Conţinutul principal

Biblioteca de biologie

Curs: Biblioteca de biologie > Unitatea 7

Lecția 6: Reglarea activității enzimelor

Grafice de bază ale cineticii enzimelor

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

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, probabil, că vrei mai multe informații detaliate despre performanța mașinii, precum cât de repede poate accelera de la 0 la 90 de kilometri pe oră. Cu alte cuvinte, nu ai vrea doar să știi viteza maximă a mașinii, ci și cinetica felului în care a ajuns la viteza respectivă.

Biochimiștii tind să privească în acest fel 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, ca de exemplu inhibitori, prin simpla măsurare a vitezei cu care catalizează o reacție sub o serie de diferite condiții. Informația din aceste experimente este prezentată deseori sub formă de grafice, deci vom petrece ceva timp discutând despre cum sunt realizate aceste grafice (și cum se citesc cele mai multe dintre ele).

Grafice elementare de cinetică enzimatică

Grafice precum cel de mai jos (rata de reacție ca funcție a concentrației 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, este denumită viteza inițială, sau

V_{0}

, pentru acea concentrație.

Acum, să zicem că ai găsit valorile lui

V_{0}

pentru concentrațiile care te interesează. Poți grupa 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 prin curba potrivită 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 are loc pentru că enzima este saturată, adică toate moleculele de enzimă disponibile sunt deja ocupate formând substraturi. Orice molecule de substrat suplimentare 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}

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

K_{m}

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

K_{m}

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

K_{m}

mai înalt 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 care caracterizează 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 necompetitivi, în articolul despre reglementarea enzimelor.

Inhibitorii competitivi afectează progresul reacției prin legarea de o enzimă, adesea în zona activă, și previn adevăratul substrat din a se lega. 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 necompetitivi nu previn legarea substratului de enzime. În fapt, inhibitorul și substratul nu își afectează legarea unul altuia de enzimă în niciun fel. Totuși, când inhibitorul este legat, enzima nu își poate cataliza reacția pentru a forma un produs. Așadar, inhibitorii necompetitivi 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: odată cu o anumită cantitate de inhibitor competitiv adăugat la fiecare reacție din test și odată cu o anumită cantitate de inhibitor necompetitiv adăugat în loc. Rezultatele ar fi următoarele:

Imagine modificată din "Enzymes: Figure 3," by 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 abundent pentru a “întrece” constant inhibitorul la enzime.
În cazul unui inhibitor necompetitiv, 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.

[Mai multe despre tipurile de inhibitori şi comportamentul lor cinetic]

Michaelis-Menten şi enzime alosterice

Mule enzime acționează similar cu enzima ipotetică din exemplul de mai sus, producând curbe parabolice când rata reacției este exprimată ca o funcție a concentrației 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 ale 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 produce 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 scăzut la ridicat la ridicarea concentrației substratului. Aceasta corespunde unei curbe de velocitatea vs substrat în forma literei S, după cum poți vedea mai sus.

[Referințe]

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.