วิธีการคำนวณประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยา

เนื้อหา

• ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับเอนไซม์
• จลนพลศาสตร์ของเอนไซม์
• อัตราคงที่
• Michaelis คงที่และประสิทธิภาพของเอนไซม์

เอนไซม์เป็นโปรตีนในระบบชีวภาพที่ช่วยเร่งความเร็วในการเกิดปฏิกิริยาที่อาจเกิดขึ้นช้ากว่าโดยไม่ต้องใช้เอนไซม์ เช่นนี้พวกมันเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาอื่นที่ไม่ใช่ชีวภาพมีบทบาทในอุตสาหกรรมและที่อื่น ๆ (ตัวอย่างเช่นตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีช่วยในการเผาไหม้น้ำมันเบนซินเพื่อเพิ่มความสามารถของเครื่องยนต์ที่ใช้พลังงานจากก๊าซ) อย่างไรก็ตามเอนไซม์นั้นมีความพิเศษในกลไกการเร่งปฏิกิริยา พวกมันทำงานโดยการลดพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาโดยไม่เปลี่ยนสถานะพลังงานของสารตั้งต้น (อินพุตของปฏิกิริยาเคมี) หรือผลิตภัณฑ์ (ผลผลิต) แต่พวกมันสร้างเส้นทางที่นุ่มนวลกว่าจากสารตั้งต้นไปจนถึงผลิตภัณฑ์โดยลดปริมาณพลังงานที่ต้อง "ลงทุน" เพื่อรับ "คืน" ในรูปแบบของผลิตภัณฑ์

เมื่อพิจารณาถึงบทบาทของเอนไซม์และความจริงที่ว่าโปรตีนที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเหล่านี้ได้ถูกเลือกใช้ร่วมกับการรักษาโรคของมนุษย์ (ตัวอย่างหนึ่งคือ lactase, เอนไซม์ที่ช่วยในการย่อยน้ำตาลนมที่ร่างกายคนนับล้านไม่สามารถผลิต) ไม่น่าแปลกใจที่นักชีววิทยาได้ใช้เครื่องมืออย่างเป็นทางการในการประเมินว่าเอนไซม์เฉพาะเจาะจงทำงานภายใต้เงื่อนไขที่กำหนดหรือที่รู้จักกันดีนั่นคือกำหนดประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยา

ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับเอนไซม์

คุณลักษณะที่สำคัญของเอนไซม์คือความจำเพาะ เอนไซม์โดยทั่วไปใช้เพื่อกระตุ้นปฏิกิริยาเมตาบอลิซึมทางชีวเคมีเพียงหนึ่งในร้อยที่แพร่กระจายภายในร่างกายมนุษย์ตลอดเวลา ดังนั้นเอนไซม์ที่ให้อาจถูกคิดว่าเป็นล็อคและสารประกอบเฉพาะที่มันทำหน้าที่เรียกว่าสารตั้งต้นสามารถเปรียบกับคีย์ได้ ส่วนของเอ็นไซม์ซึ่งสารตั้งต้นนั้นเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นแอคทีฟไซต์ของเอนไซม์

เอนไซม์เช่นโปรตีนทั้งหมดประกอบด้วยกรดอะมิโนที่มีความยาวซึ่งมีอยู่ประมาณ 20 ชนิดในระบบของมนุษย์ ไซต์ที่ใช้งานของเอนไซม์จึงมักจะประกอบด้วยกรดอะมิโนตกค้างหรือชิ้นส่วนที่ไม่สมบูรณ์ทางเคมีของกรดอะมิโนที่กำหนดซึ่งอาจเป็น "หายไป" โปรตอนหรืออะตอมอื่น ๆ และดำเนินการประจุไฟฟ้าสุทธิ

