Cinétique enzymatique et catalyse
La cinétique enzymatique et la catalyse constituent l'étude quantitative de la manière dont les enzymes accélèrent les réactions chimiques et des vitesses de réaction qu'elles produisent. Ce domaine relie la vitesse mesurable d'une réaction catalysée par une enzyme aux concentrations de substrat, d'enzyme et de modificateurs, ainsi qu'aux événements moléculaires au niveau du site actif qui abaissent la barrière énergétique entre le substrat et le produit. Ce domaine fournit le cadre conceptuel et mathématique utilisé en enzymologie pour décrire le pouvoir catalytique et le mécanisme de réaction.
Definition
La cinétique enzymatique est la branche de l'enzymologie qui mesure et modélise les vitesses des réactions catalysées par des enzymes en fonction des concentrations de substrat, d'enzyme et d'effecteurs ; la catalyse fait référence aux mécanismes moléculaires par lesquels une enzyme abaisse la barrière d'activation d'une réaction sans être elle-même consommée.
Scope
Ce domaine oriente le lecteur vers les lois de vitesse des réactions catalysées par les enzymes et vers la base physique de la catalyse. Il couvre la description de Michaelis-Menten de la cinétique à substrat unique, les mécanismes par lesquels les sites actifs réalisent l'accélération de la vitesse, le rôle central de la stabilisation de l'état de transition, le traitement en régime stationnaire des réactions à deux substrats ou plus, et les méthodes en régime pré-stationnaire qui résolvent les étapes catalytiques individuelles. Il traite ces sujets comme des références en biochimie plutôt que comme des conseils cliniques.
Sub-topics
Core questions
- Comment la vitesse de réaction dépend-elle de la concentration en substrat et en enzyme ?
- Quelles caractéristiques moléculaires du site actif produisent l'accélération de la vitesse ?
- Comment le pouvoir catalytique est-il lié à la stabilisation de l'état de transition ?
- Comment les mécanismes des réactions multi-substrats sont-ils distingués cinétiquement ?
- Que révèlent les mesures en régime pré-stationnaire que les vitesses en régime stationnaire dissimulent ?
Key concepts
- Vitesse de réaction et vitesse initiale
- Constante de Michaelis (Km) et vitesse maximale (Vmax)
- Nombre de renouvellement (kcat) et efficacité catalytique (kcat/Km)
- Énergie d'activation et état de transition
- Régimes stationnaire versus pré-stationnaire
- Mécanismes à substrat unique et multi-substrats
- Inhibition et modulation enzymatique
Key theories
- Modèle de Michaelis-Menten
- Un traitement à équilibre rapide (plus tard en régime stationnaire) dans lequel l'enzyme et le substrat forment un complexe qui se décompose en produit, produisant une dépendance hyperbolique de la vitesse à la concentration en substrat caractérisée par les paramètres Vmax et Km.
- Théorie de la stabilisation de l'état de transition en catalyse
- Les enzymes accélèrent les réactions principalement en liant l'état de transition plus fortement que le substrat à l'état fondamental, abaissant ainsi l'énergie libre d'activation ; la compétence catalytique peut être exprimée comme le rapport des constantes de vitesse catalysées aux constantes de vitesse non catalysées.
Mechanisms
Une enzyme lie son substrat au niveau d'un site actif pour former un complexe enzyme-substrat, puis catalyse la conversion en produit et est régénérée. L'avantage catalytique découle du fait que le site actif est complémentaire de l'état de transition de la réaction, de sorte que les interactions de liaison stabilisent préférentiellement cette espèce de haute énergie et abaissent l'énergie libre d'activation par rapport à la réaction non catalysée. Cinétiquement, la dépendance de la vitesse à la concentration en substrat est généralement hyperbolique et est résumée par Km (une mesure de l'affinité apparente pour le substrat) et kcat (le nombre de renouvellement) ; leur rapport kcat/Km mesure l'efficacité catalytique. Les réactions avec plus d'un substrat suivent des mécanismes séquentiels ordonnés ou aléatoires, ou ping-pong, qui peuvent être distingués par leurs équations de vitesse en régime stationnaire, et les méthodes en régime pré-stationnaire peuvent révéler les étapes chimiques et de liaison individuelles que le régime stationnaire masque.
Clinical relevance
Les paramètres cinétiques enzymatiques sous-tendent la description de la manière dont de nombreux médicaments agissent comme inhibiteurs enzymatiques et dont les enzymes métaboliques traitent les substrats, et ils font partie du contexte conceptuel des dosages enzymatiques en laboratoire. Ce domaine décrit comment les vitesses et les mécanismes catalytiques sont mesurés et interprétés ; il s'agit d'un matériel de référence et ne constitue pas une base pour des décisions diagnostiques ou thérapeutiques individuelles.
History
La description cinétique des enzymes a commencé avec Henri et avec l'analyse de l'invertase par Michaelis et Menten en 1913, qui a établi la loi de vitesse hyperbolique qui porte encore leurs noms. Briggs et Haldane l'ont ensuite généralisée avec l'hypothèse de l'état stationnaire. La proposition de Pauling au milieu du siècle selon laquelle les enzymes sont complémentaires de l'état de transition a encadré la compréhension moderne de la catalyse, Cleland a systématisé la cinétique multi-substrats dans les années 1960, et les comparaisons quantitatives des vitesses catalysées et non catalysées par Wolfenden et ses collègues ont affiné l'image de la compétence catalytique.
Debates
- Quelle est la contribution dominante à l'accélération de la vitesse enzymatique ?
- La stabilisation de l'état de transition, en particulier la préorganisation électrostatique du site actif, est largement considérée comme la principale source de pouvoir catalytique, tandis que le rôle additionnel de la dynamique et des mouvements des protéines reste activement discuté.
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
- Quelle est la différence entre la cinétique enzymatique et la catalyse enzymatique ?
- La cinétique est la mesure et la modélisation de la vitesse à laquelle les réactions catalysées par des enzymes se déroulent dans des conditions données, tandis que la catalyse fait référence au mécanisme moléculaire par lequel l'enzyme abaisse la barrière d'activation de la réaction.
- Pourquoi Km et kcat sont-ils importants ?
- Km reflète la concentration de substrat à la vitesse semi-maximale et indique l'affinité apparente, tandis que kcat est le nombre de renouvellement ; ensemble, sous forme de kcat/Km, ils résument l'efficacité catalytique d'une enzyme.