Główna zawartość

Kurs: Biologia - program rozszerzony > Rozdział 3

Lekcja 2: Wpływ środowiska na aktywność enzymatyczną

Podstawy analizy wykresów kinetyki reakcji enzymatycznych

Jak czytać wykresy kinetyki reakcji enzymatycznych (i jak są tworzone). Km i Vmax. Inhibitory kompetycyjne i niekompetycyjne. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości, dzięki wsparciu Fundacji HASCO-LEK

Wprowadzenie

Wyobraź sobie, że jesteś na giełdzie samochodów sportowych. Co chcesz wiedzieć o różnych opcjach (Ferrari, Porsche, Jaguar itp.), aby zdecydować, który z nich jest najlepszy? Jednym z oczywistych czynników byłoby to, jak szybko samochód może jechać, gdy wbijesz w podłogę pedał gazu. Ale możesz także potrzebować bardziej szczegółowych informacji na temat osiągów samochodu, takich jak szybkość, z jaką może przyspieszyć od 0 do 60 mph. Innymi słowy, zamiast znać jego maksymalną prędkość, chciałbyś również poznać kinetykę osiągania tej prędkości przez samochód.

Biochemicy mają podobne odczucia wobec badanych enzymów. Chcą wiedzieć jak najwięcej o wpływie enzymu na szybkość reakcji, a nie tylko o tym, jak szybko enzym może katalizować reakcję.

W rzeczywistości, można powiedzieć niezwykle wiele o tym, jak działa enzym, oraz o tym, jak oddziałuje on z innymi cząsteczkami, takimi jak inhibitory, po prostu mierząc, jak szybko katalizuje reakcję w szeregu różnych warunków. Informacje z tych eksperymentów są często przedstawiane w formie wykresów, więc spędzimy tu trochę czasu, omawiając, jak powstają wykresy (i jak je czytać, aby w pełni je wykorzystać).

Podstawowe wykresy kinetyki reakcji enzymatycznych

Wykresy podobne do przedstawionego poniżej (wykres szybkości reakcji jako funkcja stężenia substratu) są często używane do przedstawiania informacji o kinetyce reakcji enzymatycznej. Dostarczają wielu przydatnych informacji, ale mogą być też dość mylące przy pierwszym ich analizowaniu. Tutaj przejdziemy krok po kroku przez proces tworzenia i interpretacji jednego z tych wykresów.

Wyobraź sobie, że masz swój ulubiony enzym w probówce i chcesz wiedzieć więcej na temat jego zachowania w różnych warunkach. Tak więc przeprowadzasz serię prób, w których bierzesz różne stężenia substratu - powiedzmy 0 M, 0,2 M, 0,4 M, 0,6 M, 0,8 M i 1,0 M - i znajdujesz szybkość reakcji (czyli jak szybko Twój substrat zamieni się w produkt), gdy dodasz enzym w każdym przypadku. Oczywiście, trzeba uważać, aby dodać te same stężenie enzymu do każdej reakcji, aby porównywać te same procedury.

Jak określa się szybkość reakcji? Właściwie to, czego naprawdę potrzebujesz, to początkowa szybkość reakcji, kiedy dopiero co połączyłeś enzym i substrat, i enzym katalizuje reakcję tak szybko, jak to możliwe, przy tym konkretnym stężeniu substratu (ponieważ szybkość reakcji w końcu zwolni do zera, gdy substrat zostanie zużyty). Będziesz więc mierzyć ilość produktu wytworzonego w jednostce czasu bezpośrednio na początku reakcji, gdy stężenie produktu wzrasta liniowo. Ta wartość, ilość produktu wytworzonego w jednostce czasu na początku reakcji, nazywana jest szybkością początkową, lub

V_{0}

, dla tego stężenia.

