Conţinutul principal

Curs: Biblioteca de biologie > Unitatea 7

Lecția 6: Reglarea activității enzimelor

Bazele graficelor cineticii enzimelor

Cum să citești graficele cineticii enzimelor (și cum sunt realizate). Km și Vmax. Inhibitori competitivi și noncompetitivi.

Introducere

Să ne imaginăm că te gândești să-ți cumperi o mașină sport. Ce ai vrea să știi despre numeroasele tale opțiuni (Ferrari, Porsche, Jaguar, etc.), pentru a hotărî care este cea mai potrivită? Un criteriu evident ar fi viteza la care poate ajunge mașina. Dar s-ar putea sa vrei informații detaliate despre performanța mașinii, precum cât de repede poate accelera de la 0 la 100 de kilometri pe oră. Cu alte cuvinte, nu ai vrea să știi doar viteza maximă a mașinii, ci și cinetica felului în care a ajuns la viteza respectivă.

Biochimiștii tind să privească în mod similar enzimele pe care le studiază. Ei vor să știe cât de mult se poate despre efectele unei enzime asupra ratei de reacție, nu doar cât de rapidă este enzima de-a dreptul.

De fapt, poți afla foarte multe despre cum funcționează o enzimă, cum interacționează cu alte molecule, cum ar fi inhibitori, prin simpla măsurare a vitezei cu care catalizează o reacție într-o serie de condiții diferite. Informația din aceste experimente este prezentată deseori sub formă de grafice, așa că vom petrece ceva timp discutând despre cum sunt realizate aceste grafice (și cum se citesc pentru ale valorifica la maximum).

Grafice elementare de cinetică enzimatică

Grafice precum cel de mai jos (rata de reacție ca funcție de concentrația substratului) sunt folosite adesea pentru afișarea de informații despre cinetica enzimatică. Acestea furnizează multe informații utile, dar pot fi destul de derutante prima oară când le vezi. Aici, vom trece pas cu pas prin procesul de realizare și interpretare a unui astfel de grafic.

Imaginează-ți că ai enzima ta preferată într-o eprubetă și că vrei să afli mai multe despre comportamentul ei în diverse condiții. Deci, efectuezi o serie de teste în care iei concentrații diferite de substrat — să zicem 0 M, 0,2 M, 0,4 M, 0,6 M, 0,8 M și 1,0 M — și găsești rata de reacție (cât de repede este substratul transformat în produs) când adaugi enzima în fiecare dintre cazuri. Desigur, trebuie să ai grijă să adaugi aceeași concentrație de enzime la fiecare reacție, pentru a compara mere cu mere.

Cum se determină rata reacției? Ei bine, ceea ce vrei, de fapt, este rata inițială a reacției, când ai amestecat enzima și substratul, iar enzima catalizează reacția cât de repede poate pentru concentrația respectivă a substratului (deoarece rata reacției va ajunge până la urmă la zero pe măsură ce substratul este utilizat). Deci, trebuie măsurată cantitatea de produs fabricată pe unitate de timp chiar la începutul reacției, cât timp concentrația produsului crește liniar. Această valoare, cantitatea de produs fabricat pe unitate de timp de la începutul reacției, se numește viteza inițială, sau

V_{0}

, pentru acea concentrație.

Acum, să zicem că ai găsit valorile lui

V_{0}

pentru concentrațiile care te interesează. Poți reprezenta fiecare concentrație a substratului și

V_{0}

corespunzător ca o pereche (x, y). Odată ce ai pus pe axe toate perechile (x, y) pentru concentrații diferite, poți conecta punctele printr-o curbă optimă pentru a obține un grafic. În cazul multor tipuri de enzime, graficul creat va fi asemănător liniei mov de mai sus: valorile

V_{0}

vor crește rapid la concentrațiile mici ale substratului, apoi vor forma o linie dreaptă, un platou, la concentrații mari ale substratului.

Acest platou apare pentru că enzima este saturată, adică toate moleculele de enzimă disponibile sunt deja ocupate procesând substraturi. Orice molecule suplimentare de substrat trebuie pur și simplu să aștepte până când o altă enzimă devine disponibilă, deci rata reacției (cantitatea de produs fabricată pe unitate de timp) este limitată de concentrația de enzime. Această rată maximă de reacție este tipică pentru o enzimă specifică la o concentrație specifică și este cunoscută sub numele de viteză maximă sau $V_{m a x}$ ‍.

V_{m a x}

este valoarea y (valoarea ratei de reacție inițială) la care graficul formează platoul.

