Հիմնական նյութ

Դասընթաց․ (Կենսաբանություն) > Բաժին 7

Դաս 6: Ֆերմենտների կարգավորում

Ֆերմենտային կինետիկայի գրաֆիկների հիմունքներ

Ինչպես կարդալ ֆերմենտային կինետիկայի գրաֆիկները (և ինչպես են դրանք պատրաստվում): Km և Vmax: Մրցակցային և ոչ մրցակցային արգելափակիչներ:

Ներածություն

Պատկերացրու՝ սպորտային մեքենաների խանութում ես: Ի՞նչ կուզես իմանալ քո ունեցած տարբերակների մասին (օր.՝ Ferrari, Porsche, Jaguar և այլն), որպեսզի որոշես, թե որն է լավագույնը: Ակնհայտ գործոններից մեկը կլինի այն, թե որքան արագ կգնա մեքենան, եթե այն վարես։ Բայց գուցե ավելի մանրամասն տեղեկույթ ցանկանաս ստանալ մեքենայի մասին, օրինակ՝ ինչքան արագ է այն զարգացնում արագությունը 0-ից մինչև 60 մղոն/ժամ: Այլ կերպ ասած՝ միայն նրա առավելագույն արագությունն իմանալու փոխարեն նաև կուզես իմանալ կինետիկ էներգիան, թե ինչպես է մեքենան հասնում այդ արագությանը:

Կենսաքիմիկոսները հակված են նման ձևով մտածելու իրենց ուսումնասիրած ֆերմենտների մասին: Նրանք ոչ միայն ցանկանում են իմանալ, թե ֆերմենտը որքան արագ կաշխատի, այլև ցանկանում են հնարավորինս շատ իմանալ ռեակցիայի արագության վրա ֆերմենտի ազդեցության մասին։

Փաստորեն, կարող ես մի ուշագրավ դեպք պատմել այն մասին, թե ինչպես է գործում ֆերմենտը, և ինչպես է այն փոխազդում այլ մոլեկուլների հետ, ինչպիսիք են արգելակիչները՝ ուղղակի չափելով, թե որքան արագ է այն կատալիզում ռեակցիան մի շարք տարբեր պայմաններում: Այսպիսի փորձերի մասին տեղեկությունը հաճախ ներկայացվում է ուրվագրերի տեսքով, ուստի մենք մի քիչ ժամանակ կծախսենք՝ քննարկելու համար, թե ինչպես են կազմվում ուրվագրերը, և ինչպես դրանք կարդալ առավելագույն չափով տեղեկություն ստանալու համար:

Ֆերմենտի կինետիկայի հիմնական ուրվագրերը

Ուրվագրերը, որոնցից մեկը պատկերված է ստորև (ռեակցիայի արագության՝ սուբստրատի կոնցենտրացիայից կախվածության ուրվագիրը), հաճախ օգտագործվում է ֆերմենտների կինետիկայի մասին նյութի ցուցադրման նպատակով: Դրանք տրամադրում են շատ օգտակար տեղեկույթ, բայց կարող են առաջին հայացքից շփոթեցնող թվալ: Այստեղ մենք քայլ առ քայլ կսովորենք, թե ինչպես կազմել ուրվագրեր և մեկնաբանել դրանք։

Պատկերացրու, որ քո սիրելի ֆերմենտով փորձանոթ ունես և ուզում ես իմանալ, թե ինչպես է ֆերմենտն իրեն դրսևորում տարբեր պայմաններում: Դրա համար իրականացնում ես մի շարք փորձեր, որոնցում օգտագործում ես տարբեր կոնցենտրացիայով սուբստրատ, օրինակ՝ 0 Մ, 0,2 Մ, 0,4 Մ, 0,6 Մ, 0,8 Մ և 1,0 Մ, և գտնում ես ռեակցիայի արագությունը (դա այն է, թե որքան արագ է քո սուբստրատը վերածվում վերջնարդյունքի), երբ ավելացնում ես ֆերմենտ յուրաքանչյուր դեպքում: Իհարկե, պիտի ուշադիր լինես, որ բոլոր փորձերում նույն կոնցենտրացիայով ֆերմենտ ավելացնես, որպեսզի կարողանաս համեմատություն անել։

