سینتیک میکائیلیس-منتن

سینتیک میکائیلیس-منتن مدل بنیادی است که چگونگی وابستگی سرعت واکنش آنزیمی تک‌بستری به غلظت بستر را توصیف می‌کند. این مدل یک منحنی هذلولی را پیش‌بینی می‌کند که با افزایش بستر بالا می‌رود و در یک سرعت حداکثری اشباع می‌شود، که توسط دو پارامتر خلاصه می‌شود: ثابت میکائیلیس Km و سرعت حداکثری Vmax. این مدل نقطه شروع تقریباً تمام تحلیل‌های کمی فعالیت آنزیم است.

Definition

سینتیک میکائیلیس-منتن یک واکنش آنزیمی تک‌بستری را به عنوان تشکیل برگشت‌پذیر یک کمپلکس آنزیم-بستر مدل‌سازی می‌کند که به محصول تجزیه می‌شود و سرعت اولیه v = Vmax[S] / (Km + [S]) را می‌دهد، که در آن Km غلظت بستر در نصف سرعت حداکثری است.

Scope

این موضوع شامل مفروضات و استخراج قانون سرعت میکائیلیس-منتن، معنی Km و Vmax، عدد چرخش kcat و ثابت اختصاصیت kcat/Km، و تبدیل‌های خطی است که به طور تاریخی برای تخمین پارامترها استفاده می‌شدند. این موضوع به عنوان یک مبحث روش‌شناختی مرجع در نظر گرفته می‌شود، نه به عنوان راهنمای بالینی.

Core questions

• سرعت اولیه چگونه با غلظت بستر تغییر می‌کند؟
• Km و Vmax از نظر فیزیکی چه چیزی را نشان می‌دهند؟
• قانون سرعت تحت چه مفروضاتی معتبر است؟
• پارامترها چگونه از داده‌ها تخمین زده می‌شوند؟

Key concepts

• سرعت اولیه (v0)
• ثابت میکائیلیس (Km)
• سرعت حداکثری (Vmax)
• عدد چرخش (kcat)
• ثابت اختصاصیت (kcat/Km)
• مفروضات تعادل سریع و حالت پایدار
• لاین‌ویور-برک و سایر خطی‌سازی‌ها

Key theories

قانون سرعت میکائیلیس-منتن

با فرض یک پیش‌تعادل سریع بین آنزیم آزاد، بستر، و کمپلکس آنزیم-بستر، سرعت اولیه از یک هذلولی مستطیلی در غلظت بستر با سرعت حدی Vmax و ثابت نیمه‌اشباع Km پیروی می‌کند.

برخورد حالت پایدار بریگز-هالدین

جایگزینی فرض تعادل سریع با یک حالت پایدار که در آن غلظت کمپلکس آنزیم-بستر تقریباً ثابت است، قانون سرعت را تعمیم می‌دهد و Km را بر حسب تمام ثابت‌های سرعت مرتبط بازتعریف می‌کند.

Mechanisms

آنزیم E به بستر S به طور برگشت‌پذیر متصل می‌شود و کمپلکس ES را تشکیل می‌دهد، که سپس با آزاد شدن آنزیم آزاد به محصول P تبدیل می‌شود. اگر ES نسبت به کاتالیز به سرعت تشکیل و تفکیک شود، یا اگر ES در حالت پایدار نگه داشته شود، برخورد جبری وابستگی هذلولی سرعت به بستر را نشان می‌دهد. در غلظت‌های پایین بستر، سرعت تقریباً به صورت خطی با [S] افزایش می‌یابد؛ در غلظت‌های بالای بستر، آنزیم اشباع می‌شود و سرعت به Vmax نزدیک می‌شود. Km برابر با غلظت بستر است که نصف سرعت حداکثری را ایجاد می‌کند و تحت تفسیر حالت پایدار، ثابت‌های سرعت اتصال و کاتالیز را ترکیب می‌کند. عدد چرخش kcat برابر با Vmax تقسیم بر کل آنزیم است، و نسبت kcat/Km کارایی آنزیم را در عمل بر روی بستر در غلظت پایین توصیف می‌کند. تبدیل دو-متقابل لاین‌ویور-برک رابطه را خطی می‌کند و به طور تاریخی برای تخمین پارامترها استفاده می‌شد، اگرچه رگرسیون غیرخطی اکنون ترجیح داده می‌شود.

Clinical relevance

Km و Vmax نحوه پاسخ آنزیم‌های متابولیک و متابولیزه‌کننده دارو به غلظت بستر را توصیف می‌کنند و اساس نحوه توصیف مهار آنزیم در فارماکولوژی و پزشکی آزمایشگاهی را تشکیل می‌دهند. این موضوع توضیح می‌دهد که چگونه این توصیف‌گرها تعریف و تخمین زده می‌شوند؛ این یک ماده مرجع است و مبنایی برای تصمیمات تشخیصی یا درمانی فردی نیست.

History

ویکتور هنری در حدود سال ۱۹۰۳ یک کمپلکس آنزیم-بستر و یک معادله سرعت اولیه را پیشنهاد کرد، و مطالعه میکائیلیس و منتن در سال ۱۹۱۳ بر روی اینورتاز، با کنترل pH و استفاده از سرعت‌های اولیه، قانون هذلولی را در شکل ماندگار خود تثبیت کرد. بریگز و هالدین در سال ۱۹۲۵ آن را با فرض حالت پایدار بازنویسی کردند و کاربرد آن را گسترش دادند، و لاین‌ویور و برک نمودار دو-متقابل را در سال ۱۹۳۴ برای تخمین پارامتر معرفی کردند.

Debates

نمودارهای خطی شده در مقابل برازش غیرخطی

نمودارهای دو-متقابل و سایر خطی‌سازی‌ها ساختار خطای اندازه‌گیری‌های سرعت را مخدوش می‌کنند و ممکن است تخمین‌های پارامتر را سوگیرانه کنند، بنابراین رگرسیون غیرخطی مستقیم معادله هذلولی اکنون به طور کلی ترجیح داده می‌شود، در حالی که نمودارهای خطی برای تجسم مفید باقی می‌مانند.

Key figures

• Leonor Michaelis
• Maud Menten
• Victor Henri
• George Briggs
• J. B. S. Haldane

Seminal works

• michaelis-menten-1913
• briggs-haldane-1925
• lineweaver-burk-1934

Frequently asked questions

Km در مورد یک آنزیم چه چیزی به شما می‌گوید؟

Km غلظت بستری است که در آن واکنش با نصف سرعت حداکثری خود انجام می‌شود؛ تحت تفسیر حالت پایدار، ترکیبی از ثابت‌های سرعت اتصال و کاتالیز را منعکس می‌کند و اغلب به عنوان شاخصی از میل ظاهری بستر استفاده می‌شود.

چرا برازش غیرخطی بر نمودار لاین‌ویور-برک ترجیح داده می‌شود؟

تبدیل دو-متقابل خطای اندازه‌گیری را در غلظت‌های پایین بستر تقویت می‌کند و ممکن است تخمین‌های Km و Vmax را سوگیرانه کند، بنابراین رگرسیون غیرخطی داده‌های هذلولی اصلی به طور کلی قابل اعتمادتر است.