Fő tartalom
Biológia
Tantárgy/kurzus: Biológia > 7. témakör
2. lecke: A környezet hatásai az enzimek működéséreAz enzimkinetikai grafikonok alapjai
Hogyan értelmezzük az enzimkinetikai grafikonokat (és hogyan készülnek)? A Km és a Vmax jelentése. Kompetitív és nonkompetitív inhibitorok.
Bevezetés
Képzeld el, hogy épp egy sportkocsit készülsz venni. Vajon mi alapján döntenéd el, hogy melyik a legjobb választás (Ferrari, Porsche, Jaguar stb.)? Az egyik szempont nyilván az lenne, hogy milyen gyors az autó padlógázon. Ám az is lehet, hogy ennél részletesebben is érdekelne a kocsi teljesítménye, például az, hogy milyen hamar gyorsul fel 0-ról 100 kilométer/órára. Más szóval nem csak az autó végsebességét szeretnéd tudni, hanem azt is, hogy miként éri el ezt a sebességet, vagyis hogy milyen az autó gyorsulásának kinetikája.
A biokémikusok is hasonló szempontok alapján tanulmányozzák az általuk vizsgált enzimeket. A lehető legtöbbet szeretnének megtudni az enzimnek a reakciósebességre gyakorolt hatásairól, nem csupán azt, hogy milyen gyors, amikor teljes gőzzel működik.
Tulajdonképpen egészen sokat megtudhatunk az enzimek működéséről és más molekulákkal, például az inhibitorokkal való kölcsönhatásaikról pusztán az alapján, hogy megmérjük, milyen gyorsan katalizálnak egy reakciót különféle körülmények között. Az ilyen kísérletekből nyert adatokat gyakran grafikonokon ábrázolják, ezért most rászánunk egy kis időt arra, hogy azt tárgyaljuk, hogyan is készülnek ezek a grafikonok (és hogyan értelmezzük őket ahhoz, hogy a lehető legtöbb információt kihozzuk belőlük).
Alapvető enzimkinetikai grafikonok
Az enzimkinetikával kapcsolatos információkat gyakran jelenítik meg olyan grafikonokon, mint például az alábbi (amely a reakciósebességet ábrázolja a szubsztrátkoncentráció függvényében). Ezek sok hasznos információval szolgálnak, de első látásra elég nehéz rajtuk eligazodni. A következőkben lépésről lépésre végigmegyünk azon a folyamaton, ahogy az ilyen grafikonokat készítjük és értelmezzük.
Képzelj magad elé egy kémcsövet, és benne a kedvenc enzimedet, amelyről szeretnéd kideríteni, hogy miként viselkedik különböző körülmények között. Ezért egy kísérletsorozatban különböző szubsztrátkoncentrációk mellett – mondjuk 0, 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 és 1,0 mólos oldatokat alkalmazva – megállapítod a reakció sebességét (vagyis azt, hogy milyen gyorsan alakul át a szubsztrát termékké). Az összehasonlíthatóság érdekében természetesen ügyelni kell arra, hogy az enzim koncentrációja mindegyik reakcióban azonos legyen.
Hogyan határozzuk meg a reakció sebességét? Nos, itt valójában a reakció kezdeti sebessége a lényeg. Ez akkor mérhető, amikor az enzim és a szubsztrát éppen elkeveredett, mivel ilyenkor az enzim olyan gyorsan katalizálja a reakciót, amennyire csak lehetséges az adott szubsztrátkoncentráció mellett (ugyanis a reakciósebesség végül nullára csökken, amint a szubsztrát elfogy). Tehát az egységnyi idő alatt keletkező termék mennyiségét kell megmérni a reakció legelején, amikor a termék koncentrációja lineárisan növekszik. Ezt az értéket, a reakció kezdetén egységnyi idő alatt keletkező termék mennyiségét nevezzük az adott koncentrációhoz tartozó kezdeti sebességnek, vagy V, start subscript, 0, end subscript-nak.
Tegyük fel, hogy sikerült megállapítani az összes koncentrációhoz tartozó V, start subscript, 0, end subscript értékeket. Ekkor minden egyes szubsztrátkoncentráció és a hozzá tartozó V, start subscript, 0, end subscript érték (X, Y) értékpárok formájában ábrázolható egy grafikonon. Miután az összes koncentrációra nézve ábrázoltuk az (X, Y) értékpárokat, a pontokra görbét illeszthetünk a legjobb illeszkedés módszerével. Számos enzim esetében a kapott görbe a fent látható lila vonalhoz hasonlít: a V, start subscript, 0, end subscript értéke alacsony szubsztrátkoncentrációk mellett gyorsan emelkedik, majd magas szubsztrátkoncentrációk esetén ellaposodva tetőzik.
A tetőzést az okozza, hogy az enzim telítődik, azaz már minden enzimmolekula a szubsztrát feldolgozásán munkálkodik. A többi szubsztrátmolekulának egyszerűen várni kell, amíg egy enzimmolekula szabaddá válik. Az enzim koncentrációja tehát korlátozza a reakció sebességét (az egységnyi idő alatt keletkező termék mennyiségét). Adott enzimkoncentráció mellett minden enzimre jellemző az általa katalizált reakció maximális sebessége. Ennek a neve maximális sebesség (V, start subscript, m, a, x, end subscript), és azt az Y-értéket (kezdeti reakciósebességet) jelenti, amelynél a görbe tetőzik.
