Comment calculer l'efficacité catalytique

Contenu

• Bases de l'enzyme
• Cinétique enzymatique
• Constantes de taux
• La constante de Michaelis et l'efficacité enzymatique

Les enzymes sont des protéines de systèmes biologiques qui accélèrent des réactions qui auraient autrement lieu beaucoup plus lentement que sans l'aide de l'enzyme. En tant que tels, ils sont une sorte de catalyseur. D'autres catalyseurs non biologiques jouent un rôle dans l'industrie et ailleurs (par exemple, les catalyseurs chimiques aident à la combustion de l'essence pour améliorer les capacités des moteurs à essence). Les enzymes, cependant, sont uniques dans leur mécanisme d'action catalytique. Ils travaillent en abaissant l'énergie d'activation d'une réaction sans changer les états d'énergie des réactifs (les entrées d'une réaction chimique) ou des produits (les sorties). Au lieu de cela, ils créent en réalité un chemin plus fluide des réactifs aux produits en réduisant la quantité d'énergie devant être "investie" afin de recevoir un "retour" sous forme de produits.

Compte tenu du rôle des enzymes et du fait que nombre de ces protéines naturelles ont été cooptées pour un usage thérapeutique humain (la lactase, par exemple, aide à la digestion du sucre du lait que des millions de personnes ne parviennent pas à produire), il n'est pas étonnant que les biologistes aient mis au point des outils formels pour évaluer l'efficacité du travail d'enzymes spécifiques dans des conditions données connues - c'est-à-dire pour déterminer leur efficacité catalytique.

Bases de l'enzyme

Un attribut important des enzymes est leur spécificité. Les enzymes, en général, servent à catalyser une seule des centaines de réactions métaboliques biochimiques qui se déroulent dans le corps humain à tout moment. Ainsi, une enzyme donnée peut être considérée comme un verrou et le composé spécifique sur lequel elle agit, appelé substrat, peut être assimilée à une clé. La partie de l'enzyme avec laquelle un substrat interagit s'appelle le site actif de l'enzyme.

Les enzymes, comme toutes les protéines, sont constituées de longues chaînes d'acides aminés, dont il existe environ 20 dans les systèmes humains. Les sites actifs des enzymes sont donc généralement constitués de résidus d’acides aminés, ou de morceaux chimiquement incomplets d’un acide aminé donné, qui peuvent "manquer" à un atome de proton ou à un autre atome et porter de ce fait une charge électrique nette.

De manière critique, les enzymes ne sont pas modifiées dans les réactions qu’elles catalysent - du moins pas après la fin de la réaction. Mais ils subissent des modifications temporaires au cours de la réaction elle-même, fonction nécessaire pour permettre à la réaction en cours de se dérouler. Pour pousser plus loin l'analogie clé-clé, lorsqu'un substrat "trouve" l'enzyme requise pour une réaction donnée et se lie au site actif de l'enzyme ("l'insertion de clé"), le complexe enzyme-substrat subit des modifications ("retournement de la clé"). ") qui entraînent la libération d'un produit nouvellement formé.

Cinétique enzymatique

L'interaction du substrat, de l'enzyme et du produit dans une réaction donnée peut être représentée comme suit:

E + S ⇌ ES → E + P

Ici, E représente l'enzyme, S est le substrat, et P est le produit. Ainsi, vous pouvez imaginer que le processus ressemble vaguement à un morceau de pâte à modeler (S) devenant un bol entièrement formé (P) sous l'influence d'un artisan humain (E). Les mains des artisans peuvent être considérées comme le site actif de "l'enzyme" que cette personne incarne. Lorsque la masse d'argile devient "liée" aux mains des personnes, celles-ci forment un "complexe" pendant un temps au cours duquel l'argile est modelé sous une forme différente et prédéterminée par l'action de la main à laquelle elle est jointe (ES). Ensuite, lorsque le bol est entièrement formé et qu’aucun travail supplémentaire n’est nécessaire, les mains (E) relâchez le bol (P), et le processus est terminé.

Considérons maintenant les flèches dans le diagramme ci-dessus. Vous remarquerez que le pas entre E + S et ES Les flèches se déplacent dans les deux sens, ce qui implique que, tout comme l’enzyme et le substrat peuvent se lier pour former un complexe enzyme-substrat, ce complexe peut se dissocier dans l’autre sens pour libérer l’enzyme et son substrat dans leurs formes originales.

La flèche unidirectionnelle entre ES et Pd'autre part, montre que le produit P ne se joint jamais spontanément à l'enzyme responsable de sa création. Cela est logique à la lumière de la spécificité des enzymes mentionnée précédemment: Si une enzyme se lie à un substrat donné, elle ne se lie pas également au produit obtenu, sinon cette enzyme serait alors spécifique de deux substrats et donc non spécifique du tout. De même, d'un point de vue sensé, il serait insensé pour un enzyme donné de faire fonctionner une réaction donnée plus favorablement tous les deux directions; ce serait comme une voiture qui roule en montée et en descente avec la même facilité.

Constantes de taux

Pensez à la réaction générale de la section précédente comme étant la somme de trois réactions différentes différentes:

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

Chacune de ces réactions individuelles a sa propre constante de vitesse, une mesure de la rapidité avec laquelle une réaction donnée se produit. Ces constantes sont spécifiques à des réactions particulières et ont été déterminées et vérifiées expérimentalement pour une multitude de groupements différents substrat plus enzyme et complexe enzyme-substrat complexe plus produit. Ils peuvent être écrits de différentes manières, mais généralement, la constante de vitesse pour la réaction 1) ci-dessus est exprimée par k₁, celle de 2) comme k_-1et celle de 3) comme k₂ (ceci est parfois écrit k_chat).

La constante de Michaelis et l'efficacité enzymatique

Sans plonger dans le calcul nécessaire pour déduire certaines des équations suivantes, vous pouvez probablement voir que la vitesse à laquelle le produit s'accumule, v, est fonction de la constante de vitesse pour cette réaction, k₂et la concentration de ES présent, exprimé par. Plus la constante de vitesse est élevée et plus le complexe substrat-enzyme est présent, plus le produit final de la réaction s'accumule rapidement. Donc:

v = k_2

Cependant, rappelons que deux autres réactions en plus de celle qui crée le produit P se produisent en même temps. L’un d’eux est la formation de ES à partir de ses composants E et S, tandis que l'autre est la même réaction en sens inverse. En rassemblant toutes ces informations et en comprenant que le taux de formation des ES doit être égal à son taux de disparition (par deux processus opposés), vous avez

k_1 = k_2 + k _ {- 1}

Division des deux termes par k₁ les rendements

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

Depuis tous les "k"les termes de cette équation sont des constantes, ils peuvent être combinés en une seule constante, K_M:

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

Cela permet d'écrire l'équation ci-dessus

= K_M

K_M est connue comme la constante de Michaelis. Ceci peut être considéré comme une mesure de la rapidité avec laquelle le complexe enzyme-substrat disparaît via la combinaison de la suppression du lien et de la formation du nouveau produit.

Pour revenir à l'équation de la vitesse de formation du produit, v = k₂, la substitution donne:

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

L'expression entre parenthèses, k₂/K_M, est connue sous le nom de constante de spécificité _, _ également appelée efficacité cinétique. Après toute cette algèbre embêtante, vous avez enfin une expression qui évalue l’efficacité catalytique, ou l’efficacité enzymatique, d’une réaction donnée. Vous pouvez calculer la constante directement à partir de la concentration d'enzyme, de la concentration de substrat et de la vitesse de formation du produit en réorganisant pour:

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