2023 Autor: Jake Johnson | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-05-24 23:12
Postoje biološki molekuli sposobni da značajno povećaju brzinu hemijskih reakcija, odnosno nazivaju se katalizatori. Ovi molekuli se općenito nazivaju "enzimi" i (gotovo u potpunosti) su proteini. Poznati neproteinski enzimi su napravljeni od RNK. Enzimi su vrlo specifični: svaki enzim jedva reagira s vrlo ograničenim skupom molekula („njegovi supstrati“). Enzimi ne mijenjaju hemijsku ravnotežu kataliziranih reakcija, oni samo smanjuju njihovu energiju aktivacije.
Najjednostavniji mehanizam koji objašnjava djelovanje enzima je Michaelis-Menten model:
E +S ES --> E + P
U ovom modelu enzim (E) se vezuje za supstrat (S) da bi formirao kompleks enzim-supstrat (ES). Ovo se može ponovo razdvojiti na enzim i slobodni supstrat ili transformisati supstrat u proizvod (P). Kao iu svakoj elementarnoj reakciji (tj. reakciji koja se javlja jednostavnim sudarom između reaktanata), brzina svakog koraka bit će proporcionalna koncentraciji reaktanata u tom koraku. U svakom slučaju, konstanta proporcionalnosti će biti funkcija energije aktivacije tog koraka.
U većini enzima je potvrđeno da se ravnoteža E +S ES postiže vrlo brzo (za nekoliko desetina milisekundi). Jednom kada se postigne ravnoteža, koncentracija ES ostaje konstantna, jer kad god je ES kompleksdisocira na proizvod i slobodni enzim, vrlo se brzo vezuje za novi molekul supstrata, regenerirajući ES kompleks. Pod ovim uslovima očigledno je da je brzina degradacije ES jednaka brzini njegovog formiranja, odnosno:
U principu, nije nam dato da u svakom trenutku znamo kolika će biti koncentracija enzima koji je slobodan ili u obliku supstratnog enzimskog kompleksa. Međutim, znamo da zbir te dvije koncentracije mora biti jednak ukupnoj koncentraciji enzima (Et). Zamjena u (1)
Ako je ograničavajući korak reakcije transformacija ES kompleksa u slobodni enzim i proizvod, brzina enzimske reakcije bi bila:
Izraz se može pojednostaviti ako spojimo sve konstante prisutne u nazivniku u novu konstantu:
, koja je poznata kao Michaelisova konstanta. Kada
što je takođe konstanta disocijacije ES kompleksa. Km je stoga mjera stabilnosti kompleksa enzim-supstrat. Zamjena u izrazu (2) ima oblik:
Kada
, što je prema tome maksimalna brzina enzimske reakcije. Zamjena natrag daje poznati oblik Michaelis-Menten jednadžbe:
Grafikon brzine reakcije kao funkcije koncentracije supstrata je stoga hiperbola, koja je prikazana ispod. Horizontalna asimptota odgovara vmax. Vrijednost Km se također može dobiti putem grafa, jer kada je [S]=KM, Michaelis-Menten jednadžba predviđa da je brzina
Mihaelisova Mentenova konstanta je stoga koncentracija supstrata za koju je brzina reakcije polovina maksimalne brzine.
Učinak kompetitivnih inhibitora na aktivnost enzima
Kompetitivni inhibitor enzima je molekul sposoban da se veže za enzim i spriječi ga da se veže za supstrat
Da bi se to dogodilo, inhibitor se mora vezati za mjesto enzima koje normalno zauzima supstrat (ovo mjesto se naziva “aktivno mjesto”), što je očito moguće samo kada inhibitor ima prilično sličnu hemijsku strukturu na podlogu.
Primjenom matematičkog tretmana analognog gore navedenom, dokazano je da je u prisustvu kompetitivnog inhibitora brzina enzimske reakcije data sa:
Poređenje ove jednadžbe sa Michaelis-Menten jednačinom pokazuje da: u prisustvu kompetitivnog inhibitora, brzina reakcije je niža od one ne-inhibirano (otuda naziv inhibitor).
Koncentracija supstrata za koju je stopa upola manja od maksimalne
En:
Ova vrijednost (nazovimo je KM očigledna) je uvijek veća od vrijednosti KM u odsustvu inhibitora.
Kada
, brzina reakcije asimptotski se približava vmax, baš kao u nesputanoj reakciji.
Učinak nekompetitivnih inhibitora na aktivnost enzima
Nekompetitivni inhibitor enzimske reakcije na supstancu koja se veže za enzim na mestu koje nije aktivno mesto i koji, osim što ne sprečava vezivanje supstrata za aktivno mesto, sprečava njegovu transformaciju u proizvod: reakcija se može dogoditi samo nakon što se supstrat oslobodi od enzima.
Primjenom matematičkog tretmana analognog gore korištenom, dokazano je da je u prisustvu nekompetitivnog inhibitora brzina enzimske reakcije data sa:
Poređenje ove jednadžbe sa Michaelis-Menten jednačinom pokazuje da: u prisustvu nekompetitivnog inhibitora, brzina reakcije je niža od one kod neinhibirane reakcije (otuda naziv inhibitor)
Koncentracija supstrata za koju je brzina upola manja od maksimalne je jednaka onoj uočenoj u odsustvuinhibitor.
Kada
, stopa reakcije asimptotski se približava
, što je uvijek manje od nesputane reakcije.