Concentrația substratului care dă rata de la jumătatea drumul până la

V_{m a x}

se numește $K_{m}$ ‍ și este o măsură utilă pentru cât de repede crește rata reacției odată cu concentrația substratului.

K_{m}

este o măsură a afinității unei enzime (tendinței de a se lega de) substratul său. Un

K_{m}

mai mic corespunde unei afinități mai mari, în timp ce un

K_{m}

mai mare corespunde unei afinități mai mici. Spre deosebire de

V_{m a x}

, care depinde de concentrația enzimei,

K_{m}

este mereu același pentru o anumită enzimă caracterizând o anumită reacție (deși,

K_{m}

„aparent” sau măsurat prin experiment poate fi modificat de inhibitori, după cum este discutat mai jos).

Graficele cineticii enzimatice și inhibitorii

Ce se întâmplă cu inhibitorii? Am discutat despre două tipuri de inhibitori, competitivi și noncompetitivi, în articolul despre reglementarea enzimelor.

Inhibitorii competitivi afectează progresul reacției prin legarea de o enzimă, adesea în centrul activ, și previn legarea adevăratul substrat. În orice moment, doar inhibitorul competitiv sau substratul se poate lega de enzimă (nu ambele). Adică inhibitorul și substratul concurează pentru enzimă. Inhibarea competitivă acționează prin scăderea numărului de molecule enzimatice disponibile pentru a lega substratul.
Inhibitorii noncompetitivi nu previn legarea substratului de enzime. De fapt, inhibitorul și substratul nu își afectează unul altuia legarea de enzimă în niciun fel. Totuși, când inhibitorul este legat, enzima nu își poate cataliza reacția pentru a forma un produs. Așadar, inhibitorii noncompetitivi acționează prin scăderea numărului de molecule enzimatice funcționale care pot produce o reacție.

Dacă am dori să prezentăm efectele acestor inhibitori pe un grafic precum cel de mai sus, am putea repeta întregul experiment de încă două ori: o dată cu o anumită cantitate de inhibitor competitiv adăugat la fiecare reacție din test și o dată cu o anumită cantitate de inhibitor noncompetitiv adăugat în loc. Rezultatele ar fi următoarele:

Imagine modificată din „Enzymes: Figure 3”, de OpenStax College, Biology (CC BY 3.0).

Cu un inhibitor competitiv, reacția își poate atinge $V_{m a x}$ ‍ normal, dar este nevoie de o concentrație mai mare de substrat pentru a ajunge acolo. Cu alte cuvinte, $V_{m a x}$ ‍ nu este modificat dar $K_{m}$ ‍ aparent este mai mare. De ce ar trebui să adăugăm substrat pentru a ajunge la $V_{m a x}$ ‍? Substratul suplimentar face moleculele de substrat îndeajuns de abundente pentru a „întrece” constant inhibitorul la enzime.
În cazul unui inhibitor noncompetitiv, reacția nu poate ajunge la $V_{m a x}$ ‍ normal, indiferent de cât de mult substrat adăugăm. Un subset de molecule enzimatice vor fi mereu „otrăvite” de inhibitor, deci, concentrația efectivă a enzimelor (care determină $V_{m a x}$ ‍) este redusă. Totuși, reacția ajunge la jumătate din noul $V_{m a x}$ ‍ în aceeași concentrație de substrat, deci, $K_{m}$ ‍ este neschimbat. $K_{m}$ ‍ neschimbat reflectă că inhibitorul nu afectează legarea enzimelor de substrat, ci doar scade concentrația enzimelor utilizabile.

Inhibitorii noncompetitivi și competitivi sunt două categorii clare de inhibitori care au un comportament cinetic bine definit, motiv pentru care sunt adesea prezentate în cursurile de biologie introductive. Cu toate acestea, există și alte tipuri de inhibitori care au efecte diferite asupra

V_{m a x}

și

K_{m}

Diversele tipuri de inhibitori se disting prin legarea doar de enzimele libere, doar de complexul enzimă-substrat sau de ambele (precum și de afinitățile relative ale acestor două forme). Pentru mai multe informații despre inhibitori și teoria de la baza comportamentului lor, vezi secțiunea cinetica enzimatică Michaelis-Menten.

