Кіріспе
Энзимдер катализдейтін биохимиялық реакциялардың зерттелуі. Энзимдік кинетика – ферменттер катализдейтін химиялық реакциялардың жылдамдықтарын зерттеу ғылымы. Энзимдік кинетикада реакция жылдамдығы өлшеніп, реакция жағдайларын өзгертудің әсері зерттеледі. Осылайша ферменттің кинетикасын зерттеу арқылы оның катализдік механизмін, метаболизмдегі рөлін, оның активтілігін қалай реттеуге болатынын және дәрі-дәрмектің немесе модификатордың (ингибитордың немесе активатордың) жылдамдыққа қалай әсер ететінін анықтауға болады. Фермент (E) – организмде химиялық реакцияны жеңілдету және үдету үшін биологиялық катализатор ретінде қызмет ететін ақуыз молекуласы. Ол бұл жұмысты фермент әсер ететін субстрат (S) басқа молекуламен байланысу арқылы жасайды, нәтижесінде қажетті өнім пайда болады. Субстрат ферменттің активті орынына байланысып, ES фермент-субстрат кешенін құрайды және ES* ауысу күйі арқылы фермент-өнім кешені EP-ге, содан кейін өнім P-ге айналады. Бұл қадамдар тізбегі механизм деп аталады: E + S ⇄ ES ⇄ ES* ⇄ EP ⇄ E + P. Бұл мысал бір субстратты және бір өнімді реакцияның ең қарапайым жағдайын қарастырады. Мұндай жағдайлар бар: мысалы, фосфоглюкомутаза сияқты мутазалар фосфотоптың бір орнынан екіншісіне ауысуын катализдейді, ал изомераза – кез келген субстратты бір өнімге айналдыратын ферменттер үшін қолданылатын жалпы термин, мысалы триозофосфат изомераза. Дегенмен, мұндай ферменттер жиі кездеспейді және екі субстратты екі өнімге айналдыратын ферменттерге қарағанда аз. Мысалы, NAD-ға тәуелді дегидрогеназалар, алкоголь дегидрогеназасы сияқтылар, NAD+ арқылы этанолдың тотығуын катализдейді. Үш немесе төрт субстратты немесе өнімді реакциялар сирек кездеседі, бірақ олар да бар. Өнімдердің саны субстраттардың санына тең болуы міндетті емес; мысалы, глицеральдегид-3-фосфат дегидрогеназада үш субстрат және екі өнім болады. Ферменттер бірнеше субстраттарды байланыстырғанда, мысалы дигидрофолат редуктаза (суретте көрсетілген), энзимдік кинетика осы субстраттардың байланысу тізбегін және өнімдердің босатылу тізбегін көрсетуге мүмкіндік береді. Бір субстратты байланыстырып, бірнеше өнім шығаратын ферменттердің мысалы – протеаздар, олар бір ақуыз субстратын екі полипептид өніміне бөледі. Басқалары екі субстратты біріктіреді, мысалы ДНК полимераза нуклеотидті ДНК-ға байланыстырады. Бұл механизмдер көбінесе күрделі қадамдар тізбегінен тұрады, бірақ әдетте жалпы кинетиканы анықтайтын шешуші қадам болады. Бұл шешуші қадам химиялық реакция немесе ферменттің немесе субстраттардың конформациялық өзгерісі болуы мүмкін, мысалы өнімнің (өнімдердің) ферменттен босатылуына қатысты. Ферменттің құрылымын білу кинетикалық деректерді түсіндіруге көмектеседі. Мысалы, құрылым катализ кезінде субстраттар мен өнімдердің қалай байланысатынын, реакция кезінде қандай өзгерістер болатынын және тіпті механизмдегі белгілі бір аминқышқылдарының рөлін көрсете алады. Кейбір ферменттер механизм кезінде пішінін айтарлықтай өзгертеді; мұндай жағдайларда фермент құрылымын байланысқан субстрат аналогтарымен және оларсыз анықтау пайдалы, бұл аналогтар ферменттік реакцияға түспейді. Барлық биологиялық катализаторлар ақуыздық ферменттер емес: РНК-ға негіделген катализаторлар, мысалы рибозималар мен рибосомалар, көптеген жасушалық функциялар үшін маңызды, мысалы РНК тігілуі және аудармасы. Рибозималар мен ферменттердің негізгі айырмашылығы – РНК катализаторлары нуклеотидтерден тұрады, ал ферменттер аминқышқылдарынан. Рибозималар реакциялардың шектеулі жиынтығын орындайды, бірақ олардың реакциялық механизмдері мен кинетикасын бірдей әдістермен талдауға және жіктеуге болады.
