כיצד לחשב את היעילות הקטליטית

תוֹכֶן

• יסודות אנזים
• אנזים קינטיקה
• דרג קבועים
• יעילות האנזים מייקליס

אנזימים הם חלבונים במערכות ביולוגיות המסייעות להאיץ את התגובות שאחרת היו מתרחשות הרבה יותר לאט מאשר ללא עזרת האנזים. ככאלה, הם סוג של זרז. זרזים אחרים שאינם ביולוגיים ממלאים תפקיד בתעשייה ובמקומות אחרים (למשל, זרזים כימיים מסייעים בעירה של בנזין כדי לשפר את יכולותיהם של מנועי דלק). אנזימים, לעומת זאת, ייחודיים במנגנון הפעולה הקטליטי שלהם. הם פועלים על ידי הורדת אנרגיית ההפעלה של תגובה מבלי לשנות את מצבי האנרגיה של המגיבים (התשומות של תגובה כימית) או את התוצרים (התפוקות). במקום זאת הם למעשה יוצרים מסלול חלק יותר מגיבים למוצרים על ידי הפחתת כמות האנרגיה שצריך "להשקיע" בכדי לקבל "החזר" בצורה של מוצרים.

בהתחשב בתפקיד האנזימים והעובדה שרבים מחלבונים אלה המופיעים באופן טבעי, נבחרו לשימוש טיפולי אנושי (דוגמא אחת היא לקטאז, האנזים המסייע בעיכול סוכר החלב שמיליוני גופי עמים אינם מצליחים לייצר), אין זה מפתיע שביולוגים גילו כלים פורמליים כדי להעריך עד כמה אנזימים ספציפיים מבצעים את עבודתם בתנאים ידועים, כלומר - לקבוע את היעילות הקטליטית שלהם.

יסודות אנזים

תכונה חשובה של אנזימים היא הספציפיות שלהם. באופן כללי, אנזימים משמשים לזרז רק אחת ממאות התגובות המטבוליות הביוכימיות הנפרשות בגוף האדם בכל עת. כך ניתן לחשוב על אנזים נתון כמנעול, וניתן לדמות את התרכובת הספציפית עליה הוא פועל, המכונה מצע, למפתח. החלק של האנזים שאיתו מתקשרת מצע ידוע כאתר הפעיל של האנזים.

אנזימים, כמו כל החלבונים, מורכבים ממחרוזות ארוכות של חומצות אמינו, מהן יש כ -20 במערכות אנושיות. האתרים הפעילים של אנזימים מורכבים אפוא בדרך כלל משאריות של חומצות אמינו, או נתחים כימיים לא שלמים של חומצת אמינו נתונה, שעשויים "חסרים" פרוטון או אטום אחר ונושאים מטען חשמלי נטו כתוצאה מכך.

אנזימים, באופן קריטי, לא משתנים בתגובות שהם מזרזים - לפחות לא לאחר סיום התגובה. אולם הם עוברים שינויים זמניים במהלך התגובה עצמה, תפקיד הכרחי בכדי לאפשר לתגובה העומדת להתקיים. כדי להמשיך את אנלוגיית הנעילה והמפתח, כאשר מצע "מוצא" את האנזים הנדרש לתגובה נתונה ונקשר לאתר הפעיל באנזימים ("החדרת המפתח"), מתחם האנזים-מצע עובר שינויים ("סיבוב מפתחות" ") התוצאה היא פרסום מוצר שהוקם לאחרונה.

אנזים קינטיקה

ניתן לייצג את האינטראקציה של המצע, האנזים והמוצר בתגובה נתונה באופן הבא:

E + S ⇌ ES → E + P

פה, ה מייצג את האנזים, ס הוא המצע, ו ע הוא המוצר. לפיכך, אתם עשויים לדמיין את התהליך בדומה באופן רופף לגוש חימר דוגמנות (ס) להפוך לקערה מעוצבת במלואה (ע) תחת השפעתו של אומן אנושי (ה). ניתן לחשוב על ידי בעלי המלאכה כאתר הפעיל של "האנזים" שמגלם אדם זה. כאשר החימר הגוש הופך "כבול" לידיים של האנשים, הם יוצרים "מורכבים" לזמן מה, שבמהלכו עוברים את החימר לצורה שונה וקבועה מראש על ידי פעולת היד שאליה היא מחוברת (ES). ואז, כאשר הקערה מעוצבת במלואה ולא נדרשת עבודה נוספת, הידיים (ה) שחרר את הקערה (ע) והתהליך הושלם.

