เอนไซม์หลายซับสเตรต

เอนไซม์ส่วนใหญ่ทำงานกับซับสเตรตตั้งแต่สองชนิดขึ้นไป และจลนพลศาสตร์ของเอนไซม์เหล่านี้มีความซับซ้อนกว่ากรณีของเอนไซม์ซับสเตรตเดี่ยวแบบ Michaelis-Menten ปฏิกิริยาหลายซับสเตรตดำเนินไปโดยกลไกที่แตกต่างกัน ได้แก่ แบบลำดับ (sequential) หรือแบบปิงปอง (ping-pong) ซึ่งแตกต่างกันตรงที่ว่าซับสเตรตทั้งหมดจะต้องจับกับเอนไซม์ก่อนที่จะมีการปล่อยผลิตภัณฑ์หรือไม่ กลไกเหล่านี้สามารถแยกแยะได้จากรูปแบบของสมการอัตราสภาวะคงตัวที่เกิดขึ้นเมื่อศึกษาความเร็วเริ่มต้นเป็นฟังก์ชันของซับสเตรตแต่ละชนิด

Definition

เอนไซม์หลายซับสเตรตเป็นเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับซับสเตรต (และผลิตภัณฑ์) ตั้งแต่สองชนิดขึ้นไป กลไกจลนพลศาสตร์ของเอนไซม์จะระบุลำดับที่ซับสเตรตจับและผลิตภัณฑ์หลุดออก โดยหลักแล้วจำแนกเป็นแบบลำดับ (sequential) (ซับสเตรตทั้งหมดจับกับเอนไซม์ก่อนที่จะมีการปล่อยผลิตภัณฑ์ใดๆ) หรือแบบปิงปอง (ping-pong) (มีการปล่อยผลิตภัณฑ์ระหว่างการจับของซับสเตรต โดยผ่านเอนไซม์ที่ถูกดัดแปลง)

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการจำแนกกลไกของเอนไซม์หลายซับสเตรต (โดยเฉพาะอย่างยิ่งแบบสองซับสเตรต) ออกเป็นแบบลำดับที่มีลำดับ (ordered sequential), แบบลำดับแบบสุ่ม (random sequential) และแบบปิงปอง รวมถึงสมการอัตราสภาวะคงตัวและรูปแบบกราฟิกที่ใช้ในการแยกแยะกลไกเหล่านี้ ตลอดจนระบบการตั้งชื่อที่นำมาใช้เพื่อวัตถุประสงค์นี้ เป็นระเบียบวิธีอ้างอิง ไม่ใช่แนวทางทางคลินิก

Core questions

• ซับสเตรตจับและผลิตภัณฑ์แยกตัวออกในลำดับใด?
• กลไกแบบลำดับและแบบปิงปองแตกต่างกันทางจลนพลศาสตร์อย่างไร?
• กลไกเหล่านี้แยกแยะได้อย่างไรจากข้อมูลความเร็วเริ่มต้น?
• ความชันและจุดตัดของกราฟ double-reciprocal เผยให้เห็นอะไร?

Key concepts

• กลไกแบบลำดับ (สารเชิงซ้อนสามส่วน)
• การจับแบบมีลำดับเทียบกับการจับแบบสุ่ม
• กลไกแบบปิงปอง (การแทนที่สองครั้ง)
• สารมัธยันต์เอนไซม์ที่ถูกแทนที่
• รูปแบบ double-reciprocal ของความเร็วเริ่มต้น
• ระบบการตั้งชื่อของ Cleland (Uni, Bi, Ter)

Key theories

การจำแนกกลไกหลายซับสเตรตของ Cleland

ระบบการตั้งชื่อและชุดสมการอัตราสภาวะคงตัวที่จำแนกปฏิกิริยาตามจำนวนซับสเตรตและผลิตภัณฑ์ และตามลำดับการจับ โดยแยกแยะกลไกแบบลำดับที่มีลำดับและแบบสุ่มออกจากกลไกแบบปิงปอง