K, start subscript, m, end subscript jelöli azt a szubsztrátkoncentrációt, amely mellett a reakciósebesség feleakkora, mint a V, start subscript, m, a, x, end subscript. Ez a hasznos mérőszám megmutatja, hogy a reakciósebesség mennyire gyorsan növekszik a szubsztrátkoncentráció függvényében. A K, start subscript, m, end subscript értéke azt is elárulja, hogy mekkora az enzim affinitása (megkötődési képessége) a szubsztrátja iránt. Alacsonyabb K, start subscript, m, end subscript esetén nagyobb az affinitás, a magasabb K, start subscript, m, end subscript pedig kisebb affinitást jelez. Míg a V, start subscript, m, a, x, end subscript értéke függ az enzimkoncentrációtól, a K, start subscript, m, end subscript értéke egy adott enzim és egy adott reakció esetén állandó (noha a „látszólagos” vagy kísérletileg meghatározott K, start subscript, m, end subscript értéke az inhibitorok hatására megváltozhat, ahogyan azt a későbbiekben tárgyaljuk).
Az enzimkinetikai grafikonok és az inhibitorok
Mi a helyzet az inhibitorokkal? Az enzimek szabályozásáról szóló tananyagban az inhibitorok két típusát, a kompetitív és a nonkompetitív inhibitorokat tárgyaltuk.
- A kompetitív inhibitorok azzal hátráltatják a reakciót, hogy az enzimhez kötődnek – gyakran az aktív centrumban –, és megakadályozzák azt, hogy a valódi szubsztrát megkötődjön. Egy adott pillanatban vagy csak a kompetitív inhibitor vagy csak a szubsztrát kapcsolódhat az enzimhez (a kettő együtt nem). Az inhibitor és a szubsztrát tehát versengenek az enzimért. A kompetitív gátlás úgy hat, hogy csökkenti a szubsztrát megkötéséhez rendelkezésre álló enzimmolekulák számát.
- A nonkompetitív inhibitorok nem akadályozzák meg azt, hogy a szubsztrát az enzimhez kötődjön. Voltaképpen az inhibitor és a szubsztrát egyáltalán nem befolyásolják egymás kötődését az enzimhez. Ha azonban az inhibitor megkötődött, az enzim nem tudja katalizálni a termékképződési reakciót. A nonkompetitív gátlás tehát úgy hat, hogy csökkenti a működőképes enzimmolekulák számát.
Ha e gátlóanyagok hatását a fentihez hasonló grafikonon szeretnénk bemutatni, akkor még kétszer meg kellene ismételnünk az egész kísérletet: egyszer kompetitív inhibitor hozzáadásával, egyszer pedig nonkompetitív inhibitor jelenlétében. Így a következő eredményt kapnánk:
- Kompetitív inhibitor jelenlétében a reakció végül elérheti a rá jellemző V, start subscript, m, a, x, end subscript értéket, de csak magasabb szubsztrátkoncentráció mellett. Más szóval a V, start subscript, m, a, x, end subscript változatlan, de a látszólagos K, start subscript, m, end subscript magasabb. Vajon miért kell több szubsztrát a V, start subscript, m, a, x, end subscript eléréséhez? A feleslegben alkalmazott szubsztrát biztosítja azt, hogy legyen elegendő szubsztrátmolekula az inhibitor molekulákkal szembeni „számbeli fölényhez”.
- Nonkompetitív inhibitor jelenlétében a reakció soha nem érheti el a rá jellemző V, start subscript, m, a, x, end subscript értéket, akármennyi szubsztrátot is adunk hozzá. Az inhibitor folyamatosan „megmérgezi” az enzimmolekulák egy részét, így az enzim effektív koncentrációja („hasznosuló” koncentrációja, amely a V, start subscript, m, a, x, end subscript értékét meghatározza) alacsony marad. A reakciósebesség viszont ugyanakkora szubsztrátkoncentrációnál éri el az új V, start subscript, m, a, x, end subscript felét, így a K, start subscript, m, end subscript értéke változatlan. A változatlan K, start subscript, m, end subscript azt jelzi, hogy az inhibitor nem befolyásolja az enzim és a szubsztrát kötődésének az erősségét, csupán csökkenti a felhasználható enzim mennyiségét.
Michaelis-Menten típusú és allosztérikus enzimek
Számos enzim a fenti példához hasonlóan működik. Ilyenkor a reakciósebesség és a szubsztrátkoncentráció összefüggése parabolikus görbékkel ábrázolható. Az ilyen enzimek viselkedése gyakran az úgynevezett Michaelis-Menten-egyenlettel írható le, amely egyesíti a szubsztrátkoncentráció, a kezdeti sebesség, a K, start subscript, m, end subscript és a V, start subscript, m, a, x, end subscript értékeit. Azokat az enzimeket, amelyeknek a kinetikája ezt az egyenletet követi, Michaelis-Menten-féle enzimeknek nevezzük. Ha részletesebben szeretnéd megismerni a Michaelis-Menten-egyenletet és az alapjául szolgáló modellt, akkor érdemes megnézned a Michaelis-Menten-videókat az MCAT szekcióban.
A Michaelis-Menten-féle enzimek különböznek az allosztérikus enzimektől (amelyeket Az enzimek szabályozása című tananyag tárgyal). Az allosztérikus enzimek jellemzően több aktív centrummal rendelkeznek, és gyakran kooperativitást mutatnak, ami azt jelenti, hogy egy szubsztrátnak az egyik aktív centrumhoz való kötődése fokozza a többi aktív centrum szubsztrátkötő és -feldolgozó képességét.
A kooperatív enzimek érzékenyebben reagálnak a szubsztrátkoncentráció változásaira, mint más enzimek. A szubsztrátkoncentráció növekedésével az alacsony reakciósebesség meredek átmenettel, „átkapcsolásszerűen” megemelkedik. A sebességgörbe S-alakúvá válik, amint az a fenti ábrán látható.
Szeretnél részt venni a beszélgetésben?
Még nincs hozzászólás.