Enzyme kinetics is the study of the rates of enzyme catalysed chemical reactions. In enzyme kinetics, the reaction rate is measured and the effects of varying the conditions of the reaction are investigated. Studying an enzyme's kinetics in this way can reveal the catalytic mechanism of this enzyme, its role in metabolism, how its activity is controlled, and how a drug or a modifier (inhibitor or activator) might affect the rate. An enzyme (E) is a protein molecule that serves as a biological catalyst to facilitate and accelerate a chemical reaction in the body. It does this through binding of another molecule, its substrate (S), which the enzyme acts upon to form the desired product. The substrate binds to the active site of the enzyme to produce an enzyme substrate complex ES, and is transformed into an enzyme product complex EP and from there to product P, via a transition state ES*. The series of steps is known as the mechanism:
E + S ⇄ ES ⇄ ES* ⇄ EP ⇄ E + P
This example assumes the simplest case of a reaction with one substrate and one product. Such cases exist: for example, a mutase such as phosphoglucomutase catalyses the transfer of a phospho group from one position to another, and isomerase is a more general term for an enzyme that catalyses any one substrate one product reaction, such as triosephosphate isomerase. However, such enzymes are not very common, and are heavily outnumbered by enzymes that catalyse two substrate two product reactions: these include, for example, the NAD dependent dehydrogenases such as alcohol dehydrogenase, which catalyses the oxidation of ethanol by NAD+. Reactions with three or four substrates or products are less common, but they exist. There is no necessity for the number of products to be equal to the number of substrates; for example, glyceraldehyde 3 phosphate dehydrogenase has three substrates and two products. When enzymes bind multiple substrates, such as dihydrofolate reductase (shown right), enzyme kinetics can also show the sequence in which these substrates bind and the sequence in which products are released. An example of enzymes that bind a single substrate and release multiple products are proteases, which cleave one protein substrate into two polypeptide products. Others join two substrates together, such as DNA polymerase linking a nucleotide to DNA. Although these mechanisms are often a complex series of steps, there is typically one rate determining step that determines the overall kinetics. This rate determining step may be a chemical reaction or a conformational change of the enzyme or substrates, such as those involved in the release of product(s) from the enzyme. Knowledge of the enzyme's structure is helpful in interpreting kinetic data. For example, the structure can suggest how substrates and products bind during catalysis; what changes occur during the reaction; and even the role of particular amino acid residues in the mechanism. Some enzymes change shape significantly during the mechanism; in such cases, it is helpful to determine the enzyme structure with and without bound substrate analogues that do not undergo the enzymatic reaction. Not all biological catalysts are protein enzymes: RNA based catalysts such as ribozymes and ribosomes are essential to many cellular functions, such as RNA splicing and translation. The main difference between ribozymes and enzymes is that RNA catalysts are composed of nucleotides, whereas enzymes are composed of amino acids. Ribozymes also perform a more limited set of reactions, although their reaction mechanisms and kinetics can be analysed and classified by the same methods.
Жалпы қағидалар
