วิธีกำหนดอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ ขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ต่อความเข้มข้นของสารตั้งต้น เอนไซม์ และอุณหภูมิ ลักษณะเฉพาะของกระบวนการที่มีสารตั้งต้นเดียว

§ 12. จลนศาสตร์ของปฏิกิริยาของเอนไซม์

จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาเอนไซม์เป็นศาสตร์เกี่ยวกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์และการขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ อัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ถูกกำหนดโดยปริมาณทางเคมีของสารตั้งต้นที่เกิดปฏิกิริยาหรือผลลัพธ์ที่เกิดปฏิกิริยาต่อหน่วยเวลาต่อหน่วยปริมาตรภายใต้เงื่อนไขบางประการ:

โดยที่ v คืออัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ คือการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยา t คือเวลา

อัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ขึ้นอยู่กับลักษณะของเอนไซม์ซึ่งเป็นตัวกำหนดกิจกรรมของมัน ยิ่งกิจกรรมของเอนไซม์สูง อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็จะยิ่งเร็วขึ้น กิจกรรมของเอนไซม์ถูกกำหนดโดยอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ การวัดกิจกรรมของเอนไซม์คือหน่วยมาตรฐานหนึ่งของกิจกรรมของเอนไซม์ หน่วยมาตรฐานหนึ่งของกิจกรรมของเอนไซม์คือปริมาณของเอนไซม์ที่กระตุ้นการเปลี่ยนแปลงของซับสเตรต 1 µmol ใน 1 นาที

ในระหว่างปฏิกิริยาของเอนไซม์ เอนไซม์ (E) ทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้น (S) ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของเอนไซม์-สารตั้งต้นที่ซับซ้อน ซึ่งจะสลายตัวเพื่อปล่อยเอนไซม์และผลิตภัณฑ์ (P) ของปฏิกิริยา:

ความเร็วของปฏิกิริยาของเอนไซม์ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย: ความเข้มข้นของสารตั้งต้นและเอนไซม์ อุณหภูมิ ค่า pH ของสิ่งแวดล้อม การมีอยู่ของสารควบคุมต่างๆ ที่สามารถเพิ่มหรือลดการทำงานของเอนไซม์ได้

น่าสนใจที่จะรู้! เอนไซม์ถูกนำมาใช้ในการแพทย์เพื่อวินิจฉัยโรคต่างๆ ในระหว่างกล้ามเนื้อหัวใจตายเนื่องจากความเสียหายและการสลายตัวของกล้ามเนื้อหัวใจเนื้อหาของเอนไซม์ aspartate transaminase และ alanine aminotransferase ในเลือดจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว การตรวจพบกิจกรรมทำให้สามารถวินิจฉัยโรคนี้ได้

ผลของความเข้มข้นของสารตั้งต้นและเอนไซม์ต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์

ลองพิจารณาผลกระทบของความเข้มข้นของสารตั้งต้นต่ออัตราปฏิกิริยาของเอนไซม์ (รูปที่ 30) ที่ความเข้มข้นต่ำของสารตั้งต้น อัตราจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มข้นของมัน จากนั้น เมื่อความเข้มข้นเพิ่มขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ และที่ความเข้มข้นที่สูงมากของสารตั้งต้น อัตราดังกล่าวแทบไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของมันและถึงค่าของมัน ค่าสูงสุด (V สูงสุด) ที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นดังกล่าว โมเลกุลของเอนไซม์ทั้งหมดจะเป็นส่วนหนึ่งของสารเชิงซ้อนของเอนไซม์-สารตั้งต้น และความอิ่มตัวของจุดศูนย์กลางที่ทำงานอยู่ของเอนไซม์โดยสมบูรณ์ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมอัตราการเกิดปฏิกิริยาในกรณีนี้จึงไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้น

ข้าว. 30. การขึ้นอยู่กับความเร็วของปฏิกิริยาของเอนไซม์ต่อความเข้มข้นของสารตั้งต้น