Ինչպե՞ս կորոշես ռեակցիայի արագությունը։ Այն, ինչը դու իրականում ուզում ես որոշել, ռեակցիայի սկզբնական արագությունն է, երբ ընդամենը միացրել ես ֆերմենտը սուբստրատին, և ֆերմենտը կատալիզում է ռեակցիան այնքան արագ, որքան հնարավոր է սուբստրատի որոշակի կոնցենտրացիաների դեպքում (քանի որ ռեակցիայի արագությունը ֆերմենտի ծախսվելուն զուգընթաց ի վերջո կհավասարվի զրոյի): Այսպիսով՝ կչափես վերջանյութի քանակը միավոր ժամանակում հենց ռեակցիայի սկզբում, երբ վերջանյութի կոնցենտրացիան աճում է գծային կախվածությամբ: Այդ արժեքը՝ վերջանյութի քանակը, որն առաջանում է միավոր ժամանակում ռեակցիայի սկզբում, կոչվում է սկզբնական արագություն կամ

V_{0}

տվյալ կոնցենտրացիայի համար:

Ենթադրենք՝ գտել ես

V_{0}

-ի արժեքները քեզ հետաքրքրող բոլոր կոնցենտրացիաների համար: Հիմա կարող ես X և Y առանցքների վրա նշել սուբստրատի յուրաքանչյուր կոնցենտրացիայի և նրա

V_{0}

-ի զույգի արժեքները: Երբ ավարտես տարբեր կոնցենտրացիաների զույգերն անցկացնելը, կարող ես միացնել կետերը՝ գծելով ամենահամապատասխան կորը՝ ուրվագիր ստանալու համար: Ֆերմենտների բազմաթիվ տեսակների համար ուրվագիրն ունի վերևում ցուցադրված մանուշակագույն գծի տեսքը.

V_{0}

արժեքները արագ կբարձրանան սուբստրատի ցածր կոնցենտրացիաների դեպքում, ապա կիջնեն՝ վերածվելով ուղիղ գծի՝ սուբստրատի բարձր կոնցենտրացիաների դեպքում:

Նկարը՝ "Enzymes: Figure 3"՝ մշակված OpenStax College, Biology-ի կողմից (CC BY 3.0)։

Այս ուղիղ գիծն առաջանում է, քանի որ ֆերմենտը հագեցած է, ինչը նշանակում է, որ ֆերմենտի բոլոր մոլեկուլներն արդեն կապված են մշակվող սուբստրատների հետ: Սուբստրատի յուրաքանչյուր լրացուցիչ մոլեկուլ պետք է սպասի, մինչև այլ ֆերմենտ հասանելի դառնա, ուստի ռեակցիայի արագությունը (միավոր ժամանակում առաջացած վերջանյութի քանակը) սահմանափակվում է ֆերմենտի կոնցենտրացիայով: Ռեակցիայի առավելագույն արագությունը բնորոշ է որոշակի ֆերմենտների որոշակի կոնցենտրացիաներով և հայտնի է որպես առավելագույն արագություն կամ $V_{m a x}$ ‍:

V_{m a x}

-ը Y-ի արժեքն է (ռեակցիայի սկզբնական արագության արժեքը), որի դեպքում գրաֆիկը դառնում է ուղիղ գիծ։

Սուբստրատի կոնցենտրացիան, որի դեպքում ռեակցիայի արագությունը հավասար է առավելագույն արագության՝

V_{m a x}

-ի կեսին և կոչվում է $K_{m}$ ‍, որը օգտակար ցուցանիշ է՝ չափելու համար, թե որքան արագ է ռեակցիայի արագությունը աճում՝ կախված սուբստրատի կոնցենտրացիայից։

K_{m}

-ը նույնպես չափում է ֆերմենտի խնամակցությունը (կապվելու միտումը) իր սուբստրատի նկատմամբ: Ցածր