เอนไซม์, ช่วงวิกฤต, จะไม่เปลี่ยนแปลงในปฏิกิริยาที่พวกเขาเร่งปฏิกิริยา - อย่างน้อยก็ไม่ได้หลังจากปฏิกิริยาสิ้นสุดลง แต่พวกเขาจะได้รับการเปลี่ยนแปลงชั่วคราวในระหว่างการทำปฏิกิริยาซึ่งเป็นฟังก์ชั่นที่จำเป็นในการอนุญาตให้ทำปฏิกิริยาต่อไป เพื่อดำเนินการเปรียบเทียบการล็อคและคีย์เพิ่มเติมเมื่อสารตั้งต้น "พบ" เอนไซม์ที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาที่กำหนดและผูกกับไซต์ที่ใช้งานของเอนไซม์ ("การแทรกกุญแจ"), สารตั้งต้นที่ซับซ้อนของเอนไซม์จะเปลี่ยนไป ") ผลลัพธ์ในการเปิดตัวผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นใหม่

จลนพลศาสตร์ของเอนไซม์

การทำงานร่วมกันของสารตั้งต้นเอนไซม์และผลิตภัณฑ์ในปฏิกิริยาที่กำหนดสามารถแสดงได้ดังนี้:

E + S ⇌ ES → E + P

ที่นี่ E แสดงถึงเอนไซม์ S เป็นพื้นผิวและ P เป็นผลิตภัณฑ์ ดังนั้นคุณอาจจินตนาการถึงกระบวนการที่คล้ายกับก้อนดินจำลองS) กลายเป็นชามเต็มรูปแบบ (P) ภายใต้อิทธิพลของช่างฝีมือมนุษย์ (E) มือของช่างฝีมืออาจถูกมองว่าเป็นเว็บไซต์ที่ใช้งานได้ของ "เอนไซม์" บุคคลนี้ได้รวมเอาไว้ เมื่อก้อนดินเหนียวกลายเป็น "ผูก" กับมือของบุคคลพวกเขากลายเป็น "ซับซ้อน" ในช่วงเวลาที่ดินถูกหล่อหลอมเป็นรูปแบบที่แตกต่างและกำหนดไว้ล่วงหน้าโดยการกระทำของมือที่จะเข้าร่วม (ES) จากนั้นเมื่อชามมีรูปร่างสมบูรณ์และไม่จำเป็นต้องทำงานเพิ่มเติมมือ (E) ปล่อยชาม (P) และกระบวนการเสร็จสมบูรณ์

พิจารณาลูกศรในแผนภาพด้านบน คุณจะสังเกตเห็นว่าขั้นตอนระหว่าง E + S และ ES มีลูกศรเคลื่อนที่ทั้งสองทิศทางซึ่งหมายความว่าเมื่อเอนไซม์และสารตั้งต้นสามารถจับยึดเข้าด้วยกันเพื่อก่อให้เกิดเอนไซม์ - สารตั้งต้นที่ซับซ้อนคอมเพล็กซ์นี้สามารถแยกตัวออกจากกันในทิศทางอื่นเพื่อปลดปล่อยเอนไซม์

ลูกศรทิศทางเดียวระหว่าง ES และ Pในทางกลับกันแสดงให้เห็นว่าผลิตภัณฑ์ P ไม่เคยเข้าร่วมกับเอนไซม์ที่รับผิดชอบในการสร้างตามธรรมชาติ สิ่งนี้สมเหตุสมผลในแง่ของความจำเพาะของเอนไซม์ที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้: หากเอนไซม์จับกับสารตั้งต้นที่ระบุมันจะไม่จับกับผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นหรืออื่น ๆ ที่เอนไซม์นั้นจะมีความเฉพาะเจาะจงสำหรับสารตั้งต้นสองชนิด ยิ่งไปกว่านั้นจากมุมมองที่ใช้กันทั่วไปมันจะไม่สมเหตุสมผลที่เอนไซม์ที่ให้มาจะทำให้ปฏิกิริยาที่ให้นั้นทำงานได้ดีกว่า ทั้งสอง ทิศทาง; นี่จะเป็นเหมือนรถที่หมุนได้ทั้งขึ้นเนินและลงเนินได้อย่างง่ายดายเท่ากัน

อัตราคงที่

คิดว่าปฏิกิริยาทั่วไปในส่วนก่อนหน้าเป็นผลรวมของสามปฏิกิริยาการแข่งขันที่แตกต่างกันคือ:

