. Te konstante su specifične za određene reakcije i eksperimentalno su određene i potvrđene za mnoštvo različitih skupina supstrata plus enzima i enzima i supstrata. Mogu se napisati na različite načine, ali općenito, gornja konstanta za reakciju 1) je izražena kao k1, onaj od 2) kao k-1, i to od 3) kao k2 (to se ponekad piše kmačka).
Konstantis i učinkovitost enzima u Michaelisu
Bez ronjenja u računu potrebnih za dobivanje nekih sljedećih jednadžbi, vjerojatno možete vidjeti kako se brzina proizvoda akumulira, v, je funkcija konstante brzine za ovu reakciju, k2, i koncentracija ES prisutan, izražen kao. Što je veća konstanta brzine i što je prisutnije više supstrat-enzimskog kompleksa, to se brže akumulira krajnji produkt reakcije. Stoga:
v = k_2Međutim, podsjetite se da su dvije reakcije osim one koja stvara proizvod P javljaju se istovremeno. Jedna od njih je formiranje ES od njegovih sastavnih dijelova E i S, dok je druga ista reakcija obrnuto. Uzimajući sve ove informacije zajedno, i razumijevanje brzine stvaranja ES mora biti jednaka brzini nestanka (dva suprotstavljena procesa)
k_1 = k_2 + k _ {- 1}Podjela oba termina na k1 prinosi
= {(k_2 + k _ {- 1}) gore {1pt} k_1}Budući da su svi "k"izrazi u ovoj jednadžbi su konstante, mogu se kombinirati u jednu konstantu, KM:
K_M = {(k_2 + k _ {- 1}) gore {1pt} k_1}To omogućuje da se napiše gornja jednadžba
= K_MKM poznata je kao Michaelisova konstanta. To se može smatrati mjerom brzine nestajanja enzimsko-supstratnog kompleksa kombinacijom postaje nepovezanih i stvaranja novog proizvoda.
Vraćajući se natrag na jednadžbu za brzinu stvaranja proizvoda, v = k2, zamjena daje:
v = Bigg ({k_2 gore {1pt} K_M} Bigg)Izraz u zagradama, k2/KM, poznat je kao konstanta specifičnosti _, _ koja se također naziva kinetička učinkovitost. Nakon sve ove neugodne algebre, konačno imate izraz koji procjenjuje katalitičku učinkovitost, odnosno enzimsku učinkovitost, određene reakcije. Možete izračunati konstantu izravno iz koncentracije enzima, koncentracije supstrata i brzine stvaranja proizvoda tako da se preuredite na:
Bigg ({k_2 gore {1pt} K_M} Bigg) = {v gore {1pt}}