Pentru a enumera pe scurt câteva dintre categoriile majore de inhibitori:

Un inhibitor competitiv, după cum a fost precizat mai sus, leagă doar enzima liberă (și nu poate lega complexul enzimă-substrat). Inhibiția competitivă nu afectează $V_{m a x}$ ‍, dar crește $K_{m}$ ‍ aparent.
Un inhibitor necompetitiv (nu este același cu un inhibitor noncompetitiv!) se leagă doar de complexul enzimă-substrat, nu și de enzima liberă. Un inhibitor necompetitiv reduce $V_{m a x}$ ‍ și reduce și $K_{m}$ ‍ aparent.
Un inhibitor mixt prezintă un comportament între cel al inhibitorilor competitivi și necompetitivi. Se leagă și de enzima liberă, și de complexul enzimă-substrat, dar are o afinitate (tendință de a se lega) mai mare pentru una dintre forme. Inhibitorii micști reduc semnificativ $V_{m a x}$ ‍, dar pot crește sau scădea $K_{m}$ ‍ aparent, în funcție de care formă a enzimei (liberă sau legată de substrat) se leagă mai puternic $^{1}$ ‍.
Un inhibitor noncompetitiv, după cum a fost menționat anterior, se leagă și de enzima liberă și de complexul enzimă-substrat și nu deranjează echilibrul dintre cele două. (Cu alte cuvinte, are afinități egale și pentru enzimă și pentru complexul enzimă-substrat.) Inhibarea noncompetitivă este doar un caz special de inhibare mixtă, în care inhibitorul se întâmplă să se lege și de enzimă, și de complex enzimă-substrat cu afinități egale. Inhibiția noncompetitivă pură scade $V_{m a x}$ ‍, fără să crească $K_{m}$ ‍ $^{1}$ ‍.

Michaelis-Menten și enzime alosterice

Multe enzime acționează similar cu enzima ipotetică din exemplul de mai sus, producând curbe parabolice când rata reacției este exprimată ca funcție de concentrația substratului. Enzimele care prezintă acest comportament pot fi descrise adesea printr-o ecuație care include concentrația substratului, viteza inițială,

K_{m}

și

V_{m a x}

, numită ecuația Michaelis-Menten. Enzimele a căror cinetică respectă această ecuație se numesc enzime Michaelis-Menten. Dacă dorești o analiză mai amănunțită a ecuației Michaelis-Menten și a modelului care stă la baza acesteia, poți vedea videoclipurile Michaelis-Menten în secțiunea MCAT.

Enzimele Michaelis-Menten sunt diferite de enzimele alosterice (despre care am discutat în articolul principal privind reglementarea enzimelor). Enzimele alosterice au, în general, mai multe zone active și deseori prezintă cooperare, adică legarea unui substrat dintr-o zonă activă crește abilitatea altor zone active de a se lega și a procesa substraturi.

Enzimele cooperative sunt mai sensibile în răspunsul lor la schimbări ale concentrației substratului decât alte enzime și prezintă o tranziție „de întrerupător” de la rată de reacție scăzută la ridicată pe măsură ce crește concentrația substratului. Aceasta corespunde unei curbe de viteză vs. substrat în forma literei S, după cum poți vedea mai sus.

Surse:

Acest articol este un derivat modificat al „Enzymes”, de OpenStax College, Biology (CC BY 3.0). Descarcă articolul original gratuit de la http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85.

Articolul modificat este licențiat sub o licență CC-BY-NC-SA 4.0.

Lucrări citate:

Brandt, M. (2010). Inhibition kinetics. In CHEM 330 biochemistry website, 81. Preluat de la https://www.rose-hulman.edu/~brandt/Chem330/Inhibition_kinetics.pdf.

Referințe:

Berg, J. M., Tymoczko, J. L. și Stryer, L. (2002). The Michaelis-Menten model accounts for the kinetic properties of many enzymes. În Biochemistry (ed. 5, secțiunea 8.4). New York, NY: W. H. Freeman. Preluat de la http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22430/.

Berg, J. M., Tymoczko, J. L. și Stryer, L. (2007). Enzymes can be inhibited by specific molecules. În Biochemistry (ed. 6, secțiunea 225-234). New York, NY: W. H. Freeman.

Brandt, M. (2010). Inhibition kinetics. În CHEM 330 biochemistry website, 80-83 Preluat de la https://www.rose-hulman.edu/~brandt/Chem330/Inhibition_kinetics.pdf.

Gutierrez, R. (2011). Bio41 Week 5 — Biochemistry Lectures 4-6. Biosci 41, Stanford.

Mixed inhibition. (4 decembrie 2015). Preluat pe 15 februarie 2016 de pe Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Mixed_inhibition.

Non-competitive inhibition. (2 decembrie 2015). Preluat pe 15 februarie 2016 de pe Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Non-competitive_inhibition.

Vrei să te alături conversației?

Conectare

Ordonare după:

Nici o postare încă.

Înțelegi engleza? Dă clic aici pentru a vedea mai multe discuții care au loc pe site-ul în limba engleză al Khan Academy.