กราฟของการพึ่งพาการทำงานของเอนไซม์กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นอธิบายได้โดยสมการ Michaelis–Menten ซึ่งได้รับชื่อนี้เพื่อเป็นเกียรติแก่นักวิทยาศาสตร์ผู้มีชื่อเสียง L. Michaelis และ M. Menten ซึ่งมีส่วนช่วยอย่างมากในการศึกษาจลนศาสตร์ของ ปฏิกิริยาของเอนไซม์

โดยที่ v คืออัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ [S] – ความเข้มข้นของสารตั้งต้น; KM – ค่าคงที่ของ Michaelis

ให้เราพิจารณาความหมายทางกายภาพของค่าคงที่มิคาเอลิส โดยมีเงื่อนไขว่า v = ½ V สูงสุด เราจะได้ K M = [S] ดังนั้น ค่าคงที่ Michaelis จึงเท่ากับความเข้มข้นของสารตั้งต้นซึ่งมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาเท่ากับครึ่งหนึ่งของค่าสูงสุด

อัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ยังขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของเอนไซม์ด้วย (รูปที่ 31) การพึ่งพาอาศัยกันนี้ตรงไปตรงมา

ข้าว. 31. การขึ้นอยู่กับความเร็วของปฏิกิริยาของเอนไซม์ต่อความเข้มข้นของเอนไซม์

ผลของอุณหภูมิต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์

การขึ้นต่อกันของอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์กับอุณหภูมิจะแสดงไว้ในรูปที่ 1 32.

ข้าว. 32. การขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์กับอุณหภูมิ

ที่อุณหภูมิต่ำ (สูงถึงประมาณ 40 - 50 o C) อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 10 o C ตามกฎของ Van't Hoff จะมาพร้อมกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีที่เพิ่มขึ้น 2 - 4 เท่า ที่อุณหภูมิสูงมากกว่า 55 - 60 o C กิจกรรมของเอนไซม์จะลดลงอย่างรวดเร็วเนื่องจากการสูญเสียความร้อนและด้วยเหตุนี้อัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์จึงลดลงอย่างรวดเร็ว โดยปกติกิจกรรมของเอนไซม์สูงสุดจะสังเกตได้ในช่วง 40 - 60 o C อุณหภูมิที่กิจกรรมของเอนไซม์สูงสุดเรียกว่าอุณหภูมิที่เหมาะสม อุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับเอนไซม์ของจุลินทรีย์ที่ชอบความร้อนนั้นอยู่ในบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงกว่า

ผลของ pH ต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์

การขึ้นอยู่กับการออกฤทธิ์ของเอนไซม์ต่อค่า pH จะแสดงไว้ในรูปที่ 1 33.

ข้าว. 33. อิทธิพลของ pH ต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์

กราฟ pH เป็นรูประฆัง ค่า pH ที่กิจกรรมของเอนไซม์สูงสุดเรียกว่า ค่า pH ที่เหมาะสมที่สุดเอนไซม์. ค่า pH ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเอนไซม์ต่างๆนั้นแตกต่างกันอย่างมาก

ธรรมชาติของการพึ่งพาปฏิกิริยาของเอนไซม์ต่อ pH นั้นถูกกำหนดโดยข้อเท็จจริงที่ว่าตัวบ่งชี้นี้ส่งผลต่อ:

ก) ไอออนไนซ์ของกรดอะมิโนที่ตกค้างที่เกี่ยวข้องกับการเร่งปฏิกิริยา

b) ไอออไนซ์ของสารตั้งต้น

c) โครงสร้างของเอนไซม์และศูนย์กลางที่ทำงานอยู่

การยับยั้งเอนไซม์

อัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์สามารถลดลงได้ด้วยสารเคมีจำนวนหนึ่งที่เรียกว่า สารยับยั้ง- สารยับยั้งบางชนิดเป็นพิษต่อมนุษย์ เช่น ไซยาไนด์ สารยับยั้งบางชนิดใช้เป็นยา

สารยับยั้งสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทหลัก: กลับไม่ได้และ ย้อนกลับได้- สารยับยั้งที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ (I) จับกับเอนไซม์เพื่อสร้างสารเชิงซ้อนซึ่งการแยกตัวออกจากกันซึ่งเป็นไปไม่ได้ที่จะฟื้นฟูกิจกรรมของเอนไซม์:

ตัวอย่างของสารยับยั้งที่ไม่สามารถย้อนกลับได้คือไดไอโซโพรพิลฟลูออโรฟอสเฟต (DFP) DPP ยับยั้งเอนไซม์ acetylcholinesterase ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการส่งกระแสประสาท สารยับยั้งนี้ทำปฏิกิริยากับซีรีนในศูนย์กลางของเอนไซม์ซึ่งขัดขวางการทำงานของเอนไซม์หลัง เป็นผลให้ความสามารถของกระบวนการของเซลล์ประสาทของเซลล์ประสาทในการส่งแรงกระตุ้นเส้นประสาทลดลง DPP เป็นหนึ่งในตัวแทนประสาทแรกๆ จากข้อมูลดังกล่าว จึงได้มีการสร้างผลิตภัณฑ์จำนวนหนึ่งที่ค่อนข้างไม่เป็นพิษต่อมนุษย์และสัตว์ ยาฆ่าแมลง -สารที่เป็นพิษต่อแมลง

สารยับยั้งแบบผันกลับได้นั้นแตกต่างจากตัวยับยั้งที่ไม่สามารถเปลี่ยนกลับคืนสภาพเดิมได้ คือสามารถแยกออกจากเอนไซม์ได้อย่างง่ายดายภายใต้เงื่อนไขบางประการ กิจกรรมหลังได้รับการฟื้นฟู:

สารยับยั้งแบบผันกลับได้ได้แก่ การแข่งขันและ ปราศจากการแข่งขันสารยับยั้ง

สารยับยั้งการแข่งขันซึ่งเป็นอะนาล็อกเชิงโครงสร้างของสารตั้งต้น จะมีปฏิกิริยากับศูนย์กลางที่ทำงานอยู่ของเอนไซม์ และขัดขวางการเข้าถึงเอนไซม์ของสารตั้งต้น ในกรณีนี้ สารยับยั้งจะไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีและจับกับเอนไซม์แบบย้อนกลับได้ หลังจากการแยกตัวของสารเชิงซ้อน EI เอนไซม์สามารถติดต่อทั้งสารตั้งต้นและแปลงมันหรือตัวยับยั้ง (รูปที่ 34) เนื่องจากทั้งซับสเตรตและสารยับยั้งแข่งขันกันเพื่อแย่งชิงพื้นที่ในบริเวณที่ออกฤทธิ์ การยับยั้งดังกล่าวจึงเรียกว่าการยับยั้งแบบแข่งขัน

ข้าว. 34. กลไกการออกฤทธิ์ของสารยับยั้งการแข่งขัน

สารยับยั้งการแข่งขันถูกนำมาใช้ในทางการแพทย์ ก่อนหน้านี้ยาซัลโฟนาไมด์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อต่อสู้กับโรคติดเชื้อ มีโครงสร้างใกล้เคียงกัน กรดพารา-อะมิโนเบนโซอิก(PABA) ซึ่งเป็นปัจจัยการเจริญเติบโตที่สำคัญของแบคทีเรียก่อโรคหลายชนิด PABA เป็นสารตั้งต้นของกรดโฟลิก ซึ่งทำหน้าที่เป็นโคแฟกเตอร์ของเอนไซม์หลายชนิด ยาซัลโฟนาไมด์ทำหน้าที่เป็นตัวยับยั้งการแข่งขันของเอนไซม์สำหรับการสังเคราะห์กรดโฟลิกจาก PABA และด้วยเหตุนี้จึงยับยั้งการเจริญเติบโตและการสืบพันธุ์ของแบคทีเรียที่ทำให้เกิดโรค

สารยับยั้งที่ไม่สามารถแข่งขันได้นั้นไม่มีโครงสร้างคล้ายกับสารตั้งต้น และเมื่อเกิด EI พวกมันจะไม่โต้ตอบกับศูนย์กลางที่ทำงาน แต่กับไซต์อื่นของเอนไซม์ ปฏิสัมพันธ์ของสารยับยั้งกับเอนไซม์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของสารตัวหลัง การก่อตัวของคอมเพล็กซ์ EI สามารถย้อนกลับได้ ดังนั้นหลังจากการสลาย เอนไซม์จึงสามารถโจมตีสารตั้งต้นได้อีกครั้ง (รูปที่ 35)

ข้าว. 35. กลไกการออกฤทธิ์ของสารยับยั้งที่ไม่สามารถแข่งขันได้

ไซยาไนด์ CN - สามารถทำหน้าที่เป็นตัวยับยั้งที่ไม่สามารถแข่งขันได้ มันจับกับไอออนของโลหะที่เป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มเทียมและยับยั้งการทำงานของเอนไซม์เหล่านี้ พิษไซยาไนด์เป็นอันตรายอย่างยิ่ง อาจถึงแก่ชีวิตได้

เอนไซม์อัลโลสเตอริก

คำว่า "allosteric" มาจากคำภาษากรีก allo - อื่น ๆ สเตอริโอ - ไซต์ ดังนั้นเอนไซม์อัลโลสเตอริกพร้อมกับศูนย์ที่ใช้งานอยู่จึงมีอีกศูนย์หนึ่งที่เรียกว่า ศูนย์อัลโลสเตอริก(รูปที่ 36) สารที่สามารถเปลี่ยนการทำงานของเอนไซม์จับกับศูนย์กลางอัลโลสเตอริกเรียกว่าสารเหล่านี้ เอฟเฟกต์อัลโลสเตอริก- เอฟเฟกต์เป็นบวก - กระตุ้นการทำงานของเอนไซม์และมีผลเชิงลบ - ยับยั้งเช่น ลดการทำงานของเอนไซม์ เอนไซม์อัลโลสเตอริกบางชนิดอาจได้รับผลกระทบจากเอฟเฟกต์ตั้งแต่สองตัวขึ้นไป

ข้าว. 36. โครงสร้างของเอนไซม์อัลโลสเตอริก

การควบคุมระบบมัลติเอนไซม์

เอนไซม์บางชนิดออกฤทธิ์พร้อมกัน โดยรวมกันเป็นระบบหลายเอนไซม์ โดยเอนไซม์แต่ละตัวจะกระตุ้นขั้นตอนเฉพาะของวิถีเมแทบอลิซึม:

ในระบบหลายเอนไซม์ มีเอนไซม์ตัวหนึ่งที่กำหนดอัตราของลำดับปฏิกิริยาทั้งหมด เอนไซม์นี้มักเป็นอัลโลสเตอริกและอยู่ที่จุดเริ่มต้นของวิถีเมตาบอไลต์ โดยสามารถรับสัญญาณต่างๆ ได้ทั้งเพิ่มและลดอัตราการเกิดปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา จึงควบคุมความเร็วของกระบวนการทั้งหมดได้

จลนพลศาสตร์ของเอนไซม์ศึกษาอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ ขึ้นอยู่กับสภาวะต่างๆ (ความเข้มข้น อุณหภูมิ pH ฯลฯ) ของอันตรกิริยากับสารตั้งต้น

อย่างไรก็ตาม เอนไซม์เป็นโปรตีนที่ไวต่ออิทธิพลของอิทธิพลภายนอกต่างๆ ดังนั้น เมื่อศึกษาอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ ส่วนใหญ่จะคำนึงถึงความเข้มข้นของสารที่ทำปฏิกิริยา และพยายามลดอิทธิพลของอุณหภูมิ ค่า pH ของสิ่งแวดล้อม ตัวกระตุ้น สารยับยั้ง และปัจจัยอื่นๆ ให้เหลือน้อยที่สุด และสร้างสภาวะมาตรฐาน ประการแรก นี่คือค่า pH ของสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเอนไซม์ที่กำหนด ประการที่สอง แนะนำให้รักษาอุณหภูมิไว้ที่ 25°C หากเป็นไปได้ ประการที่สาม บรรลุความอิ่มตัวของเอนไซม์โดยสมบูรณ์ด้วยสารตั้งต้น จุดนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นต่ำ โมเลกุลของเอนไซม์บางชนิดอาจไม่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา (รูปที่ 6.5, ก) ซึ่งหมายความว่าผลลัพธ์จะอยู่ไกลจากค่าสูงสุดที่เป็นไปได้ พลังที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา หรือสิ่งอื่นๆ ที่เท่าเทียมกันนั้นจะเกิดขึ้นได้หากโมเลกุลของเอนไซม์แต่ละตัวมีส่วนร่วมในการเปลี่ยนแปลง กล่าวคือ ที่ความเข้มข้นสูงของคอมเพล็กซ์เอนไซม์-ซับสเตรต (รูปที่ 6.5, วี)หากความเข้มข้นของสารตั้งต้นไม่รับประกันความอิ่มตัวของเอนไซม์โดยสมบูรณ์ (รูปที่ 6.5 ข) จากนั้นอัตราการเกิดปฏิกิริยาไม่ถึงค่าสูงสุด

ข้าว. 65.

เอ -ที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นต่ำ 6 - มีความเข้มข้นของสารตั้งต้นไม่เพียงพอ วี -เมื่อเอนไซม์อิ่มตัวกับสารตั้งต้นอย่างสมบูรณ์

อัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ที่วัดได้ภายใต้เงื่อนไขข้างต้นและความอิ่มตัวของเอนไซม์โดยสมบูรณ์เรียกว่าสารตั้งต้น อัตราสูงสุดของปฏิกิริยาของเอนไซม์ (วี)

อัตราของปฏิกิริยาของเอนไซม์ซึ่งกำหนดเมื่อเอนไซม์ไม่อิ่มตัวกับสารตั้งต้นอย่างสมบูรณ์จะแสดงแทน โวลต์

การเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์สามารถทำให้ง่ายขึ้นโดยแผนภาพต่อไปนี้:

โดยที่ F คือเอนไซม์ S - สารตั้งต้น; FS - คอมเพล็กซ์เอนไซม์ - สารตั้งต้น

แต่ละขั้นตอนของกระบวนการนี้มีลักษณะเฉพาะด้วยความเร็วที่แน่นอน หน่วยการวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์คือจำนวนโมลของซับสเตรตที่ถูกแปลงต่อหน่วยเวลา(เท่ากับความเร็วของปฏิกิริยาปกติ)

ปฏิสัมพันธ์ของเอนไซม์กับสารตั้งต้นทำให้เกิดการก่อตัวของเอนไซม์และสารตั้งต้นที่ซับซ้อน แต่กระบวนการนี้สามารถย้อนกลับได้ อัตราของปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นและอธิบายไว้ในสมการที่เกี่ยวข้อง:

ในสภาวะสมดุล สมการ (6.3) ใช้ได้ เนื่องจากอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าและปฏิกิริยาย้อนกลับมีค่าเท่ากัน

แทนที่ค่าความเร็วของปฏิกิริยาไปข้างหน้า (6.1) และย้อนกลับ (6.2) ลงในสมการ (6.3) เราจะได้ความเท่าเทียมกัน:

สภาวะสมดุลมีลักษณะตามความเหมาะสม ค่าคงที่สมดุล K p,เท่ากับอัตราส่วนของค่าคงที่ของปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับ (6.5) ส่วนกลับของค่าคงที่สมดุลเรียกว่า ค่าคงที่ของสารตั้งต้น Ksหรือค่าคงที่การแยกตัวของสารเชิงซ้อนของเอนไซม์-ซับสเตรต:

จากสมการ (6.6) เห็นได้ชัดว่าค่าคงที่ของสารตั้งต้นลดลงที่ความเข้มข้นสูงของสารเชิงซ้อนของเอนไซม์-สารตั้งต้น เช่น มีความมั่นคงสูง ด้วยเหตุนี้ ค่าคงที่ของซับสเตรตจึงแสดงคุณลักษณะความสัมพันธ์ของเอนไซม์และซับสเตรต และอัตราส่วนของค่าคงที่อัตราสำหรับการก่อตัวและการแยกตัวของสารเชิงซ้อนของเอนไซม์-ซับสเตรต

ศึกษาปรากฏการณ์ความอิ่มตัวของเอนไซม์กับสารตั้งต้นโดย Leonor Michaelis และ Maud Mepten จากการประมวลผลผลลัพธ์ทางคณิตศาสตร์ พวกเขาได้สมการ (6.7) ซึ่งได้รับชื่อมา ซึ่งชัดเจนว่าที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นสูงและค่าคงที่ของสารตั้งต้นต่ำ อัตราของปฏิกิริยาของเอนไซม์จะมีแนวโน้มสูงสุด . อย่างไรก็ตาม สมการนี้ถูกจำกัดเนื่องจากไม่ได้คำนึงถึงพารามิเตอร์ทั้งหมด:

คอมเพล็กซ์ของเอนไซม์และสารตั้งต้นระหว่างปฏิกิริยาสามารถเกิดการเปลี่ยนแปลงในทิศทางที่ต่างกัน:

• แยกตัวออกเป็นสารต้นกำเนิด
• เปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์ที่แยกเอนไซม์ออกมาไม่เปลี่ยนแปลง

ดังนั้น เพื่ออธิบายการกระทำโดยรวมของกระบวนการเอนไซม์ จึงเป็นแนวคิด Michaelis ค่าคงที่ Kt,ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่าคงที่อัตราของปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ทั้งสามปฏิกิริยา (6.8) หากทั้งสองพจน์ถูกหารด้วยค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาสำหรับการก่อตัวของสารเชิงซ้อนของเอนไซม์-สารตั้งต้น เราจะได้นิพจน์ (6.9):

ข้อพิสูจน์ที่สำคัญตามมาจากสมการ (6.9): ค่าคงที่มิคาเอลิสจะมากกว่าค่าคงที่ของซับสเตรตตามจำนวนเสมอ k 2 /k โวลต์

เชิงตัวเลข เคทีเท่ากับความเข้มข้นของสารตั้งต้นซึ่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาคือครึ่งหนึ่งของความเร็วสูงสุดที่เป็นไปได้ และสอดคล้องกับความอิ่มตัวของเอนไซม์กับสารตั้งต้น ดังในรูป 6.5, ข.เนื่องจากในทางปฏิบัติเป็นไปไม่ได้เสมอไปที่จะทำให้เอนไซม์มีความอิ่มตัวโดยสมบูรณ์ด้วยสารตั้งต้นได้เสมอไป จึงเป็นสิ่งที่แม่นยำ เคทีใช้สำหรับแสดงลักษณะเปรียบเทียบลักษณะจลน์ของเอนไซม์

อัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์เมื่อเอนไซม์ไม่อิ่มตัวกับสารตั้งต้นอย่างสมบูรณ์ (6.10) ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารเชิงซ้อนของเอนไซม์-สารตั้งต้น ค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วนคือค่าคงที่ปฏิกิริยาสำหรับการปลดปล่อยเอนไซม์และผลิตภัณฑ์ เนื่องจากสิ่งนี้จะเปลี่ยนความเข้มข้นของคอมเพล็กซ์เอนไซม์-สารตั้งต้น:

หลังจากการเปลี่ยนแปลงโดยคำนึงถึงการพึ่งพาข้างต้น อัตราของปฏิกิริยาของเอนไซม์เมื่อเอนไซม์ไม่อิ่มตัวอย่างสมบูรณ์กับสารตั้งต้นอธิบายโดยสมการ (6.11) เช่น ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของเอนไซม์ สารตั้งต้น และความสัมพันธ์ เค:

การพึ่งพากราฟิกของอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ต่อความเข้มข้นของสารตั้งต้นไม่เป็นเส้นตรง ดังที่เห็นได้จากรูป.. 6.6 เมื่อความเข้มข้นของสารตั้งต้นเพิ่มขึ้น จะสังเกตเห็นการทำงานของเอนไซม์เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม เมื่อบรรลุความอิ่มตัวสูงสุดของเอนไซม์กับซับสเตรต อัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์จะกลายเป็นค่าสูงสุด ดังนั้น ปัจจัยจำกัดอัตราสำหรับปฏิกิริยาคือการก่อตัวของสารเชิงซ้อนของเอนไซม์-ซับสเตรต