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

ปฏิกิริยาแต่ละอย่างเหล่านี้มีค่าคงที่อัตราของมันเองเป็นการวัดว่าปฏิกิริยาที่ได้รับนั้นดำเนินไปอย่างรวดเร็วเพียงใด ค่าคงที่เหล่านี้มีความเฉพาะเจาะจงต่อปฏิกิริยาเฉพาะและได้รับการพิจารณาทดลองและตรวจสอบความหลากหลายของสารตั้งต้น - บวก - เอนไซม์และเอนไซม์ - สารตั้งต้นซับซ้อน - บวก - จัดกลุ่มผลิตภัณฑ์ พวกเขาสามารถเขียนได้หลายวิธี แต่โดยทั่วไปอัตราคงที่สำหรับปฏิกิริยา 1) ข้างต้นจะแสดงเป็น k₁, ของ 2) เป็น k_-1และของ 3) เป็น k₂ (บางครั้งเขียนนี่ k_แมว).

Michaelis คงที่และประสิทธิภาพของเอนไซม์

หากไม่มีการดำน้ำเข้าไปในแคลคูลัสจำเป็นต้องได้รับสมการบางอย่างที่ตามมาคุณอาจเห็นได้ว่าความเร็วที่ผลิตภัณฑ์สะสม โวลต์เป็นฟังก์ชันของค่าคงที่อัตราสำหรับปฏิกิริยานี้ k₂และความเข้มข้นของ ES ปัจจุบันแสดงเป็น ยิ่งอัตราคงที่สูงขึ้นและมีความซับซ้อนของสารตั้งต้น - เอนไซม์มากขึ้นเท่าไรผลผลิตที่เกิดปฏิกิริยาก็จะสะสมมากขึ้น ดังนั้น:

v = k_2

อย่างไรก็ตามโปรดจำไว้ว่าอีกสองปฏิกิริยานอกเหนือจากปฏิกิริยาที่สร้างผลิตภัณฑ์ P กำลังเกิดขึ้นในเวลาเดียวกัน หนึ่งในนั้นคือการก่อตัวของ ES จากส่วนประกอบ E และ Sในขณะที่คนอื่น ๆ เป็นปฏิกิริยาเดียวกันในสิ่งที่ตรงกันข้าม นำข้อมูลทั้งหมดนี้มารวมกันและเข้าใจว่าอัตราการก่อตัวของ ES ต้องเท่ากับอัตราการหายตัวไป (โดยกระบวนการที่เป็นปฏิปักษ์สองกระบวนการ) คุณมี

k_1 = k_2 + k _ {- 1}

หารทั้งสองคำด้วย k₁ อัตราผลตอบแทน

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

เนื่องจากทั้งหมด "k"เงื่อนไขในสมการนี้คือค่าคงที่พวกมันสามารถรวมกันเป็นค่าคงที่เดียวได้ K_M:

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

สิ่งนี้ยอมให้เขียนสมการข้างต้น

= K_M

K_M เรียกว่าค่าคง Michaelis สิ่งนี้ถือได้ว่าเป็นการวัดความซับซ้อนของเอนไซม์และสารตั้งต้นที่หายไปอย่างรวดเร็วผ่านการรวมกันของการกลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่ไม่ได้ผูกและเกิดขึ้นใหม่

ย้อนกลับไปที่สมการสำหรับความเร็วของการสร้างผลิตภัณฑ์ โวลต์ = k₂การทดแทนให้:

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

การแสดงออกในวงเล็บ k₂/K_Mเป็นที่รู้จักกันในชื่อค่าคงที่จำเพาะ _, _ หรือที่เรียกว่าประสิทธิภาพการเคลื่อนไหว หลังจากพีชคณิตน่ารำคาญนี้ในที่สุดคุณก็มีนิพจน์ที่ประเมินประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาหรือประสิทธิภาพของเอนไซม์ของปฏิกิริยาที่กำหนด คุณสามารถคำนวณค่าคงที่ได้โดยตรงจากความเข้มข้นของเอนไซม์ความเข้มข้นของสารตั้งต้นและความเร็วของการสร้างผลิตภัณฑ์โดยการจัดเรียงใหม่เป็น:

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