Powiedzmy, że znalazłeś swoje wartości

V_{0}

dla wszystkich twoich wybranych stężeń substratu. Następnie możesz przyporządkować dla każdego stężenia substratu jego

V_{0}

, jako parę (X, Y). Po narysowaniu wszystkich par (X, Y) dla różnych stężeń, możesz połączyć kropki krzywą najlepszego dopasowania (aproksymacja punktowa), aby uzyskać wykres. W przypadku wielu rodzajów enzymów, wykres, który otrzymasz, będzie przypominał fioletową linię pokazaną powyżej: wartości

V_{0}

będą szybko wzrastać przy niskich stężeniach substratu, a następnie pozostawać na stałym poziomie płaskiego plateau przy wysokich stężeniach substratu.

To plateau występuje, ponieważ enzym jest nasycony, co oznacza, że wszystkie dostępne cząsteczki enzymu są już związane z substratami. Wszelkie dodatkowe cząsteczki substratu będą musiały po prostu poczekać, aż pojawi się kolejny enzym, tak więc szybkość reakcji (ilość produktu wytwarzanego w jednostce czasu) jest ograniczona stężeniem enzymu. Ta maksymalna szybkość reakcji jest charakterystyczna dla konkretnego enzymu przy określonym jego stężeniu i jest znana jako maksymalna szybkość lub $V_{m a x}$ ‍.

V_{m a x}

to wartość Y (początkowa wartość szybkości reakcji), przy której wykres znajduje się powyżej plateau.

Stężenie substratu, dla którego szybkość jest w połowie drogi do

V_{m a x}

nazywa się $K_{m}$ ‍ i jest użyteczną miarą tego, jak prędko szybkość reakcji wzrasta wraz ze stężeniem substratu.

K_{m}

jest także miarą powinowactwa (tendencji do wiązania) enzymu do jego substratu. Niższe

K_{m}

odpowiada wyższemu powinowactwu do substratu, podczas gdy wyższe

K_{m}

odpowiada niższemu powinowactwu do substratu. W przeciwieństwie do

V_{m a x}

, które zależy od stężenia enzymu,

K_{m}

jest zawsze takie samo dla konkretnego enzymu charakteryzującego daną reakcję (chociaż „pozornie” lub eksperymentalnie zmierzone,

K_{m}

może być zmienione przez inhibitory, tak jak omówiono poniżej).

Wykresy kinetyki reakcji enzymatycznych i inhibitorów

A co z inhibitorami? W artykule dotyczącym regulacji enzymów omawialiśmy dwa rodzaje inhibitorów, kompetycyjne i niekompetycyjne.

Inhibitory kompetycyjne zaburzają postęp reakcji poprzez wiązanie się z enzymem, często w centrum aktywnym, i tym samym zapobiegając wiązaniu się rzeczywistego substratu. W danym momencie tylko inhibitor kompetycyjny lub tylko substrat może być związany z enzymem (nie oba na raz). Oznacza to, że inhibitor i substrat rywalizują o enzym. Zasada działania inhibicji kompetycyjnej polega na zmniejszeniu liczby cząsteczek enzymu dostępnych do wiązania substratu.
Inhibitory niekompetycyjne nie zapobiegają wiązaniu substratu z enzymem. W rzeczywistości inhibitor i substrat w ogóle nie wpływają na wzajemne wiązanie się z enzymem. Jednakże, gdy inhibitor jest dowiązany, enzym nie może katalizować swojej reakcji, aby wytworzyć produkt. Zatem, zasada działania inhibicji niekompetycyjnej polega na zmniejszeniu liczby funkcjonalnych cząsteczek enzymów, które mogą przeprowadzić reakcję.

Gdybyśmy chcieli przedstawić skutki działania tych inhibitorów na wykresie podobnym do powyższego, moglibyśmy powtórzyć cały nasz eksperyment jeszcze dwa razy: raz z pewną ilością inhibitora kompetycyjnego dodanego do każdej reakcji testowej, a raz z pewną ilością inhibitora niekompetycyjnego. Otrzymalibyśmy następujące wyniki:

Schemat zmodyfikowany na podstawie "Enzymes: Figure 3," przez OpenStax College, Biology (CC BY 3.0).