כעת שקלו את החצים בתרשים לעיל. תבחין כי השלב בין ה + ס ו ES יש חיצים הנעים לשני הכיוונים, ומרמזים שכמו שהאנזים והמצע יכולים להיקשר זה לזה ליצירת קומפלקס אנזים-מצע, מתחם זה יכול להתנתק בכיוון השני כדי לשחרר את האנזים ואת המצע שלו בצורתם המקורית.

החץ החד כיווני בין ES ו עלעומת זאת, מראה כי המוצר ע אף פעם לא מצטרף באופן ספונטני לאנזים האחראי ליצירתו. זה הגיוני לאור הספציפיות שצוינה בעבר של אנזימים: אם אנזים נקשר למצע נתון, אז הוא לא נקשר גם למוצר המתקבל או אחרת, אז אנזים יהיה ספציפי לשני מצעים ומכאן לא ספציפי בכלל. כמו כן, מבחינה של השכל הישר, אין זה הגיוני שאנזים נתון יביא לתגובה נתונה לעבוד בצורה טובה יותר שניהם כיוונים; זה יהיה כמו מכונית שמתגלגלת בעלייה וירידה גם יחד באותה קלות.

דרג קבועים

חשוב על התגובה הכללית בסעיף הקודם כסכום של שלוש תגובות מתחרות שונות, שהן:

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

לכל אחת מהתגובות האינדיבידואליות הללו יש קצב קבוע משלה, מדד לאופן המהירות של תגובה נתונה. קבועים אלה הם ספציפיים לתגובות מסוימות, והם נקבעו ואומתו בניסוי לשפע של קבוצות מצע-פלוס-אנזים שונות וקבוצות-מוצר-מורכבים-אנזים-מצעיים. ניתן לכתוב אותם במגוון דרכים, אך באופן כללי, קביעת הקצב לתגובה 1) לעיל מתבטאת כ k₁, זה של 2) כמו k_-1, וזה של 3) כ k₂ (זה לפעמים כתוב k_חתול).

יעילות האנזים מייקליס

מבלי לצלול לחישוב הנדרש כדי לגזור חלק מהמשוואות שאחריו, אתה בטח יכול לראות שהמהירות בה המוצר מצטבר, v, היא פונקציה של קצב הקצב לתגובה זו, k₂, והריכוז של ES הווה, מבוטא כ. ככל שקצב הקצב גבוה יותר וקומפלקס המצע האנזים רב יותר קיים, כך מהר יותר מצטבר התוצר האולטימטיבי של התגובה. לכן:

v = k_2

עם זאת, זכרו ששתי תגובות נוספות מלבד זו שיוצרת את המוצר ע מתרחשים בעת ובעונה אחת. אחד מאלה הוא היווצרות של ES ממרכיביו ה ו סבעוד שהשני הוא אותה תגובה הפוכה. לקיחת כל המידע הזה יחד ולהבנה שקצב היווצרותו של ES עליך להיות שווה לשיעור ההיעלמות שלו (על ידי שני תהליכים מנוגדים)

k_1 = k_2 + k _ {- 1}

חלוקת שני המונחים לפי k₁ תשואות

= {(k_2 + k _ {- 1}) מעל {1pt} k_1}

מכיוון שכל "k"מונחים במשוואה זו הם קבועים, ניתן לשלב אותם לקבוע אחד, ק_M:

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

זה מאפשר לכתוב את המשוואה לעיל

= K_M

ק_M ידוע כקבוע מיכאליס. אפשר לראות בכך מידה של כמה מהר מתחם המצע האנזים נעלם באמצעות השילוב בין היווצרות מוצר בלתי מוגבל ומוצר חדש.

לחזור למשוואה למהירות היווצרות המוצר, v = k₂, החלפה נותנת:

v = Bigg ({k_2 מעל {1pt} K_M} Bigg)

הביטוי בסוגריים, k₂/ק_M, נקרא קבוע הספציפיות _, _ נקרא גם היעילות הקינטית. אחרי כל האלגברה המציקה הזו, סוף סוף יש לך ביטוי המעריך את היעילות הקטליטית, או היעילות האנזים, של תגובה נתונה. אתה יכול לחשב את הקבוע ישירות מריכוז האנזים, ריכוז המצע ומהירות היווצרות המוצר על ידי סידור מחדש ל:

Bigg ({k_2 מעל {1pt} K_M} Bigg) = {v מעל {1pt}}