Πώς να υπολογίσετε την καταλυτική απόδοση

Περιεχόμενο

• Ένζυμα Βασικά
• Κινητική του ενζύμου
• Τιμή Σταθερά
• Η σταθερότητα Michaelis και η αποτελεσματικότητα του ενζύμου

Τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες σε βιολογικά συστήματα που βοηθούν στην ταχύτητα κατά μήκος αντιδράσεων που διαφορετικά θα έλαβαν χώρα πολύ αργότερα από ό, τι χωρίς τη βοήθεια του ενζύμου. Ως εκ τούτου, είναι ένα είδος καταλύτη. Άλλοι μη βιολογικοί καταλύτες παίζουν ρόλο στη βιομηχανία και αλλού (για παράδειγμα, οι χημικοί καταλύτες βοηθούν στην καύση βενζίνης για την ενίσχυση των δυνατοτήτων των αεριοκίνητων κινητήρων). Εντούτοις, τα ένζυμα είναι μοναδικά στον μηχανισμό καταλυτικής δράσης τους. Λειτουργούν μειώνοντας την ενεργότητα ενεργοποίησης μιας αντίδρασης χωρίς να αλλάζουν τις ενεργειακές καταστάσεις των αντιδραστηρίων (οι είσοδοι μιας χημικής αντίδρασης) ή τα προϊόντα (οι έξοδοι). Αντ 'αυτού, στην πραγματικότητα δημιουργούν μια ομαλότερη διαδρομή από τα αντιδραστήρια στα προϊόντα, μειώνοντας την ποσότητα ενέργειας που πρέπει να «επενδυθεί» για να λάβει μια «επιστροφή» με τη μορφή προϊόντων.

Δεδομένου του ρόλου των ενζύμων και του γεγονότος ότι πολλές από αυτές τις φυσικώς απαντώμενες πρωτεΐνες έχουν επιλεγεί για ανθρώπινη θεραπευτική χρήση (ένα παράδειγμα είναι η λακτάση, το ένζυμο που βοηθά στην πέψη του γαλακτικού ζάχαρης, το οποίο εκατομμύρια λαών δεν παράγουν) δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι οι βιολόγοι έχουν βρει επίσημα εργαλεία για να αξιολογήσουν πόσο καλά τα συγκεκριμένα ένζυμα κάνουν τις δουλειές τους κάτω από δεδομένες, γνωστές συνθήκες - δηλαδή, καθορίζουν την καταλυτική αποτελεσματικότητά τους.

Ένζυμα Βασικά

Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό των ενζύμων είναι η ειδικότητά τους. Τα ένζυμα, γενικά, χρησιμεύουν για να καταλύουν μόνο μία από τις εκατοντάδες βιοχημικές μεταβολικές αντιδράσεις που εκτυλίσσονται ανά πάσα στιγμή στο ανθρώπινο σώμα. Έτσι ένα δεδομένο ένζυμο μπορεί να θεωρηθεί ως κλειδαριά και η συγκεκριμένη ένωση στην οποία ενεργεί, που ονομάζεται υπόστρωμα, μπορεί να εξομοιωθεί με ένα κλειδί. Το μέρος του ενζύμου με το οποίο αλληλεπιδρά ένα υπόστρωμα είναι γνωστό ως ενεργό σημείο του ενζύμου.

Τα ένζυμα, όπως όλες οι πρωτεΐνες, αποτελούνται από μεγάλες σειρές αμινοξέων, από τα οποία υπάρχουν περίπου 20 ανθρώπινα συστήματα. Οι ενεργές θέσεις των ενζύμων ως εκ τούτου συνήθως αποτελούνται από υπολείμματα αμινοξέων ή χημικά ατελή κομμάτια δεδομένου αμινοξέος, τα οποία μπορεί να "λείπουν" από ένα πρωτόνιο ή άλλο άτομο και να φέρουν ως αποτέλεσμα ένα καθαρό ηλεκτρικό φορτίο.

Τα ένζυμα, με κριτικό πνεύμα, δεν αλλάζουν στις αντιδράσεις που καταλύουν - τουλάχιστον όχι μετά την ολοκλήρωση της αντίδρασης. Αλλά υποβάλλονται σε προσωρινές αλλαγές κατά τη διάρκεια της ίδιας της αντίδρασης, μια απαραίτητη λειτουργία για να επιτρέψει την αντίδραση στο χέρι για να προχωρήσει. Για να μεταφερθεί περαιτέρω η αναλογία κλειδώματος-κλειδιού, όταν ένα υπόστρωμα "βρίσκει" το ένζυμο που απαιτείται για μια δεδομένη αντίδραση και συνδέεται με την ενεργό θέση των ενζύμων (η "εισαγωγή κλειδιού"), το σύμπλεγμα ενζύμου-υποστρώματος υφίσταται αλλαγές ") που έχουν ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση ενός νεοσυσταθέντος προϊόντος.

Κινητική του ενζύμου

Η αλληλεπίδραση του υποστρώματος, του ενζύμου και του προϊόντος σε μια δεδομένη αντίδραση μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής:

E + S ⇌ ES → E + P

Εδώ, μι αντιπροσωπεύει το ένζυμο, μικρό είναι το υπόστρωμα και Π είναι το προϊόν. Έτσι, μπορείτε να οραματιστείτε τη διαδικασία ως χαλαρά παρόμοια με ένα κομμάτι της πηλός μοντελοποίησης (μικρό) να γίνει ένα πλήρως διαμορφωμένο μπολ (Π) υπό την επήρεια ενός ανθρώπινου βιοτεχνού (μι). Τα χέρια craftspersons μπορούν να θεωρηθούν ως η ενεργός θέση του "ενζύμου" που ενσαρκώνει αυτό το άτομο. Όταν ο λαξευτός πηλός «συνδέεται» με τα χέρια των προσώπων, σχηματίζουν ένα «σύνθετο» για ένα χρονικό διάστημα, κατά τη διάρκεια του οποίου ο πηλός διαμορφώνεται σε διαφορετικό και προκαθορισμένο σχήμα με τη δράση του χεριού στο οποίο ενώνεται (ES). Στη συνέχεια, όταν το μπολ έχει διαμορφωθεί πλήρως και δεν απαιτείται περαιτέρω εργασία, τα χέρια (μι) απελευθερώστε το μπολ (Π), και η διαδικασία είναι πλήρης.

Τώρα εξετάστε τα βέλη στο παραπάνω διάγραμμα. Θα παρατηρήσετε ότι το βήμα μεταξύ μι + μικρό και ES έχει τα βέλη που κινούνται και στις δύο κατευθύνσεις, υποδηλώνοντας ότι, όπως το ένζυμο και το υπόστρωμα μπορούν να συνδεθούν μαζί για να σχηματίσουν ένα σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος, αυτό το σύμπλοκο μπορεί να διαχωριστεί προς την άλλη κατεύθυνση για να απελευθερώσει το ένζυμο και το υπόστρωμα του στις αρχικές του μορφές.

Το μονόδρομο βέλος μεταξύ ES και Π, από την άλλη πλευρά, δείχνει ότι το προϊόν Π ποτέ δεν συνδέεται αυθόρμητα με το ένζυμο που είναι υπεύθυνο για τη δημιουργία του. Αυτό είναι λογικό υπό το πρίσμα της προηγουμένως σημειούμενης ειδικότητας των ενζύμων: Εάν ένα ένζυμο δεσμεύεται σε ένα δεδομένο υπόστρωμα, τότε δεν συνδέεται επίσης με το προκύπτον προϊόν ή αλλιώς αυτό το ένζυμο θα είναι τότε ειδικό για δύο υποστρώματα και ως εκ τούτου δεν είναι καθόλου ειδικό. Επίσης, από κοινή άποψη, δεν θα είχε νόημα για ένα συγκεκριμένο ένζυμο να κάνει μια δεδομένη αντίδραση έργο ευνοϊκότερα και τα δυο κατευθύνσεις; αυτό θα ήταν σαν ένα αυτοκίνητο που κυλά τόσο με ανηφόρα όσο και με κατηφόρα με την ίδια ευκολία.

Τιμή Σταθερά

Σκεφτείτε τη γενική αντίδραση στο προηγούμενο τμήμα ως το άθροισμα τριών διαφορετικών ανταγωνιστικών αντιδράσεων, οι οποίες είναι:

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

Κάθε μια από αυτές τις μεμονωμένες αντιδράσεις έχει τη δική της σταθερά ρυθμού, ένα μέτρο για το πόσο γρήγορα μια δεδομένη αντίδραση προχωρά. Αυτές οι σταθερές είναι ειδικές για συγκεκριμένες αντιδράσεις και έχουν πειραματικά προσδιοριστεί και επαληθευθεί για μια πληθώρα διαφορετικών ομάδων συμπλόκου-συν-προϊόντος-υποστρώματος-συν-ενζύμου και ενζύμου-υποστρώματος. Μπορούν να γραφτούν με διάφορους τρόπους, αλλά γενικά, η σταθερά ρυθμού για την αντίδραση 1) παραπάνω εκφράζεται ως κ₁, της 2) ως κ_-1, και της 3) ως κ₂ (αυτό είναι μερικές φορές γραμμένο κ_Γάτα).

Η σταθερότητα Michaelis και η αποτελεσματικότητα του ενζύμου

Χωρίς να καταδύεστε στο λογισμικό που απαιτείται για να εξάγετε μερικές από τις εξισώσεις που ακολουθούν, ίσως να δείτε ότι η ταχύτητα με την οποία συσσωρεύεται το προϊόν, v, είναι συνάρτηση της σταθεράς ταχύτητας για αυτήν την αντίδραση, κ₂, και η συγκέντρωση του ES παρόν, εκφρασμένο ως. Όσο υψηλότερη είναι η σταθερά ρυθμού και το περισσότερο σύμπλοκο υποστρώματος-ενζύμου υπάρχει, τόσο πιο γρήγορα το συσσωρευμένο τελικό προϊόν της αντίδρασης. Επομένως:

v = k_2

Ωστόσο, υπενθυμίστε ότι δύο άλλες αντιδράσεις εκτός από εκείνη που δημιουργεί το προϊόν Π συμβαίνουν ταυτόχρονα. Ένα από αυτά είναι ο σχηματισμός του ES από τα εξαρτήματά του μι και μικρό, ενώ η άλλη είναι η ίδια αντίδραση στην αντίστροφη. Λαμβάνοντας όλες αυτές τις πληροφορίες μαζί, και κατανοώντας ότι ο ρυθμός σχηματισμού του ES πρέπει να ισούται με το ποσοστό εξαφάνισης (με δύο αντίθετες διαδικασίες), έχετε

k_1 = k_2 + k _ {- 1}

Διαχωρισμός και των δύο όρων από κ₁ αποδόσεις

= {(k_2 + k _ {- 1}) πάνω από {1pt} k_1}

Δεδομένου ότι όλες οι "κ"οι όροι σε αυτή την εξίσωση είναι σταθερές, μπορούν να συνδυαστούν σε μία σταθερή, κ_Μ:

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

Αυτό επιτρέπει την εγγραφή της παραπάνω εξίσωσης

= K_M

κ_Μ είναι γνωστή ως η σταθερά Michaelis. Αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως ένα μέτρο για το πόσο γρήγορα εξαφανίζεται το σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος μέσω του συνδυασμού της καθυστέρησης και του σχηματισμού νέου προϊόντος.

Πηγαίνοντας όλος ο δρόμος πίσω στην εξίσωση για την ταχύτητα του σχηματισμού προϊόντος, v = κ₂, η υποκατάσταση δίνει:

v = Bigg ({k_2 πάνω από {1pt} K_M} Bigg)

Η έκφραση σε παρενθέσεις, κ₂/κ_Μ, είναι γνωστή ως η σταθερά εξειδίκευσης, που ονομάζεται επίσης κινητική απόδοση. Μετά από όλη αυτή την ενοχλητική άλγεβρα, έχετε τελικά μια έκφραση που εκτιμά την καταλυτική αποτελεσματικότητα ή την αποτελεσματικότητα των ενζύμων μιας δεδομένης αντίδρασης. Μπορείτε να υπολογίσετε τη σταθερά απευθείας από τη συγκέντρωση του ενζύμου, τη συγκέντρωση του υποστρώματος και την ταχύτητα του σχηματισμού του προϊόντος, επαναπροσδιορίζοντας:

Bigg ({k_2 παραπάνω {1pt} K_M} Bigg) = {v πάνω {1pt}}