W przypadku inhibicji kompetycyjnej, reakcja może ostatecznie osiągnąć normalną $V_{m a x}$ ‍, ale wymaga to wyższego stężenia substratu, aby ją osiągnąć. Innymi słowy, $V_{m a x}$ ‍ pozostaje bez zmian, ale $K_{m}$ ‍ jest wyższy. Dlaczego trzeba dodać więcej substratu, aby osiągnąć $V_{m a x}$ ‍? Dodatkowa ilość substratu sprawia, że cząsteczki substratu są na tyle liczne, że konsekwentnie „wybijają” cząsteczki inhibitora z enzymu.
W przypadku inhibicji niekompetycyjnej, reakcja nigdy nie osiągnie normalnego $V_{m a x}$ ‍, niezależnie od ilości dodanego substratu. Część cząsteczek enzymu zawsze będzie „zatruta” przez inhibitor, więc efektywne stężenie enzymu (które determinuje $V_{m a x}$ ‍) będzie zmniejszone. Jednak reakcja osiąga połowę jej nowego $V_{m a x}$ ‍ $K_{m}$ ‍przy tym samym stężeniu substratu, więc $K_{m}$ ‍ pozostaje bez zmian. Niezmienione $K_{m}$ ‍ mówi o tym, że inhibitor nie wpływa na wiązanie enzymu z substratem, tylko obniża stężenie użytecznego enzymu.

Inhibitory niekompetycyjne i kompetycyjne to dwa rodzaje inhibitorów o wyraźnych różnicach, które mają dobrze zdefiniowane kinetyki działania, dlatego często są prezentowane na kursach wprowadzających z biologii. Istnieją jednak inne rodzaje inhibitorów, które mają różne działanie na

V_{m a x}

K_{m}

Rozmaite rodzaje inhibitorów różnią się tym, czy wiążą się tylko z wolnym enzymem, tylko z kompleksem enzym-substrat, albo zarówno z enzymem, jak i kompleksem enzym-substrat (jak również ich względnym powinowactwem do tych dwóch postaci). Więcej informacji na temat inhibitorów i teorii ich działania można znaleźć w sekcji Kinetyka reakcji enzymatycznych Michaelisa-Menten.

Aby krótko podsumować niektóre główne rodzaje inhibitorów:

Inhibitor kompetycyjny, jak wspomniano powyżej, wiąże się tylko z wolnym enzymem (i nie może wiązać się z kompleksem enzym-substrat). Inhibicja konkurencyjna nie wpływa na $V_{m a x}$ ‍, ale zwiększa pozorne $K_{m}$ ‍.
Inhibitor antykompetycyjny (to nie to samo, co inhibitor niekompetycyjny!) wiąże się tylko z kompleksem enzym-substrat, a nie z wolnym enzymem. Inhibitor antykompetycyjny zmniejsza $V_{m a x}$ ‍, a także zmniejsza pozorny $K_{m}$ ‍.
Inhibitor mieszany wykazuje zachowanie między inhibitorami kompetycyjnymi i antykompetycyjnymi. Wiąże się zarówno z wolnym enzymem, jak i kompleksem enzym-substrat, ale ma wyższe powinowactwo (skłonność do wiązania) do jednej z dwóch postaci. Mieszane inhibitory konsekwentnie redukują $V_{m a x}$ ‍, ale mogą albo zwiększać albo zmniejszać pozorny $K_{m}$ ‍, w zależności od tego, do której formy enzymu (wolnej lub związanej z substratem) wiążą się silniej $^{1}$ ‍.
Inhibitor niekompetycyjny, jak wcześniej wspomniano, wiąże się zarówno z wolnym enzymem, jak i kompleksem enzym-substrat i nie zakłóca równowagi między nimi. (Innymi słowy, ma takie samo powinowactwo zarówno do enzymu, jak i kompleksu enzym-substrat.) Inhibicja niekompetycyjna jest w rzeczywistości tylko szczególnym przypadkiem inhibicji mieszanej, w którym inhibitor wiąże się z enzymem i kompleksem enzym-substrat z jednakowym powinowactwem. Inhibicja niekompetycyjna zmniejsza $V_{m a x}$ ‍, ale nie zmienia $K_{m}$ ‍ $^{1}$ ‍.