Фермент катализдейтін реакция дәл сол реагенттерді қолданады және катализделмеген реакция сияқты дәл сол өнімдерді жасайды. Басқа катализаторлар сияқты, ферменттер де субстраттар мен өнімдер арасындағы тепе-теңдік күйін өзгерте алмайды. Дегенмен, катализделмеген химиялық реакциялардан өзгеше, фермент катализдейтін реакциялар қанығу кинетикасын көрсетеді. Белгілі бір фермент концентрациясы және салыстырмалы түрде төмен субстрат концентрациясы үшін реакция жылдамдығы субстрат концентрациясымен сызықты түрде артады; фермент молекулалары көбінесе реакцияны катализдей алуға болады, ал субстрат концентрациясының артуы фермент пен субстрат молекулаларының бір-бірімен кездесу жиілігінің артуын білдіреді. Алайда, субстраттың салыстырмалы түрде жоғары концентрациясында реакция жылдамдығы теориялық максимумға асимптотикалық түрде жақындайды; ферменттің белсенді орындарының көбі субстраттармен толып, қанығуға алып келеді, ал реакция жылдамдығы ферменттің ішкі айналым жылдамдығымен анықталады. Осы екі шекті жағдайдың арасындағы субстрат концентрациясы KM арқылы белгіленеді. Осылайша, KM – реакция жылдамдығы максималды жылдамдықтың жартысына тең болатын субстрат концентрациясы. Тағы бір тәсіл – субстрат өнімге айналғандағы тұрақты изотоптардың қосылуын немесе бөлінуін бақылау үшін массалық спектрометрияны қолдану. Кейде талдау сәтсіз аяқталады, сондықтан сәтсіз талдауды қайта жандандыру үшін қосымша тәсілдер қажет. Ең сезімтал ферменттік талдаулар лазерлерді микроскоп арқылы бағыттап, фермент молекулаларының өз реакцияларын катализдейтін кездегі өзгерістерін бақылайды. Бұл өлшемдер ферменттің реакциялық механизмі кезінде кофакторлардың флуоресценциясының өзгеруін немесе катализ кезінде болатын қозғалыстарды көрсететін белоктың белгілі бір жерлеріне қосылған флуоресцентті бояуларды пайдаланады. Бұл зерттеулер миллиондаған фермент молекулаларының орташа мінез-құлқына бақылайтын дәстүрлі фермент кинетикасына қарағанда, жеке ферменттердің кинетикасы мен динамикасына жаңа көзқарас ұсынады. Жоғарыда көрсетілген мысал ферменттік талдаудың прогресс қисығын көрсетеді. Фермент реакция басталғаннан кейін қысқа уақыт ішінде шамамен сызықтық жылдамдықпен өнім жасайды. Реакция жүріп, субстрат тұтылатын кезде жылдамдық үнемі баяулайды (егер субстрат әлі де қанықтыру деңгейінде болмаса). Бастапқы (және максималды) жылдамдықты өлшеу үшін ферменттік талдаулар әдетте реакция толық аяқталуға бірнеше пайыз ғана жеткен кезде жүргізіледі. Бастапқы кезеңнің ұзақтығы талдау жағдайларына байланысты және миллисекундтардан сағаттарға дейін созылуы мүмкін. Алайда, сұйықтықтарды жылдам араластыруға арналған құралдар бір секундтан аз бастапқы жылдамдықпен жылдам кинетикалық өлшемдерді жүргізуге мүмкіндік береді. Бұл өте жылдам талдаулар тұрақты күйдегі кинетиканы өлшеу үшін маңызды, олар төменде талқыланады. Көптеген фермент кинетикалық зерттеулер ферменттік реакциялардың бастапқы, шамамен сызықтық бөлігіне назар аударады. Дегенмен, толық реакция қисығын өлшеуге және осы деректерді сызықтық емес жылдамдық теңдеуіне сәйкес келтіруге болады. Ферменттік реакцияларды өлшеудің бұл әдісі прогресс қисығы талдауы деп аталады. Бұл тәсіл бастапқы жылдамдықты дәл өлшеу мүмкін болмағанда жылдам кинетикаға балама ретінде пайдалы. Энзимологиялық деректерді есепке алу стандарттары ферменттік белсенділікті зерттеуден алынған кинетикалық және тепе-теңдік деректерді, соның ішінде тиісті тәжірибелік жағдайларды толық есепке алу үшін қажетті ең төменгі ақпаратты ұсынады. Нұсқаулар функционалдық фермент деректерін қатаң және сенімді түрде баяндау үшін әзірленді.
Бір субстратты реакциялар
Бір субстратты механизмді ферменттерге триозофосфат-изомераза немесе бисфосфоглицерат мутаза сияқты изомеразалар, аденолат циклаза және «шекеш басының» рибозимі – РНК лиазасы сияқты молекулалық лиазалар жатады. Дегенмен, тек бір субстратты ғана пайдаланатын кейбір ферменттер осы механизмдер санатына кірмейді. Каталаза осыған мысал, себебі фермент сутек пероксиді субстратының бірінші молекуласымен әрекеттесіп, тотығады, содан кейін екінші субстрат молекуласымен тотығудан арылады. Бір субстрат қатысқанымен, модификацияланған фермент аралық қосылысының болуы каталаза механизмінің іс жүзінде пинг-понг механизмі екенін көрсетеді, осы механизмнің түрі төмендегі көп субстратты реакциялар бөлімінде талқыланады.
