Obsah
Enzýmy sú proteíny v biologických systémoch, ktoré pomáhajú urýchliť reakcie, ktoré by sa inak vyskytovali oveľa pomalšie ako bez pomoci enzýmu. Ako také sú akýmsi katalyzátorom. Iné nebiologické katalyzátory zohrávajú úlohu v priemysle a inde (napríklad chemické katalyzátory pomáhajú pri spaľovaní benzínu, aby sa zlepšili schopnosti plynových motorov). Enzýmy sú však vo svojom mechanizme katalytického pôsobenia jedinečné. Fungujú tak, že znižujú aktivačnú energiu reakcie bez zmeny energetických stavov reaktantov (vstupov chemickej reakcie) alebo produktov (výstupov). Namiesto toho v skutočnosti vytvárajú plynulejšiu cestu z reaktantov k produktom znižovaním množstva energie, ktorú je potrebné „investovať“, aby získali „návratnosť“ vo forme produktov.
Vzhľadom na úlohu enzýmov a skutočnosť, že mnohé z týchto prirodzene sa vyskytujúcich proteínov boli kooptované na terapeutické použitie u ľudí (jedným príkladom je laktáza, enzým, ktorý pomáha pri trávení mliečneho cukru, ktorý nedokážu produkovať milióny tiel ľudí), nie je prekvapujúce, že biológovia prišli s formálnymi nástrojmi na vyhodnotenie toho, ako konkrétne enzýmy vykonávajú svoju prácu za daných známych podmienok - to znamená, určujú ich katalytickú účinnosť.
Základy enzýmov
Dôležitým atribútom enzýmov je ich špecifickosť. Enzýmy vo všeobecnosti slúžia na katalyzovanie iba jednej zo stoviek biochemických metabolických reakcií, ktoré sa neustále vyvíjajú v ľudskom tele. Daný enzým sa teda môže považovať za zámok a špecifická zlúčenina, na ktorú pôsobí, nazývaná substrát, sa dá prirovnať ku kľúču. Časť enzýmu, s ktorou substrát interaguje, je známa ako aktívne miesto enzýmu.
Enzýmy, rovnako ako všetky proteíny, pozostávajú z dlhých reťazcov aminokyselín, z ktorých v ľudských systémoch je asi 20. Aktívne miesta enzýmov preto obvykle pozostávajú z aminokyselinových zvyškov alebo chemicky neúplných kúskov danej aminokyseliny, ktorým môže byť "chýba" protón alebo iný atóm a môže tak niesť čistý elektrický náboj.
Enzýmy sa kriticky nezmenia pri reakciách, ktoré katalyzujú - aspoň nie po skončení reakcie. Počas samotnej reakcie však podliehajú dočasným zmenám, čo je nevyhnutná funkcia umožňujúca pokračovať v prebiehajúcej reakcii. Aby sa ďalej niesla analógia zámka a kľúč, keď substrát „nájde“ enzým potrebný na danú reakciu a viaže sa na aktívne miesto enzýmov („vloženie kľúča“), komplex enzým-substrát prechádza zmenami („sústruženie kľúčov“) "), ktorého výsledkom je uvoľnenie novo vytvoreného produktu.
Enzýmová kinetika
Interakcia substrátu, enzýmu a produktu v danej reakcii môže byť vyjadrená nasledovne:
E + S ⇌ ES → E + PTu, E predstavuje enzým, S je substrát a P je produkt. Môžete si teda predstaviť tento proces ako voľne sa pripodobňujúci kusu modelovej hliny (S) stať sa plne tvarovanou miskou (P) pod vplyvom ľudského remeselníka (E). Ruky remeselníka sa môžu považovať za aktívne miesto „enzýmu“, ktoré táto osoba stelesňuje. Keď sa zhlukovaná hlina stane „naviazanou“ na rukách osôb, vytvára na čas „komplex“, počas ktorého je hlina pôsobením ruky, s ktorou je spojená, vytvarovaná do iného a vopred určeného tvaru (ES). Potom, keď je misa úplne tvarovaná a nie sú potrebné žiadne ďalšie práce, ruky (E) uvoľnite misu (P) a proces je dokončený.
