Teoretycznie wszystkie reakcje chemiczne osiągają stan równowagi o ile pozostawi się je "w spokoju" na odpowiednio długi czas. Oznacza to, że dla każdej reakcji istnieją takie warunki, w których jest ona odwracalna. Praktycznie jednak w wielu przypadkach nie dochodzi do ustalenia się stanu równowagi z różnych względów: produkty reakcji mogą być celowo usuwane z układu reakcji zanim osiągnie on równowagę substraty i produkty mogą występować w dwóch fazach, nie mieszając się z sobą, a reakcja zachodzi na granicy faz reakcja jest powolna, a jej zatrzymanie następuje przed osiągnięciem stanu równowagi. Stężenia reagentów w stanie równowagi nie zależą od mechanizmu jej przebiegu, lecz tylko od termodynamicznych warunków jej prowadzenia, takich jak temperatura i ciśnienie. Stąd rodzaj użytego katalizatora nie ma wpływu na stężenia reagentów w stanie równowagi, ma jednak duży wpływ na czas ustalenia się tego stanu. W stanie równowagi, zgodnie z prawem działania mas stosunek iloczynów stężeń substratów i produktów jest w danych warunkach termodynamicznych stały. Stosunek ten jest nazywany stałą równowagi, oznaczaną tradycyjnie dużą literą K. CH3COOCH3 + H2O ⇌ CH3COOH + CH3OH
Enzymy nie zmieniają położenia równowagi reakcji , ale przyśpieszają szybkość reakcji w obu kierunkach w tym samym stopniu . Enzymy przyśpieszają osiągnięcie stanu równowagi , ale nie przesuwają jego polożenia.
Stała Michaelisa (Km) - jest to takie stężenie substratu, przy którym szybkość reakcji enzymatycznej jest równa połowie szybkości maksymalnej (Vmax) tej reakcji. Stała ta jest wyrażana w molach na dm3 i określa powinowactwo enzymu do substratu: im jest mniejsza, tym powinowactwo jest większe, natomiast duża wartość tej stałej mówi o małym powinowactwie enzymu do substratu. Wartość stałej Km dla większości enzymów przyjmuje wartości z zakresu 10-3 do 10-5 mol/dm3
Równanie Michaelisa-Menten opisuje zależność szybkości reakcji od stężenia substratu: Postać Km = [S] jest matematycznym zapisem definicji stałej Michaelisa. Analizując równanie Michaelisa-Menten można dojść do wniosku, iż przy stałym stężeniu enzymu, szybkość reakcji w pewnych granicach zależy od stężenia substratu, na wykresie zależności szybkości reakcji od stężenia substratu widać że: przy niewielkim stężeniu substratu w stosunku do stężenia enzymu, pojawia się zależność liniowa, między stężeniem substratu a szybkością reakcji, ta sytuacja odpowiada reakcji kinetycznej pierwszego rzędu opisywanej równaniem v = k[A] w przypadku dużego stężenia substratu, szybkość reakcji zbliża się do jej maksymalnej wartości i stężenie substratu nie ma wpływu na szybkość reakcji, sytuacja ta odpowiada kinetyce zerowego rzędu opisywanej równaniem v = k. Tego typu reakcja ma miejsce w przypadku całkowitego wysycenia enzymu substratem. Co wpływa na stałą Michaelisa: rodzaj i stężenie substratu siła jonowaInhibicja kompetycyjna