Михаэлис-Ментен теңдеуінің сызықтық графиктері
Жоғарыда v пен [S] графигі сызықтық емес; төменгі [S] мәндерінде бастапқыда сызықтық болғанымен, жоғары [S] мәндерінде қанығуға иіледі. Компьютерлерде сызықтық емес қисықтарды құру мүмкіндігі пайда болғанға дейін, бұл сызықтықсыздық KM және Vmax параметрін дәл бағалауды қиындататын. Сондықтан, бірнеше зерттеушілер Михаэлис-Ментен теңдеуінің сызықтық түрлерін жасады, мысалы, Линевевер-Берк графигі, Эди-Хофсти диаграммасы және Ханес-Вулф графигі. Бұл сызықтық бейнелеулердің барлығы деректерді визуализациялау үшін пайдалы, бірақ кинетикалық параметрлерді анықтау үшін ешқайсысын қолдануға болмайды, себебі сызықтық емес регрессия әдістерімен дәлірек анықтауға мүмкіндік беретін компьютерлік бағдарламалық құралдар жеткілікті. Линевевер-Берк графигі немесе екі реципрок графигі кинетикалық деректерді көрсетудің кең таралған тәсілі. Ол Михаэлис-Ментен теңдеуінің екі жағының өзара шамасын алу арқылы құрастырылады. Оң жақта көрсетілгендей, бұл Михаэлис-Ментен теңдеуінің сызықтық түрі болып табылады және y = mx + c теңдеуімен сипатталатын түзу сызықты құрайды, мұнда y осіндегі қиылыс 1/Vmax-қа, ал x осіндегі қиылыс -1/KM-ге тең. Әрине, теріс 1/[S] мәнінде эксперименттік мәндерді алу мүмкін емес; ең төменгі шекті мән 1/[S] = 0 (y осіндегі қиылыс) шексіз субстрат концентрациясына сәйкес келеді, онда 1/v=1/Vmax, оң жақта көрсетілгендей; демек, x осіндегі қиылыс оң концентрацияларда алынған эксперименттік деректердің экстраполяциясы болып табылады. Жалпы алғанда, Линевевер-Берк графигі төмен субстрат концентрациясында алынған өлшемдердің маңыздылығын бұрмалайды, сондықтан Vmax және KM параметрін дәл емес бағалауға әкелуі мүмкін. Көбірек дәлдік беретін сызықтық график әдісі – Эди-Хофсти графигі. Бұл жағдайда v, v/[S] шамасына қарсы сызылады. Үшінші кең таралған сызықтық бейнелеуде, Ханес-Вулф графигі, [S]/v шамасы [S]-қа қарсы сызылады. Жалпы, деректерді нормалау эксперименттік жұмыстың көлемін азайтуға және нәтижелердің сенімділігін арттыруға көмектеседі, сонымен қатар графикалық және сандық талдау үшін де қолайлы.
Кинетикалық тұрақтылардың практикалық мәні
Фермент кинетикасын зерттеу екі негізгі себеппен маңызды. Біріншіден, ол ферменттердің қалай жұмыс істейтінін түсіндіруге көмектеседі, екіншіден, тірі организмдерде ферменттердің қалай әрекет ететінін болжауға мүмкіндік береді. Жоғарыда анықталған кинетикалық тұрақтылар, KM және Vmax, ферменттердің метаболизмді қалай реттейтінін түсінуге маңызды. Мұндай болжамдар жасау тіпті қарапайым жүйелер үшін де оңай емес. Мысалы, оксалоацетат митохондрия ішінде малат дегидрогеназа арқылы түзіледі. Оксалоацетат содан кейін цитрат синтазасы, фосфоенолпируват карбоксикиназасы немесе аспартат аминотрансферазасы арқылы цитр қышқылы циклына, глюконеогенезге немесе аспартик қышқылының биосинтезіне жұмсалады. Оксалоацетаттың қандай жолға қанша мөлшерде түсетінін болжау үшін оксалоацетаттың концентрациясы, сондай-ақ осы ферменттердің әрқайсысының концентрациясы мен кинетикасы туралы мәлімет болуы керек. Метаболизм жолдарының мінез-құлқын болжау мақсаты кинетикалық және гендік экспрессия деректерінің үлкен көлемін тұтас организмдердің математикалық модельдеріне біріктіру арқылы ең күрделі деңгейге жетеді. Балама ретінде, метаболикалық модельдеу мәселесін оңайлатудың бір жолы – фермент кинетикасын ескермей, тек реакциялық желінің стехиометриясы туралы ақпаратқа сүйену, бұл әдіс ағым тепе-теңдігін талдау деп аталады.
Көп субстратты реакциялар
Көп субстратты реакциялар субстраттардың қалай және қандай реттілікпен байланысатынын сипаттайтын күрделі жылдамдық теңдеулеріне бағынады. Бұл реакцияларды талдау, егер А субстратының концентрациясы тұрақты ұсталып, ал В субстратының концентрациясы өзгертілсе, әлдеқайда оңай болады. Мұндай жағдайларда фермент бір субстратты фермент сияқты жұмыс істейді және v-ті [S] графигіне түсіргенде В субстраты үшін шартты KM және Vmax мәндері алынады. Егер А-ның әртүрлі тұрақты концентрацияларында осындай өлшемдер жиынтығы жасалса, алынған деректер реакция механизмін анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Екі субстратты – А мен В – қабылдап, оларды екі өнімге – P мен Q – айналдыратын фермент үшін екі түрлі механизм болады: үштік кешен және пинг-понг.
Тернарлы-кешенді механизмдер
Бұл ферменттерде екі субстрат та ферментке бір уақытта байланысып, EAB үштік кешенін құрайды. Байланыс реті кездейсоқ (кездейсоқ механизмде) немесе субстраттар белгілі бір ретпен (реттелген механизмде) байланысуы керек. Lineweaver–Burk графигінде үштік кешенді механизмге ие ферменттен алынған v-тің [S]-қа қатысты қисықтарының жиынтығы (A тұрақты, B өзгермелі) салынғанда, пайда болатын сызықтар қиылысады. Глутатион S трансфераза, дигидрофолат редуктаза және ДНК полимераза – үштік кешенді механизмдерге ие ферменттердің мысалдары. Төмендегі сілтемелер дигидрофолат редуктаза және ДНК полимераза ферменттерінің үштік кешенді механизмдерінің қысқаша анимацияларын көрсетеді.
Пинг-понг тетіктері
Оң жақта көрсетілгендей, пинг-понг механизмі бар ферменттер екі күйде болуы мүмкін: E және ферменттің химиялық түрленген формасы E*; бұл өзгертілген фермент аралық зат ретінде белгілі. Мұндай механизмдерде А субстраты байланысып, мысалы, химиялық топты белсенді орынға ауыстыру арқылы ферментті E* күйіне өзгертеді, содан кейін босатылады. Тек бірінші субстрат босатылғаннан кейін ғана B субстраты өзгертілген ферментпен байланысып, реакцияға түсіп, өзгертілмеген E күйін қалпына келтіре алады. Пинг-понг механизмі бар ферменттен алынған v-тан [S]-қа қисықтар жиынтығы (A тұрақты, B өзгермелі) Lineweaver-Burk графигінде көрсетілгенде, параллель түзулер жиынтығы пайда болады. Бұл екіншілік график деп аталады. Пинг-понг механизмі бар ферменттерге тиоредоксин пероксидазасы сияқты кейбір оксидоредуктазалар, ацилнейроминат цитидилилтрансферазасы сияқты трансферазалар және трипсин мен химотрипсин сияқты серин протеазалары жатады. Серин протеазалары – өте кең таралған және әртүрлі ферменттер отбасысы, оның ішінде ас қорыту ферменттері (трипсин, химотрипсин және эластаза), қан ұю каскадының бірнеше ферменттері және тағы да басқалары бар. Бұл серин протеазаларында E* аралық – белсенді орындағы серин қалдығының белок субстратындағы пептидтік байланысқа шабуылдауынан пайда болатын ацилденген фермент түрі. Химотрипсиннің механизмін көрсететін қысқаша анимация осы жерде қолжетімді.
Майкл емес ментен кинетикасы
Көптеген әртүрлі фермент жүйелері Микаэлис-Ментен емес мінез-құлықты көрсетеді. Олардың ішінде өздігінен катализдейтін ферменттердің, кооперативтік және аллостерикалық ферменттердің, интерфейстік және ішкі жасушалық ферменттердің, процессивті ферменттердің кинетикасы сияқтылары бар. Кейбір ферменттер [S] қатысында сигмоидты v графигін құрайды, бұл көбінесе субстраттың белсенді орынға кооперативтік байланысуын көрсетеді. Бұл, бір субстрат молекуласының байланысуы келесі субстрат молекулаларының байланысуына әсер етеді дегенді білдіреді. Мұндай мінез-құлық, әсіресе, бірнеше өзара әрекеттесетін белсенді орындары бар мультимерлік ферменттерде кездеседі. Мұндағы кооперация механизмы гемоглобинге ұқсас: субстраттың бір белсенді орынға байланысуы, басқа белсенді орындардың субстратқа деген туыстығын өзгертеді. Оң кооперативтілік, егер бірінші субстрат молекуласының байланысуы басқа белсенді орындардың субстратқа деген туыстығын арттырса, пайда болады. Кері кооперативтілік, егер бірінші субстраттың байланысуы ферменттің басқа субстрат молекулаларына деген туыстығын төмендетсе, пайда болады. Аллостерикалық ферменттерге сүтқоректілердің тирозил-тРНК синтетазасы (теріс кооперативтілік көрсетеді), бактериялық аспартат транскарбамоилазасы және фосфофруктокиназасы (оң кооперативтілік көрсетеді) жатады. Кооперативтілік таңқаларлықтай жиі кездеседі және ферменттердің субстраттарының концентрациясының өзгеруіне жауап беруін реттеуге көмектеседі. Оң кооперативтілік ферменттерді [S] -қа өте сезімтал етеді, ал олардың белсенділігі субстрат концентрациясының тар диапазонында айтарлықтай өзгеруі мүмкін. Керісінше, теріс кооперативтілік ферменттерді [S] -дағы шағын өзгерістерге сезімсіз етеді. Микаэлис-Ментен емес кинетикада кооперативтілік дәрежесін сандық түрде сипаттау үшін көбінесе Хилл теңдеуі қолданылады. Туынды Хилл коэффициенті n, субстраттың бір белсенді орынға байланысуының, басқа белсенді орындарға байланысуға қаншалықты әсер ететінін өлшейді. Хилл коэффициенті <1 теріс кооперативтілікті, ал >1 оң кооперативтілікті көрсетеді.
Тұрақты күйдегі кинетика
Фермент субстратпен араласқаннан кейінгі алғашқы сәтте өнім пайда болмайды және аралық заттар да жоқ. Реакцияның келесі бірнеше миллисекундындағы зерттеулер тұрақты күйге дейінгі кинетика деп аталады. Сондықтан тұрақты күйге дейінгі кинетика фермент-субстрат аралықтарының (мысалы, ES немесе E*) олардың тұрақты күйге концентрацияларына жеткенге дейін пайда болуы мен тұтынуын зерттейді. Бұл тәсіл алғаш рет химотрипсин катализдейтін гидролиз реакциясына қолданылды. Көбінесе, фермент қандай механизмді іске асыратынын анықтау үшін аралық затты анықтау маңызды дәлел болып табылады. Мысалы, жоғарыда көрсетілген пинг-понг механизмдерінде жылдам кинетикалық өлшемдер P өнімінің бөлінуін қадағалап, модификацияланған фермент аралығы E* құрамын өлшеуге мүмкіндік береді. Химотрипсин жағдайында бұл аралық, субстратқа белсенді орындағы нуклеофильдік сериннің шабуылы арқылы және ацилденген фермент аралығының қалыптасуы арқылы түзіледі. Оң жақтағы суретте фермент реакцияның алғашқы секундтарында E* аралығын жылдам түрде жасайды. Содан кейін, тұрақты күйге жеткенде жылдамдық төмендейді. Реакцияның бұл жылдам басталу фазасы ферменттің бір айналымын өлшеуге мүмкіндік береді. Демек, графиктің y осіндегі қиылысу ретінде көрсетілген бұл басталу кезінде бөлінген өнімнің мөлшері, сондай-ақ, сынақтағы функционалды ферменттің мөлшерін көрсетеді.
Химиялық механизм
Энзим кинетикасын өлшеудің маңызды мақсаты – ферменттік реакцияның химиялық механизмін, яғни субстратты өнімге түрлендіретін химиялық қадамдардың тізбегін анықтау. Жоғарыда талқыланған кинетикалық тәсілдер аралық заттардың қандай жылдамдықпен түзілетінін және бір-біріне қалай өзгеретінін көрсетеді, бірақ олар осы аралық заттардың нақты не екенін анықтай алмайды. Әртүрлі ерітінді жағдайларында немесе сәл өзгертілген ферменттер мен субстраттарда жүргізілген кинетикалық өлшемдер көбінесе осы химиялық механизмді түсіндіреді, себебі олар реакцияның жылдамдығын шектейтін қадамын немесе аралық заттарды анықтайды. Мысалы, сутек атомына ковалентті байланыстың үзілуі – жиі кездесетін жылдамдық шектейтін қадам. Қай сутек атомы жылдамдық шектейтінін әрбір сутекті оның тұрақты изотопы – дейтериймен алмастырудың кинетикалық әсерін өлшеу арқылы көрсетуге болады. Критикалық сутек атомы ауыстырылғанда, дейтерийге байланысты байланыстарды үзу сутекке байланысты байланыстарды үзуге қарағанда қиынырақ болғандықтан бастапқы кинетикалық изотоп эффектісінен жылдамдық өзгеруі мүмкін. Сондай-ақ, 13C/12C және 18O/16O сияқты басқа изотоптық алмастырулармен де ұқсас эффектілерді өлшеуге болады, бірақ бұл эффектілер көбінесе нәзік болады. Изотоптар сонымен қатар соңғы өнімдегі субстрат молекулаларының әртүрлі бөліктерінің тағдырын анықтау үшін де қолданылуы мүмкін. Мысалы, кейде соңғы өнімдегі оттек атомының қандай көзден келгенін анықтау қиын; себебі ол судан немесе субстраттың бір бөлігінен алынған болуы мүмкін. Бұл реакцияға қатысатын әртүрлі молекулаларға жүйелі түрде оттектің тұрақты изотопы 18O-ны алмастыру және өнімдегі изотопты тексеру арқылы анықталуы мүмкін. Химиялық механизмді әртүрлі pH жағдайларында кинетиканы және изотоп эффектілерін зерттеу арқылы, металл иондарын немесе басқа байланысқан кофакторларды өзгерту арқылы, сақталған аминқышқыл қалдықтарының сайтқа бағытталған мутагенезі арқылы немесе субстрат(тар) аналогтарының қатысуында ферменттің мінез-құлқын зерттеу арқылы да анықтауға болады.
Ферменттерді ингибициялау және активациялау
Фермент ингибиторлары – ферменттердің активтілігін төмендететін немесе тоқтатып тастайтын молекулалар, ал фермент активаторлары – ферменттердің катализдік жылдамдығын арттыратын молекулалар. Бұл өзара әрекеттесулер қайтымды (яғни, ингибиторды жою фермент активтілігін қалпына келтіреді) немесе қайтымсыз (яғни, ингибитор ферменттің активтілігін түгелдей жояды) болуы мүмкін.
Қайталанбайтын ингибиторлар
Фермент ингибиторлары ферменттерді қайтымсыз түрде деактивациялай алады, әдетте активті орын қалдықтарын ковалентті түрде өзгерту арқылы. Бұл реакциялар, «өз-өзіне зиян келтіретін субстраттар» деп те аталады, экспоненциалдық ыдырау функцияларын сақтайды және әдетте қанықтырылады. Қанығу шегінен төменде, олар ингибиторға қатысты бірінші реттік кинетика заңдылықтарына бағынады. Қайтымсыз ингибиция екі ерекше түрге бөлінеді. Аффиниттік белгілеу – бұл ингибицияның қайтымсыз түрі, онда жоғары реакциялық қабілеті бар функционалдық топ, қызығушылық тудыратын белоктағы катализдік маңызды қалдықты өзгертіп, ингибицияны тудырады. Ал механизмге негізделген ингибиция ингибитордың байланысуын, одан кейін фермент жүзеге асыратын өзгерістерді қамтиды, бұл соңғысын ферментті қайтымсыз өзгертетін реакциялық топқа айналдырады.
Ингибицияның кері қайтарылуы мен кері қайтарылмауы туралы философиялық дискурс
Жоғарыда аталған екі бөлімде қайтымды ингибициялау және қайтымсыз ингибициялау туралы талқылағаннан кейін, қайтымдылық (немесе қайтымсыздық) ұғымының тек талдаудың уақыт шегіне байланысты таза теориялық тұжырым екенін атап өту қажет, яғни, ингибитор молекуласының қосылуы мен ажырасуын қамтитын қайтымды талдау, егер талдау нәтижелерін секундтарда бағаласа, қайтымсыз болып көрінеді, және керісінше. Белгілі бір уақыт шегінде ингибитордың мінез-құлқы қайтымдылықтан қайтымсыздыққа дейін үздіксіз өзгереді. Кейбір ингибиторлар баяу әсер етеді, және олардың көпшілігі қызығушылық тудыратын белокқа берік байланысады.
Катализаның механизмдері
Фермент-субстрат өзара әрекеттесуінің ең қабылданған моделі – индукцияланған сәйкестік моделі. Бұл модель фермент пен субстрат арасындағы бастапқы өзара әрекеттесудің салыстырмалы түрде әлсіз екенін, бірақ осы әлсіз өзара әрекеттесулер ферментте конформациялық өзгерістерді жылдам тудыратынын, байланысты нығайтатынын көрсетеді. Бұл конформациялық өзгерістер сондай-ақ реакцияда өзгеретін субстраттағы химиялық байланыстарға жақын белсенді ортадағы каталитикалық қалдықтарды жақындатады. Конформациялық өзгерістерді дөңгелек дихроизм немесе екі поляризациялық интерферометрия арқылы өлшеуге болады. Байланыс орналысқаннан кейін, катализдің бір немесе бірнеше механизмдері реакцияның өту күйінің энергиясын төмендетеді, реакция үшін баламалы химиялық жол ұсынады. Катализ механизмдеріне байланыс кернеуі арқылы катализ, жақындық және бағдар бойынша, белсенді ортадағы протон донорлары немесе акцепторлары арқылы, ковалентті катализ және кванттық туннельдеу жатады. Фермент кинетикасы фермент қандай катализ режимін қолданатынын дәлелдей алмайды. Дегенмен, кейбір кинетикалық деректер басқа әдістермен зерттелетін мүмкіндіктерді ұсынуы мүмкін. Мысалы, тұрақты күйге жеткенге дейінгі кинетикасы бар пинг-понг механизмі осы фермент механизмінде ковалентті катализ маңызды болуы мүмкін екенін көрсетеді. Балама ретінде, Vmax-қа күшті әсер ететін, бірақ KM-ға әсер етпейтін pH әсерінің байқалуы белсенді ортадағы қалдық катализ жүруі үшін белгілі бір иондану күйінде болуы керектігін көрсетеді.
Тарих
1902 жылы Виктор Анри фермент кинетикасының сандық теориясын ұсынды, бірақ сол кезде сутегі иондарының концентрациясының эксперименталдық маңызы әлі анықталмаған еді. Питер Лориц Сёренсен 1909 жылы логарифмдік pH шкаласын анықтап, буферлеу концепциясын енгізгеннен кейін, неміс химигі Леонор Михаэлис және доктор Мод Леонора Ментен (осы уақытта Михаэлис зертханасында постдокторант зерттеуші) Анридің эксперименттерін қайталады және оның теңдеуін растады, ол қазір әдетте Михаэлис-Ментен кинетикасы деп аталады (кейде Генри-Михаэлис-Ментен кинетикасы деп те айтылады). Олардың жұмысын Г.Э. Бриггс және Дж.Б.С. Холдейн одан әрі дамытып, ферменттік белсенділікті модельдеуде әлі күнге дейін бастапқы нүкте саналатын кинетикалық теңдеулерді туындатты. Генри-Михаэлис-Ментен тәсілінің басты үлесі – ферменттік реакцияларды екі кезеңде қарастыру болды. Бірінші кезеңде субстрат ферментке қайтымды түрде байланысып, фермент-субстрат комплексін құрайды. Бұл кейде Михаэлис комплексі деп аталады. Содан кейін фермент реакциядағы химиялық қадамды катализдеп, өнімді босатады. Көптеген ферменттердің кинетикасы қарапайым Михаэлис-Ментен моделімен жеткілікті түрде сипатталады, бірақ барлық ферменттерде модельде ескерілмеген ішкі қозғалыстар болады және олар жалпы реакция кинетикасына маңызды үлес қосуы мүмкін. Бұл өзгермелі жылдамдықтармен байланысты бірнеше Михаэлис-Ментен жолдарын енгізу арқылы модельдеуге болады, бұл негізгі Михаэлис-Ментен механизмінің математикалық кеңейтімі.
Бағдарламалық жасақтама
ENZO (Enzyme Kinetics) – фермент катализделген реакциялардың кинетикалық модельдерін құруға арналған графикалық интерфейс құралы. ENZO белгіленген ферменттік реакция схемасынан сәйкес дифференциалдық теңдеулерді автоматты түрде жасайды. Бұл дифференциалдық теңдеулер сандық шешімдеушімен және тәжірибелік түрде алынған уақытқа қарай өзгеретін қисықтарға дифференциалдық теңдеулердің коэффициенттерін бейімдейтін регрессия алгоритмімен өңделеді. ENZO бәсекелес реакция схемаларын жылдам бағалауға мүмкіндік береді және фермент кинетикасының стандартты сынақтарында қолданылуы мүмкін.
Түсініктемелер
а. Сілтеме: Интерактивті Michaelis-Menten кинетикасы туралы оқулық (Java қажет)
β. Сілтеме: дигидрофолат редуктаза механизмі (Gif)
γ. Сілтеме: ДНК полимераза механизмі (Gif)
δ. Сілтеме: Химотрипсин механизмі (Flash қажет)
β. Link: dihydrofolate reductase mechanism (Gif)
γ. Link: DNA polymerase mechanism (Gif)
δ. Link: Chymotrypsin mechanism (Flash required)