Содержание
Ферменты - это белки в биологических системах, которые помогают ускорить реакции, которые в противном случае происходили бы намного медленнее, чем без помощи фермента. Как таковые, они являются своего рода катализатором. Другие небиологические катализаторы играют роль в промышленности и в других местах (например, химические катализаторы способствуют сжиганию бензина, расширяя возможности газовых двигателей). Ферменты, однако, уникальны по своему механизму каталитического действия. Они работают путем понижения энергии активации реакции без изменения энергетических состояний реагентов (входы химической реакции) или продуктов (выходы). Вместо этого они фактически создают более плавный путь от реагентов к продуктам, снижая количество энергии, которое необходимо «инвестировать», чтобы получить «возврат» в виде продуктов.
Учитывая роль ферментов и тот факт, что многие из этих природных белков были использованы для терапевтического использования человеком (одним из примеров является лактаза, фермент, способствующий перевариванию молочного сахара, который не могут производить тела миллионов людей), неудивительно, что биологи придумали формальные инструменты для оценки того, насколько хорошо конкретные ферменты выполняют свою работу в данных известных условиях, то есть определяют их каталитическую эффективность.
Основы фермента
Важным атрибутом ферментов является их специфичность. Вообще говоря, ферменты служат катализатором только одной из сотен биохимических метаболических реакций, которые постоянно разворачиваются в организме человека. Таким образом, данный фермент может считаться замком, а конкретное соединение, на которое он действует, называется субстратом, его можно сравнить с ключом. Часть фермента, с которой взаимодействует субстрат, называется активным центром фермента.
Ферменты, как и все белки, состоят из длинных цепочек аминокислот, которых в человеческих системах насчитывается около 20. Следовательно, активные центры ферментов обычно состоят из аминокислотных остатков или химически неполных фрагментов данной аминокислоты, которые могут «пропустить» протон или другой атом и в результате нести суммарный электрический заряд.
Критически важные ферменты не изменяются в реакциях, которые они катализируют, - по крайней мере, после окончания реакции. Но они претерпевают временные изменения во время самой реакции, что является необходимой функцией, позволяющей протекать реакции под рукой. Чтобы продолжить аналогию с замком и ключом, когда субстрат «находит» фермент, необходимый для данной реакции, и связывается с активным сайтом фермента («вставка ключа»), комплекс фермент-субстрат претерпевает изменения («поворот ключа»). "), что приводит к выпуску недавно сформированного продукта.
Фермент Кинетика
Взаимодействие субстрата, фермента и продукта в данной реакции может быть представлено следующим образом:
E + S ⇌ ES → E + PВот, Е представляет собой фермент, S является подложкой, и п это продукт. Таким образом, вы можете представить процесс как слабо похожий на кусок лепки из глины (S) становится полностью сформированной чашей (ппод влиянием человека-ремесленника (Е). Руки ремесленника можно рассматривать как активный сайт "фермента", который воплощает этот человек. Когда кусковая глина становится «связанной» с руками людей, они образуют «комплекс» на время, в течение которого глина превращается в другую и заданную форму под действием руки, с которой она соединяется (ES). Затем, когда чаша полностью сформирована и больше не требуется никакой работы, руки (Е) отпустите миску (п), и процесс завершен.
Теперь рассмотрим стрелки на рисунке выше. Вы заметите, что шаг между Е + S а также ES имеет стрелки, движущиеся в обоих направлениях, подразумевая, что подобно тому, как фермент и субстрат могут связываться вместе, образуя комплекс энзим-субстрат, этот комплекс может диссоциировать в другом направлении, высвобождая фермент и его субстрат в их исходных формах.
Однонаправленная стрелка между ES а также пс другой стороны, показывает, что продукт п никогда не спонтанно соединяется с ферментом, ответственным за его создание. Это имеет смысл в свете ранее отмеченной специфичности ферментов: если фермент связывается с данным субстратом, то он также не связывается с полученным продуктом, иначе фермент будет специфичным для двух субстратов и, следовательно, вообще не специфичным. Кроме того, с точки зрения здравого смысла, не имеет смысла для данного фермента заставить данную реакцию работать более благоприятно в обе направления; это было бы как машина, которая катится как в гору, так и в гору с одинаковой легкостью.
Константы скорости
Думайте об общей реакции в предыдущем разделе как о сумме трех различных конкурирующих реакций, которые:
1) ; E + S → ES 2) ; ES → E + S 3) ; ES → E + PКаждая из этих индивидуальных реакций имеет свою собственную константу скорости, меру того, как быстро протекает данная реакция. Эти константы специфичны для конкретных реакций и были экспериментально определены и проверены для множества различных групп субстрат-плюс-фермент и комплекс фермент-субстрат-плюс-продукт. Они могут быть записаны различными способами, но, как правило, константа скорости для реакции 1) выше выражается как К12) как К-1и 3) как К2 (это иногда пишется Ккошка).
Константа Михаэлиса и эффективность ферментов
Не углубляясь в исчисление, необходимое для выведения некоторых из следующих уравнений, вы, вероятно, увидите, что скорость, с которой накапливается произведение, vявляется функцией константы скорости для этой реакции, К2и концентрация ES настоящее, выражается как. Чем выше константа скорости и чем больше субстрат-ферментный комплекс присутствует, тем быстрее накапливается конечный продукт реакции. Следовательно:
v = k_2Тем не менее, напомним, что две другие реакции, кроме той, которая создает продукт п происходят в то же время. Одним из них является формирование ES из его компонентов Е а также Sв то время как у других такая же реакция обратная. Принимая всю эту информацию вместе, и понимая, что скорость формирования ES должны равняться скорости исчезновения (двумя противоположными процессами), у вас есть
k_1 = k_2 + k _ {- 1}Разделив оба термина на К1 доходность
= {(k_2 + k _ {- 1}) выше {1pt} k_1}Так как всеКТермины в этом уравнении являются константами, их можно объединить в одну константу, КM:
K_M = {(k_2 + k _ {- 1}) выше {1pt} k_1}Это позволяет записать приведенное выше уравнение
= К_МКM известен как константа Михаэлиса. Это можно рассматривать как меру того, как быстро комплекс энзим-субстрат исчезает благодаря комбинации несвязанности и образования нового продукта.
Возвращаясь к уравнению скорости образования продукта, v = К2Замена дает:
v = Bigg ({k_2 выше {1pt} K_M} Bigg)Выражение в скобках, К2/КM, известный как константа специфичности _, также называемая кинетической эффективностью. После всей этой надоедливой алгебры, у вас наконец есть выражение, которое оценивает каталитическую эффективность или эффективность фермента данной реакции. Вы можете рассчитать константу непосредственно из концентрации фермента, концентрации субстрата и скорости образования продукта, переставив:
Bigg ({k_2 above {1pt} K_M} Bigg) = {v вышеуказанный {1pt}}