Kinetyka Michaelisa-Menten i enzymy allosteryczne

Wiele enzymów działa podobnie do hipotetycznego enzymu jak w przykładzie powyżej, wytwarzając krzywe paraboliczne, gdy szybkość reakcji jest wykreślana jako funkcja stężenia substratu. Enzymy, które wykazują takie zachowanie, można często opisać równaniem powiązanym ze stężeniem substratu, prędkością początkową,

K_{m}

V_{m a x}

, znanym jako równanie Michaelisa-Menten. Enzymy, których kinetyka jest zgodna z tym równaniem, nazywane są enzymami Michaelisa-Menten. Jeśli chcesz bardziej szczegółowo przyjrzeć się równaniu Michaelisa-Menten i leżącemu u jego podstaw modelowi, możesz sprawdzić film o kinetyce Michaelisa-Menten w sekcji MCAT.

Enzymy Michaelisa-Menten różnią się od enzymów allosterycznych (omówionych w głównym artykule na temat regulacji enzymów). Enzymy allosteryczne zazwyczaj mają wiele centrów aktywnych i często wykazują współdziałanie , co oznacza, że wiązanie substratu w jednym miejscu aktywnym zwiększa zdolność innych miejsc aktywnych do wiązania i przetwarzania substratów.

Współdziałające enzymy są bardziej wrażliwe w odpowiedzi na zmiany stężeń substratu niż inne enzymy i wykazują gwałtowne przejście z niskiej do wysokiej szybkości reakcji w miarę wzrostu stężenia substratu. Odpowiada to krzywej zależności szybkości reakcji od stężenia substratu, która ma kształt litery S, jak pokazano powyżej.

Żródła:

Ten artykuł jest zmodyfikowaną wersją "Enzymes," przez OpenStax College, Biology (CC BY 3.0). Pobierz oryginalny artykuł ze strony: http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85.

Zmodyfikowany artykuł może być używany zgodnie z licencją CC BY-NC-SA 4.0.

Cytowane prace:

Brandt, M. (2010). Inhibition kinetics. W CHEM 330 biochemistry website, 81. Źródło: https://www.rose-hulman.edu/~brandt/Chem330/Inhibition_kinetics.pdf.

Bibliografia:

Berg, J. M., Tymoczko, J. L., and Stryer, L. (2002). The Michaelis-Menten model accounts for the kinetic properties of many enzymes. W Biochemistry (5 ed., sekcja 8.4). New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22430/.

Berg, J. M., Tymoczko, J. L., and Stryer, L. (2007). Enzymes can be inhibited by specific molecules. W Biochemistry (6 ed., sekcja 225-234). New York, NY: W. H. Freeman.

Brandt, M. (2010). Inhibition kinetics. W CHEM 330 biochemistry website, 80-83 . Źródło: https://www.rose-hulman.edu/~brandt/Chem330/Inhibition_kinetics.pdf.

Gutierrez, R. (2011). Bio41 Week 5 — Biochemistry Lectures 4-6. Biosci 41, Stanford.

Mixed inhibition. (2015, 4 grudnia). Dostęp 15 lutego 2016 z Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Mixed_inhibition.

Non-competitive inhibition. (2015, 2 grudnia). Dostęp 15 lutego 2016 z Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Non-competitive_inhibition.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się

Sortuj według

Na razie brak głosów w dyskusji

Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.