Fő tartalom

Tantárgy/kurzus: Biológia > 7. témakör

2. lecke: A környezet hatásai az enzimek működésére

Az 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_{0}

-nak.

Tegyük fel, hogy sikerült megállapítani az összes koncentrációhoz tartozó

V_{0}

értékeket. Ekkor minden egyes szubsztrátkoncentráció és a hozzá tartozó

V_{0}

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_{0}

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 ( $V_{m a x}$ ‍), és azt az Y-értéket (kezdeti reakciósebességet) jelenti, amelynél a görbe tetőzik.

$K_{m}$ ‍ jelöli azt a szubsztrátkoncentrációt, amely mellett a reakciósebesség feleakkora, mint a

V_{m a x}

. Ez a hasznos mérőszám megmutatja, hogy a reakciósebesség mennyire gyorsan növekszik a szubsztrátkoncentráció függvényében. A

K_{m}

értéke azt is elárulja, hogy mekkora az enzim affinitása (megkötődési képessége) a szubsztrátja iránt. Alacsonyabb

K_{m}

esetén nagyobb az affinitás, a magasabb

K_{m}

pedig kisebb affinitást jelez. Míg a

V_{m a x}

értéke függ az enzimkoncentrációtól, a

K_{m}

értéke egy adott enzim és egy adott reakció esetén állandó (noha a „látszólagos” vagy kísérletileg meghatározott

K_{m}

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:

A módosított ábra forrása: Enzimek: 3. ábra, OpenStax College, Biology (CC BY 3.0).

Kompetitív inhibitor jelenlétében a reakció végül elérheti a rá jellemző $V_{m a x}$ ‍ értéket, de csak magasabb szubsztrátkoncentráció mellett. Más szóval a $V_{m a x}$ ‍ változatlan, de a látszólagos $K_{m}$ ‍ magasabb. Vajon miért kell több szubsztrát a $V_{m a x}$ ‍ 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 $V_{m a x}$ ‍ értéket, akármennyi szubsztrátot is adunk hozzá. Az inhibitor folyamatosan „megmérgezi” az enzimmolekulák egy részét, így az enzim effektív koncentrációja („hasznosuló” koncentrációja, amely a $V_{m a x}$ ‍ értékét meghatározza) alacsony marad. A reakciósebesség viszont ugyanakkora szubsztrátkoncentrációnál éri el az új $V_{m a x}$ ‍ felét, így a $K_{m}$ ‍ értéke változatlan. A változatlan $K_{m}$ ‍ azt jelzi, hogy az inhibitor nem befolyásolja az enzim és a szubsztrát kötődésének az erősségét, csupán csökkenti a felhasználható enzim mennyiségét.

A kompetitív és a nonkompetitív inhibitorok két világosan elkülöníthető csoportot alkotnak a gátlóanyagok között. Kinetikai viselkedésük jól meghatározható, ezért gyakran szerepelnek az alapszintű biológia tananyagokban. Vannak azonban más típusú inhibitorok is, amelyeknek másképpen hatnak a

V_{m a x}

és a

K_{m}

értékeire.

A különböző típusú inhibitorokat aszerint különböztetjük meg, hogy mihez képesek kötődni: csak a szabad enzimhez, csak az enzim-szubsztrát komplexhez, vagy a szabad enzimhez és az enzim-szubsztrát komplexhez egyaránt. (A két formához való kötődésük viszonylagos erőssége is különbözik.) Az inhibitorokról és a viselkedésüket leíró elméletről bővebben a Michaelis-Menten enzimkinetika című fejezetben olvashatsz.

Az inhibitorok néhány fő kategóriájának rövid összefoglalása

A kompetitív inhibitor, mint említettük, csak a szabad enzimhez kötődik (nem képes kötődni az enzim-szubsztrát komplexhez). A kompetitív gátlás nem befolyásolja a $V_{m a x}$ ‍ értékét, de növeli a látszólagos $K_{m}$ ‍ értékét.
Az unkompetitív inhibitor (amely nem ugyanaz, mint a nonkompetitív inhibitor!) csak az enzim-szubsztrát komplexhez kötődik, a szabad enzimhez nem. Az unkompetitív inhibitor csökkenti a $V_{m a x}$ ‍ értékét és a látszólagos $K_{m}$ ‍ értékét is.
A kevert inhibitor viselkedése átmenetet mutat a kompetitív és az unkompetitív inhibitorok között. Mind a szabad enzimhez, mind az enzim-szubsztrát komplexhez képesek kötődni, de az egyik formához nagyobb az affinitásuk (hajlamosabbak a kötődésre), mint a másikhoz. A vegyes inhibitorok mindig csökkentik a $V_{m a x}$ ‍ értékét, de a látszólagos $K_{m}$ ‍ értékét növelhetik vagy csökkenthetik is, attól függően, hogy az enzim melyik formájához kötődnek erősebben (a szabad vagy a szubsztráthoz kötött formához). $^{1}$ ‍
A nonkompetitív inhibitor, mint említettük, mind a szabad enzimhez, mind az enzim-szubsztrát komplexhez képes kötődni, és nem zavarja meg a kettő közötti egyensúlyt. (Más szóval, azonos erősséggel kötődik mind az enzimhez, mind az enzim-szubsztrát komplexhez.) A nonkompetitív gátlás tulajdonképpen nem más, mint a kevert gátlás egy különleges esete, amelyben az inhibitor épp egyforma erősségel kötődik az enzimhez és az enzim-szubsztrát komplexhez. A tisztán nonkompetitív gátlás csökkenti a $V_{m a x}$ ‍ értékét, de nem változtatja meg a $K_{m}$ ‍ $é r t é k é t .^{1}$ ‍

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_{m}

és a

V_{m a x}

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.

Források:

Ez a cikk az "Enzymes," OpenStax College, Biology (CC BY 3.0) módosított verziója. Az eredeti szócikk szabadon hozzáférhető itt: http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85.

A módosított cikket a CC BY-NC-SA 4.0 licenc által engedélyezték.

Idézett munkák:

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

Hivatkozások:

Berg, J. M., Tymoczko, J. L., and Stryer, L. (2002). The Michaelis-Menten model accounts for the kinetic properties of many enzymes. In Biochemistry (5th ed., section 8.4). New York, NY: W. H. Freeman. Hozzáférhető itt: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22430/.

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

Brandt, M. (2010). Inhibition kinetics. In CHEM 330 biochemistry website, 80-83 Hozzáférhető itt: 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. (2015, December 4). Utolsó hozzáférés: Wikipedia, 2016. február 15.: https://en.wikipedia.org/wiki/Mixed_inhibition.

Non-competitive inhibition. (2015, December 2). Utolsó hozzáférés: Wikipedia, 2016. február 15.: https://en.wikipedia.org/wiki/Non-competitive_inhibition.

Szeretnél részt venni a beszélgetésben?

Jelentkezz be

Rendezés:

Még nincs hozzászólás.

Tudsz angolul? Kattints ide, ha meg szeretnéd nézni, milyen beszélgetések folynak a Khan Academy angol nyelvű oldalán.