K_{m}

-ը համապատասխանում է սուբստրատի նկատմամբ բարձր խնամակցության, իսկ բարձր

K_{m}

-ը՝ ցածր խնամակության: Ի տարբերություն

V_{m a x}

-ի, որը կախված է ֆերմենտի կոնցենտրացիայից,

K_{m}

-ը միշտ նույնն է որոշակի ֆերմենտի համար, որը բնութագրում է տվյալ ռեակցիան (չնայած «ակնհայտ» կամ փորձնական եղանակով չափված

K_{m}

-ը կարող է փոփոխվել արգելակիչներով, ինչպես քննարկվում է ստորև):

Ֆերմենտի կինետիկայի ուրվագրեր և արգելակիչներ

Ի՞նչ կասես արգելակիչների մասին: Մենք Ֆերմենտի կարգավորումը հոդվածում քննարկել ենք արգելակիչների երկու տեսակ՝ մրցակցային և ոչ մրցակցային։

Մրցակցային արգելակիչները արգելակում են ռեակցիայի ընթացքը՝ կապվելով ֆերմենտի ակտիվ կենտրոնին, և թույլ չեն տալիս, որ իսկական սուբստրատը միանա: Ժամանակի ցանկացած պահի կա՛մ միայն մրցակցային արգելակիչը, կա՛մ միայն սուբստրատը կարող է միանալ ֆերմենտին (երկուսը միասին չեն կարող): Սա նշանակում է, որ արգելակիչը և սուբստրատը մրցում են ֆերմենտի համար: Մրցակցային արգելակիչները գործում են՝ պակասեցնելով ֆերմենտի այն մոլեկուլների քանակը, որոնք հասանելի են սուբստրատի համար:
Ոչ մրցակցային արգելակիչները չեն խանգարում ֆերմենտին սուբստրատի միացմանը: Փաստորեն, արգելակիչը և սուբստրատը ընդհանրապես չեն ազդում մեկը մյուսի վրա՝ ֆերմենտին միանալու համար: Սակայն երբ արգելակիչը միացած է, ֆերմենտը չի կարող կատալիզել իր ռեակցիան և վերջանյութ ստեղծել։ Այսպիսով՝ ոչ մրցակցային արգելակումը գործում է՝ պակասեցնելով ֆերմենտի ակտիվ մոլեկուլների քանակը, որոնք կարող են իրականացնել ռեակցիա:

Եթե ցանկանայինք այս արգելակիչների ազդեցությունը ուրվագրով պատկերել, ինչպես վերևում ցուցադրվածն է, կարող էինք կրկնել մեր ամբողջ փորձը ևս երկու անգամ. մի դեպքում՝ որոշակի քանակով մրցակցային արգելակիչ ավելացնելով յուրաքանչյուր ռեակցիային, մյուս դեպքում՝ ոչ մրցակցային: Կստանայինք ահա այսպիսի արդյունքներ.

Նկարը՝ "Enzymes: Figure 3"՝ մշակված OpenStax College, Biology-ի կողմից (CC BY 3.0)։

