Kuidas arvutada katalüütilist efektiivsust

Sisu

• Ensüümi põhitõed
• Ensüümi kineetika
• Hinnake konstante
• Michaeli konstant ja ensüümi efektiivsus

Ensüümid on bioloogiliste süsteemide valgud, mis aitavad kiirendada reaktsioone, mis toimuksid palju aeglasemalt kui ilma ensüümi abita. Sellisena on nad omamoodi katalüsaatoriks. Teistel mittebioloogilistel katalüsaatoritel on oma osa tööstuses ja mujal (näiteks keemilised katalüsaatorid aitavad bensiini põlemisel suurendada gaasimootorite võimekust). Ensüümid on katalüütilise toime mehhanismi poolest ainulaadsed. Need töötavad, vähendades reaktsiooni aktiveerimisenergiat, muutmata reagentide (keemilise reaktsiooni sisendid) või toodete (väljundid) energiasisaldust. Selle asemel loovad need tegelikult sujuvama suuna reagentidelt toodetele, vähendades energiakogust, mis tuleb "investeerida", et saada toodete kujul "tulu".

Arvestades ensüümide rolli ja tõsiasja, et paljud neist looduslikult esinevatest valkudest on valitud ka inimeste terapeutiliseks kasutamiseks (üheks näiteks on laktaas, ensüüm, mis aitab piimasuhkru lagundamisel ja mida miljonite inimeste kehad ei suuda toota), pole üllatav, et bioloogid on välja töötanud ametlikud tööriistad, et hinnata, kui hästi spetsiifilised ensüümid töötavad antud tingimustel teadaolevatel tingimustel - see tähendab, et määrata nende katalüütiline efektiivsus.

Ensüümi põhitõed

Ensüümide oluline atribuut on nende eripära. Ensüümid, üldiselt, katalüüsivad vaid ühte sadadest biokeemilistest metaboolsetest reaktsioonidest, mis inimkehas igal ajal toimuvad. Seega võib antud ensüümi pidada lukuks ja konkreetset ühendit, millel see toimib, mida nimetatakse substraadiks, saab võrrelda võtmega. Ensüümi seda osa, millega substraat interakteerub, nimetatakse ensüümi aktiivseks saidiks.

Ensüümid, nagu kõik valgud, koosnevad pikkadest aminohapete ahelatest, millest inimese süsteemis on umbes 20. Ensüümide aktiivsed saidid koosnevad seetõttu tavaliselt aminohappejääkidest või antud aminohappe keemiliselt mittetäielikest tükkidest, millel võib olla prooton või muu aatom "puudu" ja mille tagajärjel on neto elektrilaeng.

Ensüüme kriitiliselt ei muudeta nende katalüüsitavates reaktsioonides - vähemalt mitte pärast reaktsiooni lõppu. Kuid need toimuvad reaktsiooni ajal ajutiselt, mis on vajalik toimuva reaktsiooni jätkumiseks. Lukustus-ja -võtme-analoogia edasiseks kandmiseks, kui substraat "leiab" antud reaktsiooniks vajaliku ensüümi ja seob end ensüümide aktiivse saidiga ("võtme sisestamine"), toimub ensüümi-substraadi kompleksis muutused ("võtme pööramine") ") mille tulemuseks on värskelt moodustatud toote vabastamine.

Ensüümi kineetika

Substraadi, ensüümi ja produkti interaktsiooni antud reaktsioonis saab kirjeldada järgmiselt:

E + S ⇌ ES → E + P

Siin E tähistab ensüümi, S on substraat ja Lk on toode. Nii võite seda protsessi ette kujutada kui lõdvalt sarnast modelleerimise saviga (S) täielikult vormitud kausiks (Lk) inimese käsitöölise mõjul (E). Käsitööliste käsi võib pidada selle inimese ensüümi aktiivseks saidiks. Kui ühekordne savi "seotakse" inimeste kätega, moodustavad need mõneks ajaks "kompleksi", mille käigus vormitakse savi käega, millega see on ühendatud, teistsuguseks ja etteantud kujuks (ES). Siis, kui kauss on täielikult vormitud ja pole vaja enam tööd teha, käed (E) vabastage kauss (Lk) ja protsess on lõpule viidud.