Mechanisms

ในกลไกแบบลำดับ ซับสเตรตทั้งหมดจะจับกันเพื่อสร้างสารเชิงซ้อนกลางก่อนที่จะมีการปล่อยผลิตภัณฑ์ใดๆ การจับอาจเป็นแบบมีลำดับที่กำหนดไว้ (ordered) หรือแบบสุ่ม (random) ในกลไกแบบปิงปอง ผลิตภัณฑ์หนึ่งชนิดหรือมากกว่าจะถูกปล่อยออกมาก่อนที่ซับสเตรตทั้งหมดจะจับกับเอนไซม์ และเอนไซม์จะหมุนเวียนผ่านรูปแบบที่ถูกดัดแปลงด้วยพันธะโควาเลนต์หรือวิธีอื่นระหว่างปฏิกิริยาครึ่งหนึ่ง กลไกเหล่านี้ได้รับการวินิจฉัยทางจลนพลศาสตร์โดยการวัดความเร็วเริ่มต้นเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงซับสเตรตหนึ่งชนิดที่ความเข้มข้นคงที่หลายระดับของซับสเตรตอีกชนิดหนึ่ง: กลไกแบบลำดับมักจะให้ชุดของเส้นที่ตัดกันบนกราฟ double-reciprocal ในขณะที่กลไกแบบปิงปองจะให้เส้นขนานกัน เนื่องจากในกรณีหลัง ซับสเตรตทั้งสองชนิดมีปฏิสัมพันธ์กับรูปแบบเอนไซม์ที่แตกต่างกัน ระบบการตั้งชื่อจะอธิบายจำนวนซับสเตรตและผลิตภัณฑ์ (Uni, Bi, Ter) และลำดับการจับ และสมการอัตราสภาวะคงตัวที่สอดคล้องกันจะช่วยให้สามารถกำหนดค่าคงที่ทางจลนพลศาสตร์ให้กับขั้นตอนเฉพาะได้

Clinical relevance

กลไกของเอนไซม์หลายซับสเตรตมีผลต่อพฤติกรรมของสารยับยั้งเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับซับสเตรตแต่ละชนิด ซึ่งเป็นข้อมูลพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับเภสัชวิทยาของยาที่มุ่งเป้าไปที่เอนไซม์และการตีความการทดสอบเอนไซม์ หัวข้อนี้อธิบายกลไกเหล่านี้และลักษณะทางจลนพลศาสตร์ของกลไกดังกล่าวในฐานะเอกสารอ้างอิง และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจในการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

History

แม้ว่าเอนไซม์ที่ทำงานกับซับสเตรตหลายชนิดเป็นที่รู้จักกันมานาน แต่การบำบัดทางจลนพลศาสตร์แบบรวมศูนย์ได้เกิดขึ้นพร้อมกับชุดงานของ Cleland ในปี 1963 ซึ่งได้นำเสนอระบบการตั้งชื่อและสมการอัตราสภาวะคงตัวที่ช่วยให้รูปแบบความเร็วเริ่มต้นสามารถระบุกลไกแบบมีลำดับ แบบสุ่ม และแบบปิงปองได้ การบำบัดในตำราเรียนที่ครอบคลุม เช่น ของ Segel ในภายหลังได้รวบรวมวิธีการวิเคราะห์เหล่านี้

Key figures

• W. Wallace Cleland
• Irwin Segel
• Alan Fersht

Seminal works

• cleland-1963

Frequently asked questions

คุณจะแยกแยะกลไกแบบลำดับออกจากกลไกแบบปิงปองได้อย่างไร?

โดยดูจากรูปแบบของกราฟ double-reciprocal: การเปลี่ยนแปลงซับสเตรตหนึ่งชนิดที่ความเข้มข้นคงที่หลายระดับของซับสเตรตอีกชนิดหนึ่งมักจะให้เส้นที่ตัดกันสำหรับกลไกแบบลำดับ และเส้นขนานกันสำหรับกลไกแบบปิงปอง

กลไกแบบปิงปองคืออะไร?

เป็นกลไกการแทนที่สองครั้งที่เอนไซม์ทำปฏิกิริยากับซับสเตรตหนึ่งชนิดและปล่อยผลิตภัณฑ์ออกมา ทำให้เกิดรูปแบบเอนไซม์ที่ถูกดัดแปลง ก่อนที่จะจับกับซับสเตรตถัดไปและทำให้ปฏิกิริยาเสร็จสมบูรณ์