Teraz zvážte šípky vo vyššie uvedenom diagrame. Všimnite si, že krok medzi E + S a ES má šípky pohybujúce sa v oboch smeroch, čo naznačuje, že rovnako ako sa enzým a substrát môžu viazať spolu za vzniku komplexu enzým-substrát, tento komplex sa môže disociovať v inom smere a uvoľňovať enzým a jeho substrát v ich pôvodných formách.
Jednosmerná šípka medzi ES a P, na druhej strane ukazuje, že produkt P nikdy sa spontánne nepripojí k enzýmu zodpovednému za jeho tvorbu. To má zmysel vzhľadom na predtým uvedenú špecificitu enzýmov: Ak sa enzým viaže na daný substrát, potom sa tiež neviaže na výsledný produkt alebo by tento enzým bol potom špecifický pre dva substráty, a teda vôbec nešpecifický. Z hľadiska zdravého rozumu by tiež nemalo zmysel pre daný enzým, aby daná reakcia fungovala priaznivejšie pri oba pokyny; bolo by to ako auto, ktoré sa s ľahkosťou otáča do kopca aj z kopca.
Hodnotiť konštanty
Všeobecnú reakciu v predchádzajúcej časti považujte za súčet troch rôznych konkurenčných reakcií, ktoré sú:
1) ; E + S → ES 2) ; ES → E + S 3) ; ES → E + PKaždá z týchto jednotlivých reakcií má svoju vlastnú rýchlostnú konštantu, mieru, ako rýchlo daná reakcia prebieha. Tieto konštanty sú špecifické pre konkrétne reakcie a boli experimentálne stanovené a overené pre množstvo rôznych skupín substrát-plus-enzým a komplex enzým-substrát-plus-produkt. Môžu sa písať rôznymi spôsobmi, ale všeobecne je rýchlostná konštanta pre reakciu 1) uvedená vyššie k1, 2) ako k-1a 3) ako k2 (toto je niekedy napísané kmačka).
Michaelisova konštantná a enzýmová účinnosť
Bez toho, aby ste sa potápali do počtu, ktorý je potrebný na odvodenie niektorých z nasledujúcich rovníc, pravdepodobne uvidíte, že rýchlosť, pri ktorej sa produkt hromadí, proti, je funkciou rýchlostnej konštanty pre túto reakciu, k2a koncentrácia ES prítomný, vyjadrený ako. Čím vyššia je rýchlostná konštanta a čím je komplex komplexu substrát-enzým prítomný, tým rýchlejšie sa hromadí konečný produkt reakcie. Z tohto dôvodu:
v = k_2Pripomíname však, že ďalšie dve reakcie okrem tej, ktorá vytvára produkt P vyskytujú sa súčasne. Jedným z nich je vznik ES z jeho komponentov E a S, zatiaľ čo druhá je rovnaká reakcia opačne. Berúc všetky tieto informácie dohromady a chápu, že rýchlosť formovania ES musí sa rovnať miere jeho zmiznutia (dvoma protichodnými procesmi)
k_1 = k_2 + k _ {- 1}Vydelením oboch výrazov k1 výťažky
= {(k_2 + k _ {- 1}) nad {1pt} k_1}Pretože všetkyk„termíny v tejto rovnici sú konštanty, môžu sa kombinovať do jednej konštanty, KM:
K_M = {(k_2 + k _ {- 1}) nad {1pt} k_1}To umožňuje zapísať vyššie uvedenú rovnicu
= K_MKM je známy ako Michaelisova konštanta. Toto sa môže považovať za mieru, ako rýchlo dochádza k vymiznutiu komplexu enzým-substrát kombináciou toho, že sa stáva neviazaným a vzniká nový produkt.
Vráťme sa späť k rovnici pre rýchlosť tvorby produktu, proti = k2, substitúcia dáva:
v = Bigg ({k_2 nad {1pt} K_M} Bigg)Výraz v zátvorkách, k2/KM, sa nazýva konštanta špecifickosti _, _ tiež sa nazýva kinetická účinnosť. Po celej tejto otravnej algebre máte konečne výraz, ktorý hodnotí katalytickú účinnosť alebo enzýmovú účinnosť danej reakcie. Konštantu môžete vypočítať priamo z koncentrácie enzýmu, koncentrácie substrátu a rýchlosti tvorby produktu preusporiadaním:
Bigg ({k_2 nad {1pt} K_M} Bigg) = {v nad {1pt}}