Nüüd kaaluge ülaltoodud diagrammi nooli. Peate märkima, et samm vahel E + S ja ES sellel on mõlemas suunas liikuvad nooled, mis viitavad sellele, et nii nagu ensüüm ja substraat võivad omavahel siduda, moodustades ensüümi-substraadi kompleksi, võib see kompleks dissotsieeruda teises suunas, vabastades ensüümi ja selle substraadi algsel kujul.

Ühesuunaline nool vahel ES ja Lkteisest küljest näitab, et toode Lk ei ühine kunagi spontaanselt selle loomise eest vastutava ensüümiga. See on mõistlik, pidades silmas ensüümide varem märgitud spetsiifilisust: kui ensüüm seondub antud substraadiga, siis ei seondu see ka saadud produktiga või muidu on see ensüüm kahe substraadi suhtes spetsiifiline ja seega üldse mitte spetsiifiline. Samuti ei oleks mõistuse seisukohast mõistlik, kui antud ensüüm muudaks antud reaktsiooni soodsamalt mõlemad juhised; see oleks nagu auto, mis veereb nii üles- kui ka allamäge võrdse kergusega.

Hinnake konstante

Mõelge eelmises jaotises esitatud üldreaktsioonile kolme erineva konkureeriva reaktsiooni summana, mis on:

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

Igal neist individuaalsetest reaktsioonidest on oma kiiruskonstant, mis näitab, kui kiiresti antud reaktsioon kulgeb. Need konstandid on spetsiifilised konkreetsetele reaktsioonidele ja neid on eksperimentaalselt määratud ja kontrollitud paljude substraadi pluss-ensüümide ja ensüümi-substraadi kompleksi-pluss-toote rühmade arvu korral. Neid saab kirjutada mitmel viisil, kuid üldiselt väljendatakse ülaltoodud reaktsiooni 1) kiiruskonstanti järgmiselt: k₁, 2) kui k_-1ja 3) kui k₂ (seda kirjutatakse mõnikord k_kass).

Michaeli konstant ja ensüümi efektiivsus

Ilma sukeldumata arvutusse, mis on vajalik mõne järgneva võrrandi tuletamiseks, näete tõenäoliselt, et kiirus, mille juures toode koguneb, v, on selle reaktsiooni kiiruskonstandi funktsioon, k₂ja kontsentratsioon ES kohal, väljendatuna kujul. Mida suurem on kiiruskonstant ja mida rohkem substraat-ensüümide kompleksi on, seda kiiremini reaktsiooni lõppsaadus koguneb. Seetõttu:

v = k_2

Kuid tuletage meelde, et peale toote loova toote on veel kaks reaktsiooni Lk esinevad samal ajal. Üks neist on ES selle komponentidest E ja S, samas kui teine ​​on sama reaktsioon vastupidine. Võttes kogu selle teabe kokku ja mõistes, et ES peab võrduma selle kadumise määraga (kahe vastandliku protsessi kaudu), teil on

k_1 = k_2 + k _ {- 1}

Mõlema termini jagamine k₁ saagikus

= {(k_2 + k _ {- 1}) ülal {1pt} k_1}

Kuna kõik "k"selle võrrandi terminid on konstandid, neid saab ühendada üheks konstandiks, K_M:

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

See võimaldab ülaltoodud võrrandi kirjutada

= K_M

K_M on tuntud kui Michaeli konstant. Seda võib pidada mõõtmiseks, kui kiiresti ensüümi-substraadi kompleks kaob tänu sidumata ja uue toote moodustumise kombinatsioonile.

Tulles tagasi toote moodustumise kiiruse võrrandisse, v = k₂, asendamine annab:

v = Bigg ({k_2 ülal {1pt} K_M} Bigg)

Väljend sulgudes, k₂/K_M, nimetatakse spetsiifilisuskonstandiks _, _, mida nimetatakse ka kineetiliseks efektiivsuseks. Pärast kogu seda tüütut algebrat on teil lõpuks avaldis, mis hindab antud reaktsiooni katalüütilist või ensüümi efektiivsust. Konstandi saate arvutada otse ensüümi kontsentratsiooni, substraadi kontsentratsiooni ja saaduse moodustumise kiiruse põhjal, paigutades ümber:

Bigg ({k_2 ülal {1pt} K_M} Bigg) = {v kohal {1pt}}