W inhibicji kompetycyjnej inhibitor i substrat współzawodniczą o miejsce aktywne cząsteczki enzymu. Związanie przez enzym cząsteczki inhibitora uniemożliwia zatem związanie substratów (i vice versa) i kompleks enzym-inhibitor (EI) jest enzymatycznie nieaktywny. Zazwyczaj inhibitor kompetycyjny jest strukturalnie bardzo podobny (lub ma podobny motyw bezpośrednio wiążący się do centrum aktywnego) do prawdziwego substratu dla określonego enzymu. Na przykład metotreksat jest inhibitorem kompetycyjnym dla enzymu reduktazy dihydrofolianu, który katalizuje redukcję dihydrofolianu do tetrahydrofolianu i obie substancje są strukturalnie bardzo zbliżone. Przyłączenie inhibitora uniemożliwia związanie substratu i odwrotnie, dzięki czemu poprzez regulację stężenia inhibitora możliwa jest kontrola szybkości reakcji. Stałą dysocjacji inhibitora kompetycyjnego można opisać równaniem[52][58]:
W inhibicji kompetycyjnej maksymalna szybkość reakcji (Vmax) nie zmienia się i może być osiągnięta poprzez zwiększenie stężenia substratów, które przezwycięży inhibicję. Zmianie natomiast ulega pozorna wartość Km, nowa wartość Km, zwana Kmapp (pozorna stała Michaelisa) jest równa[58]:
gdzie: [I] - stężenie inhibitora, Ki - stała dysocjacji dla kompleksu enzym-inhibitor Zatem wzrost [I] pociąga za sobą wzrost Kmapp. Inhibitory niekompetycyjne mogą się wiązać do wolnego enzymu, jednak nigdy do jego miejsca aktywnego, wobec tego nie konkurują z substratami, które także mogą się przyłączyć do powstałego kompleksu. Oba możliwe kompleksy, enzym-inhibitor (EI) i enzym-inhibitor-substrat (EIS) są enzymatycznie nieaktywne. Ponieważ wiązanie inhibitora jest całkowicie niezależne od substratu, co oznacza, że większe stężenie substratu nie wpływa na obniżenie oddziaływań z inhibitorem (w przeciwieństwie do inhibicji kompetycyjnej), zatem zmienia się tylko wartość Vmax a wartość Km pozostaje stała Inhibicja mieszana Ten typ inhibicji przypomina inhibicję niekompetycyjną, z wyjątkiem występowania dodatkowo kompleksu enzym-inhibitor-substrat (EIS), mającego znikomą aktywność enzymatyczną. W inhibicji mieszanej obie wartości opisujące reakcję enzymatyczną: Km i Vmax, zmieniają się W inhibicji akompetycyjnej inhibitor nie może się wiązać do wolnego enzymu, a jedynie do kompleksu enzym-substrat (ES), tworząc kompleks enzym-inhibitor-substrat (EIS). Ponieważ w takiej sytuacji zmniejszone jest stężenie kompleksu ES, zwiększa to pozorne powinowactwo enzymu do substratu, zatem wartość Km jest mniejsza. Utworzony kompleks EIS jest enzymatycznie nieaktywny i reakcja nie może być kontynuowana, dopóki miejsce aktywne enzymu nie zostanie zwolnione, co obniża Vmax w porównaniu do reakcji nieinhibowanej[74]. Ten typ inhibicji jest dość rzadki i może dotyczyć niektórych enzymów multimerycznych (wielopodjednostkowych).
|
Stała Km nie zależy od stężenia enzymu! Co wynika ze stałej Michaelisa: Ponieważ mówi ona przy jakim stężeniu szybkość reakcji osiąga wartość maksymalną, jej wartość jest pomocna w przypadkach oznaczania i badania enzymów.
Równanie Lineweavera-Burka
Praktyczną metodą określania stałej Michaelisa i szybkości reakcji jest metoda graficzna. Doprowadzając równanie do postaci powyżej. Otrzymujemy równanie o postaci ogólnej y=ax+b, gdzie b=1/Vmax . Równanie to nosi nazwę równania Lineweavera-Burka . Przekształcenie to ma na celu uzyskanie równania o ogolnej postaci lini prostej. W układzie współrzędnych wartości1/v odklada się ona na osi rzędnych , a wartości 1/[S] na osi odciętych. Równanie daje wówczas linie prostą, której nachylenie określa stosunek Km/Vmax . Przecina ona oś rzędnych w punkcie 1/Vmax , a oś odciętych w punkcie 1/Km. W tem sposób można określić maksymalną szybkość Vmax oraz stałą Michaelita Km.
Modulacja allosteryczna Niektóre enzymy, to enzymy allosteryczne, zmieniające swoją konformację w odpowiedzi na związanie efektora (inhibitora lub aktywatora). Modulacja taka może być bezpośrednia; gdy efektor sam wiąże się z enzymem, lub pośrednia; gdy efektor wiąże się z innym białkiem, lub podjednostką białka, która oddziałuje z enzymem, zmieniając jego aktywność katalityczną[52][53] Ponieważ produkt końcowy szlaku metabolicznego obejmującego wiele reakcji enzymatycznych ma małą szanse strukturalnego podobieństwa do związku wyjściowego, produkt końcowy będzie wiązał się z enzymem w punkcie kontrolnym, którym jest miejsce inne niż miejsce aktywne. Takie enzymy są zwsze enzymami allosterycznymi. A>B>C>D>Z |
Wykres wartości V0jako funkcji (S) dla enzymu allosterycznego daje krzywą sigmoidalną a nie krzywą hiperboliczną wynikającą z równania Michaelita- Michtona. W środkowym zakresie stężeń substratu krzywa ta ma stromy odcinek, odzwierciedlający gwałtowny wzrost szybkości enzymu zachodzący w wąskim zakresie fizjologicznym. W enzymach allosterycznych związanie cząsteczki substratu do jednego miejsca aktywnego wpływa na wiązanie cząsteczki substratu do innych miejsc aktywnych enzymu. Mówi się, że różne miejsca aktywne zachowują się kooperatywnie w zakresie wiązania cząsteczek substratu i oddziaływania na nie( np. wiązanie O2 do 4 podjednostek hemoglobiny). Enzymy allosteryczne są w związku z tym często bialkami złożonymi z wielu podjednostek , z których każda ma 1 lub więcej miejsc aktywnych. Związanie substratu w jednym miejscu aktywnym, indukuje w bialku zmianę konformacyjną , które jest przenoszone do innych miejsc aktywnych zmieniając jch powinowactwo do cząstek substratów . Poza tym enzymy allosteryczne mogą być kontrolowane przez cząsteczki efektorów (aktywatory i inhibitory), które wiążą się z enzymem w miejscu odmiennym od miejsca aktywnego, na tej samej podjednostce lub innej , powodując przez to zmianę konformacji miejsca aktywnego- co zmienia szybkość dziełania enzymu wiązanie CO2. H= oraz 2,3-bisfosfoglicerynianu do hemoglobiny). Aktywator allosteryczny zwiększa aktywność enzymu, natomiast inhibitor allosteryczny zmniejsza ją.
Aktywacja proteolityczna
Pewne enzymy są syntetyzowane jako większe, nieaktywne prekursory, nazywane proenzymami lub zymogenami; Są one aktywowane w drodze nieodwracalnej hydrolizy jednego lub więcej wiązań peptydowych.
Aktywacja proteolityczna-proenzymy i zymogeny aktywowane na drodze hydrolizy jednego lub więcej wiązań peptydowych.Regulacja enzymatycznej syntezy i rozkładu-ilośc enzymu w komórce jest wynikiem równowagi między szybkością jego syntezy i degradacji Kofaktory Wiele enzymów potrzebuje dodatkowych składników do uaktywnienia czy osiągnięcia pełnej aktywności. Takie niebiałkowe, dodatkowe składniki enzymów, nazywane są kofaktorami[54]. Enzym bez swojego kofaktora, czyli sam jego białkowy składnik, to apoenzym, natomiast wraz z kofaktorem, katalitycznie aktywny enzym nazywany jest holoenzymem (sam termin enzym domyślnie oznacza właśnie jego kompletną, aktywną cząsteczkę, czyli holoenzym). Kofaktory można podzielić na dwie szerokie grupy. Pierwszą z nich stanowią grupy prostetyczne, czyli kofaktory silnie, często kowalencyjnie, związane przez enzym przez cały czas jego istnienia. Zwykle są to cząsteczki nieorganiczne i jony metali (np. centra żelazowo-siarkowe, jony cynku - Zn2+, enzymy z metalami jako grupami prostetycznymi zwane są metaloenzymami), ale także małe cząsteczki organiczne (np. flawiny i hem). Z kolei koenzymy to małe, niebiałkowe cząsteczki organiczne, wiążące się z enzymami tylko na czas reakcji, i przenoszące grupy chemiczne pomiędzy poszczególnymi reakcjami[55]. Koenzymy mogą być traktowane jako kosubstraty, ponieważ są wiązane i uwalniane z enzymów jak substraty i produkty oraz biorą bezpośredni udział w reakcji. Niektóre źródła nazwę kofaktor przypisują cząsteczkom nieorganicznym, podczas gdy organiczne zwane są koenzymami Inhibicja nieodwracalna Inhibitory nieodwracalne reagują z enzymem, wiążąc się kowalencyjnie, a zatem nieodwracalnie, do jego łańcuchów białkowych. Taka inhibicja trwale unieczynnia daną cząsteczkę enzymu. Do inhibitorów tego typu należy eflornityna, lek stosowany w pasożytniczej chorobie - śpiączce afrykańskiej[75]. Również penicylina i aspiryna mają podobny mechanizm działania. Inhibitory te wstępnie, jeszcze nie kowalencyjnie, wiążą się z miejscami aktywnymi enzymów, po czym dopiero aktywność enzymu przekształca je w reaktywne formy, które wiążą się nieodwracalnie z jedną lub więcej resztami aminokwasowymi, blokując enzym
|
Wyszukiwarka