Մրցակցային արգելակիչի հետ ռեակցիան ի վերջո կհասնի $V_{m a x}$ ‍-ին, բայց այն պահանջում է սուբստրատի ավելի մեծ կոնցենտրացիա դրան հասնելու համար: Այլ կերպ ասած՝ $V_{m a x}$ ‍-ը անփոփոխ է, բայց ակնհայտ $K_{m}$ ‍-ը բարձր է: Ինչու՞ պետք է ավելի շատ սուբստրատ ավելացնենք $V_{m a x}$ ‍-ին հասնելու համար: Սուբստրատի ավելցուկը մեծացնում է սուբստրատի մոլեկուլների քանակը այնքան, որքան բավարար է ֆերմենտի մոլեկուլներին միանալ փորձող արգելակիչի մոլեկուլներին «խանգարելու» համար։
Ոչ մրցակցային արգելակիչի դեպքում ռեակցիան երբեք չի հասնի իր նորմալ $V_{m a x}$ ‍-ին՝ անկախ նրանից, թե ինչքան սուբստրատ կավելացնենք: Ֆերմենտի մոեկուլների որոշակի մասը միշտ կմնա արգելակիչով «թունավորված», հետևաբար ֆերմենտի արդյունավետ կոնցենտրացիան (որը որոշում է $V_{m a x}$ ‍-ը) նվազած է: Սակայն ռեակցիան հասնում է իր նոր $V_{m a x}$ ‍-ի կեսին սուբստրատի նույն կոնցենտրացիայի դեպքում, այդ պատճառով $K_{m}$ ‍-ը մնում է անփոփոխ: Չփոփոխված $K_{m}$ ‍-ը ցույց է տալիս, որ արգելակիչը չի ազդում ֆերմենտի և սուբստրատի միացման վրա, այլ միայն նվազեցնում է օգտագործվող ֆերմենտի կոնցենտրացիան:

Ոչ մրցակցային և մրցակցային արգելակիչները երկու հստակ տարանջատված տեսակներ են, որոնք լավ սահմանված կինետիկ վարք ունեն, ինչի հետևանքով հաճախ ներկայացվում են կենսաբանության ներածական դասընթացներում: Այնուամենայնիվ, կան այլ տեսակի ագելակիչներ, որոնք

V_{m a x}

-ի և

K_{m}

-ի վրա տարբեր ազդեցություններ ունեն։

Արգելակիչների զանազան տեսակներ առանձնանում են նրանով, որ դրանք միանում են կա՛մ միայն ազատ ֆերմենտին, կա՛մ միայն ֆերմենտ-սուբստրատային համալիրին կամ թե՛ ֆերմենտին և թե՛ ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրին (ինչպես նաև իրենց հարաբերական խնամակցությամբ այս երկու ձևերի նկատմամբ): Արգելակիչների և նրանց վարքի «հետևում գտնվող» տեսության մասին լրացուցիչ տեղեկության համար տե՛ս Միքայելիս-Մենթենի ֆերմենտի կինետիկան բաժինը։

Կարճ ամփոփենք արգելակիչների հիմնական տեսակները․

Մրցակցային արգելակիչը, ինչպես վերը նշվեց, միանում է միայն ազատ ֆերմենտին (և չի կարող միանալ ֆերմենտ-սուբստրատային համալիրին): Մրցակցային արգելակումը չի ազդում $V_{m a x}$ ‍-ի վրա, բայց բարձրացնում է $K_{m}$ ‍-ը:
Անմրցակցային արգելակիչը (նույնը չէ, ինչ ոչ մրցակցային արգելակիչը) միանում է միայն ֆերմենտ-սուբստրատային համալիրին, ոչ թե ազատ ֆերմենտին: Անմրցակցային արգելակիչն իջեցնում է $V_{m a x}$ ‍-ը, նաև $K_{m}$ ‍-ը:
Խառը արգելակիչը մրցակցային և անմրցակցային արգելակիչների միջանկյալ վարք է դրսևորում: Այն կապվում է և՛ ազատ ֆերմենտին, և՛ ֆերմենտ-սուբստրատային համալիրին, բայց դրանցից մեկի նկատմամբ ունի ավելի բարձր խնամակցություն (կապվելու միտում): Խառը արգելակիչները հետևողականորեն իջեցնում են $V_{m a x}$ ‍-ը, բայց կարող են կա՛մ բարձրացնել $K_{m}$ ‍-ը, կա՛մ իջեցնել՝ կախված նրանից, թե ֆերմենտի որ ձևին (ազատ, թե սուբստրատի հետ կապված) են ավելի ամուր միանում $^{1}$ ‍:
Ոչ մրցակցային արգելակիչը, ինչպես նշվեց, կապվում է և՛ ազատ ֆերմենտին, և՛ ֆերմենտ-սուբստրատային համալիրին, և չի խախտում նրանց միջև հավասարակշռությունը: (Այլ կերպ ասած, այն ունի հավասար խնամակցություն և՛ ֆերմենտի, և՛ ֆերմենտ-սուբստրատային համալիրի նկատմամբ): Ոչ մրցակցային արգելակումն իրականում ընդամենը խառը արգելակման հատուկ տեսակ է, որի ժամանակ արգելակիչը հավասար խնամակցությամբ միանում է և՛ ֆերմենտին, և՛ ֆերմենտ-սուբստրատային համալիրին: Մաքուր ոչ մրցակցային արգելակումն իջեցնում է $V_{m a x}$ ‍-ը, բայց չի փոխում $K_{m}$ ‍-ը $^{1}$ ‍:

