سینتیک و کاتالیز آنزیمی
سینتیک و کاتالیز آنزیمی مطالعه کمی چگونگی تسریع واکنشهای شیمیایی توسط آنزیمها و سرعت واکنشهایی است که آنها تولید میکنند. این حوزه، سرعت قابل اندازهگیری یک واکنش کاتالیز شده توسط آنزیم را به غلظتهای سوبسترا، آنزیم و تعدیلکنندهها، و به رویدادهای مولکولی در جایگاه فعال که مانع انرژی بین سوبسترا و محصول را کاهش میدهند، مرتبط میسازد. این حوزه چارچوب مفهومی و ریاضی مورد استفاده در سراسر آنزیمشناسی را برای توصیف قدرت کاتالیزوری و مکانیسم واکنش فراهم میکند.
Definition
سینتیک آنزیمی شاخهای از آنزیمشناسی است که سرعت واکنشهای کاتالیز شده توسط آنزیم را به عنوان تابعی از غلظتهای سوبسترا، آنزیم و اثرگذارها اندازهگیری و مدلسازی میکند؛ کاتالیز به مکانیسمهای مولکولی اشاره دارد که از طریق آنها یک آنزیم بدون اینکه خود مصرف شود، مانع فعالسازی یک واکنش را کاهش میدهد.
Scope
این حوزه خواننده را با قوانین سرعت واکنشهای کاتالیز شده توسط آنزیم و مبنای فیزیکی کاتالیز آشنا میکند. این شامل توصیف مایکل-منتن از سینتیک تکسوبسترایی، مکانیسمهایی که جایگاههای فعال از طریق آنها به تسریع سرعت دست مییابند، نقش محوری پایداری حالت گذار، بررسی حالت پایدار واکنشها با دو یا چند سوبسترا، و روشهای پیشحالت پایدار که مراحل کاتالیزوری فردی را تفکیک میکنند، میشود. این موارد به عنوان موضوعات مرجع در بیوشیمی و نه به عنوان راهنمایی بالینی مورد بررسی قرار میگیرند.
Sub-topics
Core questions
- چگونه سرعت واکنش به غلظت سوبسترا و آنزیم بستگی دارد؟
- چه ویژگیهای مولکولی جایگاه فعال باعث تسریع سرعت میشوند؟
- قدرت کاتالیزوری چگونه با پایداری حالت گذار مرتبط است؟
- مکانیسمهای واکنشهای چندسوبسترایی چگونه از نظر سینتیکی متمایز میشوند؟
- اندازهگیریهای پیشحالت پایدار چه چیزی را آشکار میکنند که سرعتهای حالت پایدار پنهان میکنند؟
Key concepts
- سرعت واکنش و سرعت اولیه
- ثابت مایکل (Km) و سرعت حداکثر (Vmax)
- عدد چرخش (kcat) و کارایی کاتالیزوری (kcat/Km)
- انرژی فعالسازی و حالت گذار
- رژیمهای حالت پایدار در مقابل پیشحالت پایدار
- مکانیسمهای تکسوبسترایی و چندسوبسترایی
- مهار و تعدیل آنزیمی
Key theories
- مدل مایکل-منتن
- یک بررسی تعادل سریع (بعدها حالت پایدار) که در آن آنزیم و سوبسترا یک کمپلکس تشکیل میدهند که به محصول تجزیه میشود و وابستگی هذلولی سرعت به غلظت سوبسترا را که با پارامترهای Vmax و Km مشخص میشود، به دست میدهد.
- نظریه پایداری حالت گذار در کاتالیز
- آنزیمها واکنشها را عمدتاً با اتصال محکمتر به حالت گذار نسبت به سوبسترای حالت پایه تسریع میکنند و انرژی آزاد فعالسازی را کاهش میدهند؛ مهارت کاتالیزوری را میتوان به عنوان نسبت ثابتهای سرعت کاتالیز شده به بدون کاتالیز بیان کرد.
Mechanisms
یک آنزیم سوبسترای خود را در یک جایگاه فعال متصل میکند تا یک کمپلکس آنزیم-سوبسترا تشکیل دهد، سپس تبدیل به محصول را کاتالیز میکند و بازسازی میشود. مزیت کاتالیزوری از آنجا ناشی میشود که جایگاه فعال مکمل حالت گذار واکنش است، بنابراین برهمکنشهای اتصال به طور ترجیحی آن گونه پرانرژی را پایدار میکنند و انرژی آزاد فعالسازی را نسبت به واکنش بدون کاتالیز کاهش میدهند. از نظر سینتیکی، وابستگی سرعت به غلظت سوبسترا معمولاً هذلولی است و توسط Km (معیاری برای میل ترکیبی ظاهری سوبسترا) و kcat (عدد چرخش) خلاصه میشود؛ نسبت آنها kcat/Km کارایی کاتالیزوری را اندازهگیری میکند. واکنشها با بیش از یک سوبسترا از مکانیسمهای ترتیبی یا تصادفی متوالی یا پینگپنگ پیروی میکنند که میتوانند با معادلات سرعت حالت پایدارشان از یکدیگر متمایز شوند، و روشهای پیشحالت پایدار میتوانند مراحل شیمیایی و اتصال فردی را که حالت پایدار آنها را میانگینگیری میکند، آشکار سازند.
Clinical relevance
پارامترهای سینتیک آنزیمی زیربنای توصیف چگونگی عملکرد بسیاری از داروها به عنوان مهارکنندههای آنزیمی و چگونگی پردازش سوبستراها توسط آنزیمهای متابولیک هستند، و بخشی از پیشزمینه مفهومی برای آزمایشهای آنزیمی آزمایشگاهی میباشند. این حوزه چگونگی اندازهگیری و تفسیر سرعتها و مکانیسمهای کاتالیزوری را توصیف میکند؛ این یک ماده مرجع است و مبنایی برای تصمیمات تشخیصی یا درمانی فردی نیست.
History
توصیف سینتیکی آنزیمها با هنری و با تحلیل مایکل و منتن در سال ۱۹۱۳ از اینورتاز آغاز شد، که قانون سرعت هذلولی را که هنوز نام آنها را یدک میکشد، بنا نهاد. بریگز و هالدین بعدها آن را با فرض حالت پایدار تعمیم دادند. پیشنهاد پاولینگ در اواسط قرن مبنی بر اینکه آنزیمها مکمل حالت گذار هستند، درک مدرن از کاتالیز را شکل داد، کللند سینتیک چندسوبسترایی را در دهه ۱۹۶۰ نظاممند کرد، و مقایسههای کمی سرعتهای کاتالیز شده و بدون کاتالیز توسط ولفندن و همکاران تصویر مهارت کاتالیزوری را دقیقتر کرد.
Debates
- مهمترین عامل در تسریع سرعت آنزیمی چیست؟
- پایداری حالت گذار، به ویژه سازماندهی الکترواستاتیکی اولیه جایگاه فعال، به طور گستردهای به عنوان منبع اصلی قدرت کاتالیزوری شناخته میشود، در حالی که نقش اضافی دینامیک و حرکات پروتئین همچنان به طور فعال مورد بحث است.
Key figures
- Leonor Michaelis
- Maud Menten
- W. Wallace Cleland
- Richard Wolfenden
- Arieh Warshel
Related topics
Seminal works
- michaelis-menten-1913
- cleland-1963
- radzicka-wolfenden-1995
- benkovic-hammes-schiffer-2003
Frequently asked questions
- تفاوت بین سینتیک آنزیمی و کاتالیز آنزیمی چیست؟
- سینتیک اندازهگیری و مدلسازی سرعت پیشرفت واکنشهای کاتالیز شده توسط آنزیم تحت شرایط معین است، در حالی که کاتالیز به مکانیسم مولکولی اشاره دارد که از طریق آن آنزیم مانع فعالسازی واکنش را کاهش میدهد.
- چرا Km و kcat مهم هستند؟
- Km نشاندهنده غلظت سوبسترا در نصف سرعت حداکثر است و میل ترکیبی ظاهری را نشان میدهد، در حالی که kcat عدد چرخش است؛ این دو با هم به عنوان kcat/Km کارایی کاتالیزوری یک آنزیم را خلاصه میکنند.