จลนพลศาสตร์และคะตะไลซิสของเอนไซม์

จลนพลศาสตร์และคะตะไลซิสของเอนไซม์เป็นการศึกษาเชิงปริมาณว่าเอนไซม์เร่งปฏิกิริยาเคมีได้อย่างไร และความเร็วของปฏิกิริยาที่เอนไซม์สร้างขึ้น การศึกษานี้เชื่อมโยงอัตราที่วัดได้ของปฏิกิริยาที่เร่งด้วยเอนไซม์เข้ากับความเข้มข้นของสารตั้งต้น เอนไซม์ และตัวปรับเปลี่ยน รวมถึงเหตุการณ์ระดับโมเลกุลที่ตำแหน่งเร่งปฏิกิริยา (active site) ซึ่งลดกำแพงพลังงานระหว่างสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ สาขาวิชานี้ให้กรอบแนวคิดและคณิตศาสตร์ที่ใช้ในเอนไซม์วิทยาเพื่ออธิบายพลังการเร่งปฏิกิริยาและกลไกของปฏิกิริยา

Definition

จลนพลศาสตร์ของเอนไซม์เป็นสาขาหนึ่งของเอนไซม์วิทยาที่วัดและสร้างแบบจำลองอัตราของปฏิกิริยาที่เร่งด้วยเอนไซม์ โดยเป็นฟังก์ชันของความเข้มข้นของสารตั้งต้น เอนไซม์ และตัวกระตุ้น; ส่วนคะตะไลซิสหมายถึงกลไกระดับโมเลกุลที่เอนไซม์ลดกำแพงพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาโดยที่ตัวเอนไซม์เองไม่ถูกใช้ไป

Scope

สาขาวิชานี้จะแนะนำผู้อ่านให้รู้จักกับกฎอัตราของปฏิกิริยาที่เร่งด้วยเอนไซม์ และพื้นฐานทางกายภาพของการเร่งปฏิกิริยา ครอบคลุมคำอธิบายแบบ Michaelis-Menten ของจลนพลศาสตร์สารตั้งต้นเดี่ยว กลไกที่ตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาทำให้เกิดการเร่งอัตรา บทบาทสำคัญของการทำให้สถานะเปลี่ยนผ่าน (transition state) เสถียร การวิเคราะห์แบบสภาวะคงที่ (steady-state) ของปฏิกิริยาที่มีสารตั้งต้นสองชนิดขึ้นไป และวิธีการแบบก่อนสภาวะคงที่ (pre-steady-state) ที่แยกแยะขั้นตอนการเร่งปฏิกิริยาแต่ละขั้นได้ โดยถือว่าสิ่งเหล่านี้เป็นหัวข้ออ้างอิงในชีวเคมี ไม่ใช่แนวทางปฏิบัติทางคลินิก

Sub-topics

• กลไกการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์
• จลนพลศาสตร์ของ Michaelis-Menten
• เอนไซม์หลายซับสเตรต
• จลนพลศาสตร์สภาวะคงที่และจลนพลศาสตร์แบบเบิร์สต์
• การทำให้สภาวะเปลี่ยนผ่านเสถียร (Transition State Stabilization)

Core questions

• ความเร็วของปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นและเอนไซม์อย่างไร?
• ลักษณะโมเลกุลใดของตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาที่ทำให้เกิดการเร่งอัตรา?
• พลังการเร่งปฏิกิริยาสัมพันธ์กับการทำให้สถานะเปลี่ยนผ่านเสถียรอย่างไร?
• กลไกของปฏิกิริยาที่มีสารตั้งต้นหลายชนิดถูกแยกแยะทางจลนพลศาสตร์ได้อย่างไร?
• การวัดแบบก่อนสภาวะคงที่เปิดเผยอะไรที่อัตราสภาวะคงที่ปกปิดไว้?

Key concepts

• ความเร็วของปฏิกิริยาและอัตราเริ่มต้น
• ค่าคงที่ Michaelis (Km) และความเร็วสูงสุด (Vmax)
• เลขการหมุนเวียน (kcat) และประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยา (kcat/Km)
• พลังงานกระตุ้นและสถานะเปลี่ยนผ่าน
• สภาวะคงที่เทียบกับสภาวะก่อนสภาวะคงที่
• กลไกสารตั้งต้นเดี่ยวและหลายสารตั้งต้น
• การยับยั้งและการปรับเปลี่ยนเอนไซม์

Key theories

แบบจำลอง Michaelis-Menten

การวิเคราะห์แบบสมดุลเร็ว (ต่อมาเป็นสภาวะคงที่) ซึ่งเอนไซม์และสารตั้งต้นรวมตัวกันเป็นสารเชิงซ้อนที่สลายตัวเป็นผลิตภัณฑ์ ทำให้เกิดความสัมพันธ์แบบไฮเปอร์โบลาของความเร็วกับความเข้มข้นของสารตั้งต้น ซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยพารามิเตอร์ Vmax และ Km

ทฤษฎีการทำให้สถานะเปลี่ยนผ่านเสถียรของการเร่งปฏิกิริยา

เอนไซม์เร่งปฏิกิริยาโดยหลักแล้วโดยการจับกับสถานะเปลี่ยนผ่านได้แน่นกว่าสารตั้งต้นในสถานะพื้นดิน ซึ่งลดพลังงานอิสระกระตุ้น; ความเชี่ยวชาญในการเร่งปฏิกิริยาสามารถแสดงได้ในรูปอัตราส่วนของค่าคงที่อัตราที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาต่อค่าคงที่อัตราที่ไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา

Mechanisms

เอนไซม์จะจับกับสารตั้งต้นที่ตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาเพื่อสร้างสารเชิงซ้อนเอนไซม์-สารตั้งต้น จากนั้นจะเร่งการเปลี่ยนไปเป็นผลิตภัณฑ์และถูกสร้างขึ้นใหม่ ข้อได้เปรียบในการเร่งปฏิกิริยาเกิดขึ้นเนื่องจากตำแหน่งเร่งปฏิกิริยามีความเข้ากันได้กับสถานะเปลี่ยนผ่านของปฏิกิริยา ดังนั้นปฏิกิริยาการจับจึงทำให้สปีชีส์ที่มีพลังงานสูงนั้นเสถียรขึ้นเป็นพิเศษ และลดพลังงานอิสระกระตุ้นเมื่อเทียบกับปฏิกิริยาที่ไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา ในทางจลนพลศาสตร์ ความสัมพันธ์ของความเร็วกับความเข้มข้นของสารตั้งต้นมักจะเป็นแบบไฮเปอร์โบลา และสรุปได้ด้วย Km (การวัดความสัมพันธ์ปรากฏของสารตั้งต้น) และ kcat (เลขการหมุนเวียน); อัตราส่วน kcat/Km วัดประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยา ปฏิกิริยาที่มีสารตั้งต้นมากกว่าหนึ่งชนิดจะดำเนินไปตามกลไกแบบเรียงลำดับ (ordered) หรือแบบสุ่ม (random) แบบต่อเนื่อง (sequential) หรือแบบปิงปอง (ping-pong) ซึ่งสามารถแยกแยะได้ด้วยสมการอัตราสภาวะคงที่ และวิธีการแบบก่อนสภาวะคงที่สามารถเปิดเผยขั้นตอนทางเคมีและการจับแต่ละขั้นตอนที่สภาวะคงที่เฉลี่ยไว้

Clinical relevance

พารามิเตอร์จลนพลศาสตร์ของเอนไซม์เป็นพื้นฐานในการอธิบายว่ายาหลายชนิดออกฤทธิ์เป็นสารยับยั้งเอนไซม์ได้อย่างไร และเอนไซม์เมตาบอลิซึมประมวลผลสารตั้งต้นอย่างไร และเป็นส่วนหนึ่งของพื้นฐานแนวคิดสำหรับการทดสอบเอนไซม์ในห้องปฏิบัติการ สาขาวิชานี้อธิบายวิธีการวัดและตีความอัตราและกลไกการเร่งปฏิกิริยา; เป็นเอกสารอ้างอิงและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการตัดสินใจในการรักษาเฉพาะบุคคล

History

คำอธิบายทางจลนพลศาสตร์ของเอนไซม์เริ่มต้นด้วย Henri และการวิเคราะห์อินเวอร์เทสของ Michaelis และ Menten ในปี 1913 ซึ่งได้สร้างกฎอัตราแบบไฮเปอร์โบลาที่ยังคงใช้ชื่อของพวกเขาอยู่ Briggs และ Haldane ได้ขยายแนวคิดนี้ในภายหลังด้วยสมมติฐานสภาวะคงที่ ข้อเสนอของ Pauling ในช่วงกลางศตวรรษที่ว่าเอนไซม์มีความเข้ากันได้กับสถานะเปลี่ยนผ่านได้วางกรอบความเข้าใจสมัยใหม่เกี่ยวกับการเร่งปฏิกิริยา Cleland ได้จัดระบบจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาที่มีสารตั้งต้นหลายชนิดในทศวรรษ 1960 และการเปรียบเทียบเชิงปริมาณของอัตราที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาและไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยาโดย Wolfenden และคณะ ได้ทำให้ภาพของความเชี่ยวชาญในการเร่งปฏิกิริยาชัดเจนยิ่งขึ้น

Debates

อะไรคือปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดการเร่งอัตราของเอนไซม์?

การทำให้สถานะเปลี่ยนผ่านเสถียร โดยเฉพาะอย่างยิ่งการจัดเรียงประจุไฟฟ้าล่วงหน้าของตำแหน่งเร่งปฏิกิริยา ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นแหล่งหลักของพลังการเร่งปฏิกิริยา ในขณะที่บทบาทเพิ่มเติมของพลวัตและการเคลื่อนที่ของโปรตีนยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอย่างแข็งขัน

Key figures

• Leonor Michaelis
• Maud Menten
• W. Wallace Cleland
• Richard Wolfenden
• Arieh Warshel

Seminal works

• michaelis-menten-1913
• cleland-1963
• radzicka-wolfenden-1995
• benkovic-hammes-schiffer-2003

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างจลนพลศาสตร์ของเอนไซม์และคะตะไลซิสของเอนไซม์คืออะไร?

จลนพลศาสตร์คือการวัดและการสร้างแบบจำลองว่าปฏิกิริยาที่เร่งด้วยเอนไซม์ดำเนินไปเร็วเพียงใดภายใต้สภาวะที่กำหนด ในขณะที่คะตะไลซิสหมายถึงกลไกระดับโมเลกุลที่เอนไซม์ลดกำแพงพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยา

ทำไม Km และ kcat จึงมีความสำคัญ?

Km สะท้อนความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่ความเร็วครึ่งหนึ่งของความเร็วสูงสุดและบ่งชี้ความสัมพันธ์ปรากฏ ในขณะที่ kcat คือเลขการหมุนเวียน; เมื่อรวมกันเป็น kcat/Km จะสรุปประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์