Միքայելիս-Մենթեն և ալլոստերիկ ֆերմենտներ

Շատ ֆերմենտներ վերևում նշված ենթադրյալ ֆերմենտին շատ նման են գործում՝ առաջացնելով պարաբոլային կորեր, որոնք ցույց են տալիս ռեակցիայի արագության կախվածությունը սուբստրատի կոնցենտրացիայից: Ֆերմենտները, որոնք այսպիսի վարք են դրսևորում, բնութագրվում են սուբստրատի կոնցենտրացիան, սկսզբնական արագությունը,

K_{m}

-ը և

V_{m a x}

-ը կապող հավասարմամբ, որը հայտնի է որպես Միքայելիս-Մենթենի հավասարում: Այն ֆերմենտները, որոնց կինետիկան ենթարկվում է այս հավասարմանը, կոչվում են Միքայելիս-Մենթենի ֆերմենտներ: Եթե ցանկանում ես ավելի մանրամասն դիտարկել Միքայելիս-Մենթենի հավասարումը և դրա հիմքում ընկած մոդելը, կարող ես դիտել Միքայելիս-Մենթենի տեսանյութը MCAT բաժնում:

Միքայելիս-Մենթենի ֆերմենտները տարբերվում են ալոստերիկ ֆերմենտներից, որոնք քննարկվել են ֆերմենտների կարգավորման մասին հիմնական հոդվածում: Ալոստերիկ ֆերմենտները սովորաբար ունեն բազմաթիվ ակտիվ կենտրոններ և հաճախ դրսևորում են համագործակցություն, ինչը նշանակում է, որ սուբստրատի միացումը մեկ ակտիվ կենտրոնին մեծացնում է այլ ակտիվ կենտրոնների՝ սուբստրատներ կապելու և մշակելու հնարավորությունը։

Համագործակցային ֆերմենտները սուբստրատի կոնցենտրացիայի փոփոխություններին ավելի զգայուն են պատասխանում, քան այլ ֆերմենտներ, և սուբստրատի կոնցենտրացիայի բարձրացմանը զուգահեռ դրսևորում են «անջատիչի» նմանվող անցում ռեակցիայի ցածր արագությունից դեպի բարձր արագությունը: Սա համապատասխանում է սուբստրատից արագության կախվածության կորին, որը S-աձև տեսք ունի, ինչպես ցուցադրված է վերևում:

Մեջբերում

Հոդվածը՝ "Enzymes"՝ մշակված OpenStax College, Biology-ի կողմից (CC BY 3,0)։ Անվճար ներբեռնիր հոդվածի բնօրինակը՝ http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9,85։

Մշակված հոդվածի արտոնագրի համարն է՝ CC BY-NC-SA 4.0

Օգտագործված գրականություն

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

Հղումներ

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. Retrieved from 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 Retrieved from 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). Retrieved February 15, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Mixed_inhibition.

Non-competitive inhibition. (2015, December 2). Retrieved February 15, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Non-competitive_inhibition.

Ուզո՞ւմ ես միանալ խոսակցությանը։

Մուտք գործել

Դասակարգել ըստ

Առայժմ հրապարակումներ չկան։

Անգլերեն հասկանո՞ւմ ես: Սեղմիր այստեղ և ավելի շատ քննարկումներ կգտնես «Քան» ակադեմիայի անգլերեն կայքում: