Vsebina
Encimi so beljakovine v bioloških sistemih, ki pomagajo pospešiti reakcije, ki bi sicer potekale precej počasneje kot brez pomoči encima. Kot takšni so nekakšen katalizator. Drugi nebiološki katalizatorji igrajo vlogo v industriji in drugod (na primer kemični katalizatorji pomagajo pri zgorevanju bencina za izboljšanje zmogljivosti motorjev na plin). Encimi pa so edinstveni po svojem mehanizmu katalitičnega delovanja. Delujejo tako, da znižujejo aktivacijsko energijo reakcije brez spreminjanja energijskih stanj reaktantov (vhodi kemijske reakcije) ali produktov (izhodov). Namesto tega ustvarijo bolj gladko pot od reaktantov do izdelkov, tako da zmanjšajo količino energije, ki jo je treba "vložiti", da bi dobili "donos" v obliki izdelkov.
Glede na vlogo encimov in dejstvo, da je bilo veliko teh beljakovin, ki se nahajajo v naravi, uporabljeno za človeško terapevtsko uporabo (en primer je laktaza, encim, ki pomaga pri prebavi mlečnega sladkorja, ki ga telesa milijonov ljudi ne proizvajajo), ne preseneča, da so biologi izoblikovali formalna orodja, s katerimi so lahko ocenili, kako dobro določeni encimi opravljajo svoje delo v danih, znanih pogojih - torej da določijo njihovo katalitično učinkovitost.
Osnove encima
Pomemben atribut encimov je njihova specifičnost. Encimi na splošno služijo kataliziranju le ene od stotih biokemičnih presnovnih reakcij, ki se v človeškem telesu ves čas odvijajo. Tako je mogoče za en encim razmišljati kot zaklep, specifično spojino, na katero deluje, imenovano substrat, pa lahko primerjamo s ključem. Del encima, s katerim substrat deluje, je znan kot aktivno mesto encima.
Encimi kot vsi beljakovine sestavljajo dolge strune aminokislin, od katerih jih je v človeških sistemih približno 20. Aktivna mesta encimov so torej navadno sestavljena iz aminokislinskih ostankov ali kemično nepopolnih kosov določene aminokisline, ki lahko "manjkajo" protonu ali drugemu atomu in imajo zaradi tega neto električni naboj.
Encimi se kritično ne spremenijo v reakcijah, ki jih katalizirajo - vsaj ne po koncu reakcije. Vendar se med samo reakcijo podvržejo začasnim spremembam, kar je nujno, da omogoči nadaljevanje reakcije. Za nadaljevanje analogije ključavnice in ključa, ko substrat "najde" encim, potreben za določeno reakcijo in se veže na aktivno encimsko mesto ("vstavitev ključa"), se encimsko-substratni kompleks spremeni ("obračanje ključa" ") zaradi česar se sprosti na novo oblikovan izdelek.
Encimska kinetika
Medsebojno delovanje substrata, encima in produkta v dani reakciji je lahko predstavljeno na naslednji način:
E + S ⇌ ES → E + PTukaj, E predstavlja encim, S je substrat in P je izdelek. Tako si lahko zamislite, da je postopek podoben grudici modelirne gline (S) postane popolnoma oblikovana posoda (P) pod vplivom človeškega obrtnika (E). Roke obrtnikov lahko veljajo za aktivno mesto "encima", ki ga ta oseba uteleša. Ko postane glina, ki se zbrala, "veže" roke oseb, za čas tvorijo "kompleks", v katerem se glina izoblikuje v drugačno in vnaprej določeno obliko z delovanjem roke, ki se ji pridruži (ES). Potem, ko je skleda v celoti oblikovana in nadaljnje delo ni potrebno, roke (E) sprostite posodo (P), postopek pa je končan.
Zdaj razmislite o puščicah na zgornjem diagramu. Opazili boste, da je korak med E + S in ES ima puščice, ki se premikata v obe smeri, kar pomeni, da se lahko, tako kot se encim in substrat povezujeta, da tvorita encimsko-substratni kompleks, tudi ta kompleks disociira v drugo smer, da sprosti encim in njegov substrat v prvotni obliki.
Enosmerna puščica med ES in Pna drugi strani kaže, da je izdelek P se nikoli ne spoji spontano z encimom, ki je odgovoren za njegovo tvorbo. To je smiselno glede na prej omenjeno specifičnost encimov: Če se encim veže na določen substrat, potem se ne veže tudi na nastali produkt ali drugače, da bi bil encim potem specifičen za dva substrata in zato sploh ni specifičen. Tudi z vidika zdravega razuma ne bi imelo smisla, da bi en encim naredil ugodnejše delovanje pri oboje navodila; to bi bil kot avto, ki se z enako lahkoto vozi po gorskih in navzdol.
Stopnje konstante
Zamislite splošno reakcijo v prejšnjem razdelku kot vsoto treh različnih konkurenčnih reakcij, ki so:
1) ; E + S → ES 2) ; ES → E + S 3) ; ES → E + PVsaka od teh posameznih reakcij ima svojo konstanto hitrosti, kar pomeni, kako hitro se določena reakcija začne. Te konstante so značilne za posamezne reakcije in so bile eksperimentalno določene in preverjene za veliko različnih skupin substrat-plus-encim in encim-substrat kompleks-plus-produkti. Lahko jih napišemo na različne načine, običajno pa je konstanta hitrosti za reakcijo 1) zgoraj izražena kot k1, tisto od 2) kot k-1, in to od 3) kot k2 (to se včasih piše kmačka).
Konstantnost in učinkovitost encima Michaelis
Brez potapljanja v računu, ki je potreben za pridobitev nekaterih enačb, ki sledijo, boste verjetno videli, da je hitrost nabiranja izdelka, v, je funkcija konstante hitrosti za to reakcijo, k2in koncentracija ES prisoten, izražen kot. Višja kot je konstanta hitrosti in bolj je prisoten substrat-encimski kompleks, hitreje se kopiči končni produkt reakcije. Zato:
v = k_2Vendar spomnite, da poleg reakcije, ki ustvarja izdelek, še dve reakciji P se pojavljajo hkrati. Ena od teh je tvorba ES iz njegovih sestavnih delov E in S, medtem ko je druga enaka reakciji v obratni smeri. Ob vse te informacije skupaj in razumevanje, da stopnja nastajanja ES mora biti enaka hitrosti izginotja (z dvema nasprotujočima si procesoma)
k_1 = k_2 + k _ {- 1}Obe pojmi delimo s k1 donosi
= {(k_2 + k _ {- 1}) nad {1pt} k_1}Ker so vsi "k"izrazi v tej enačbi so konstante, jih je mogoče združiti v eno samo konstanto, KM:
K_M = {(k_2 + k _ {- 1}) nad {1pt} k_1}To omogoča, da se napiše zgornja enačba
= K_MKM je znana kot Michaelisova stalnica. To je mogoče razumeti kot merilo, kako hitro izgine kompleks encima-substrata, če kombinacija postane nepovezana in nastaja nov izdelek.
Če se vrnemo k enačbi za hitrost tvorbe izdelka, v = k2, zamenjava daje:
v = Bigg ({k_2 zgoraj {1pt} K_M} Bigg)Izraz v oklepajih, k2/KM, je znana kot konstanta specifičnosti _, _ imenovana tudi kinetična učinkovitost. Po vsej tej mučni algebri imate končno izraz, ki ocenjuje katalitično učinkovitost ali encimsko učinkovitost dane reakcije. Konstanto lahko izračunate neposredno iz koncentracije encima, koncentracije substrata in hitrosti tvorbe izdelka, tako da se preuredite na:
Bigg ({k_2 zgoraj {1pt} K_M} Bigg) = {v zgoraj {1pt}}