การปฏิบัติแสดงให้เห็นว่าตามกฎแล้วความเข้มข้นของสารตั้งต้นจะแสดงเป็นค่าน้อยกว่าความสามัคคีมาก (10 6 -10 3 โมล) การดำเนินการกับปริมาณดังกล่าวในการคำนวณค่อนข้างยาก ดังนั้น G. Lineweaver และ D. Burke จึงเสนอให้แสดงการพึ่งพากราฟิกของอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ที่ไม่ได้อยู่ในพิกัดโดยตรง แต่อยู่ในพิกัดผกผัน พวกเขาดำเนินการจากการสันนิษฐานว่าในปริมาณที่เท่ากันค่าผกผันของพวกมันจะเท่ากัน:

ข้าว. 6.6.

หลังจากเปลี่ยนนิพจน์ (6.13) เราจะได้นิพจน์ที่เรียกว่า สมการไลน์วีเวอร์-เบิร์ก (6.14):

การพึ่งพาเชิงกราฟิกของสมการ Lineweaver-Burk เป็นแบบเชิงเส้น (รูปที่ 6.7) ลักษณะทางจลนศาสตร์ของเอนไซม์ถูกกำหนดดังนี้:

• ส่วนที่ตัดบนแกนกำหนดจะเท่ากับ 1/วี;
• ส่วนที่ตัดบนแกน abscissa เท่ากับ -1 /ถึงต.

ข้าว. 6.7.

เชื่อกันว่าวิธี Lineweaver-Burk ทำให้สามารถกำหนดอัตราการเกิดปฏิกิริยาสูงสุดได้แม่นยำมากกว่าการใช้พิกัดโดยตรง ข้อมูลอันมีค่าเกี่ยวกับการยับยั้งเอนไซม์สามารถรวบรวมได้จากกราฟนี้

มีวิธีอื่นในการแปลงสมการมิคาเอลิส-เมนเทน การพึ่งพาแบบกราฟิกใช้เพื่อศึกษาอิทธิพลของอิทธิพลภายนอกต่างๆ ที่มีต่อกระบวนการของเอนไซม์

ก) ขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์กับปริมาณของเอนไซม์

เมื่อปฏิกิริยาของเอนไซม์เกิดขึ้นภายใต้สภาวะที่มีสารตั้งต้นมากเกินไป อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของเอนไซม์ การพึ่งพากราฟิกของปฏิกิริยาดังกล่าวมีรูปแบบของเส้นตรงอย่างไรก็ตามปริมาณของเอนไซม์มักจะไม่สามารถระบุได้ในแง่สัมบูรณ์ดังนั้นในทางปฏิบัติพวกเขาจึงใช้ค่าตามเงื่อนไขที่แสดงถึงกิจกรรมของเอนไซม์: หนึ่งหน่วยสากลของ กิจกรรม (IU) สอดคล้องกับปริมาณของเอนไซม์ที่กระตุ้นการแปลงของซับสเตรต 1 µmol ใน 1 นาที ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมที่สุดสำหรับปฏิกิริยาของเอนไซม์ สภาวะที่เหมาะสมที่สุดนั้นขึ้นอยู่กับแต่ละเอนไซม์ และขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของสภาพแวดล้อม ค่า pH ของสารละลาย ในกรณีที่ไม่มีตัวกระตุ้นและสารยับยั้ง

การขึ้นอยู่กับการสะสมผลิตภัณฑ์ (A) และการสูญเสียซับสเตรต (B) ตามเวลา (ระยะเวลา) ของปฏิกิริยา- อัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์หรือซับสเตรตต่อหน่วยเวลา ในปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ 1 และ 2 อัตราเริ่มต้นของปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ 1 จะต่ำกว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ 2 เนื่องจากแทนเจนต์ของแทนเจนต์กับเส้นโค้งโปรไฟล์ปฏิกิริยาที่ดึงมาจากจุด "O" ของเอนไซม์ตัวที่ 2 จะสูงขึ้น เช่น ในกรณีการสะสมของผลิตภัณฑ์ (A) และการสูญเสียสารตั้งต้น (B) ความเร็ว ณ เวลาใดๆ t ถูกกำหนดโดยแทนเจนต์ของแทนเจนต์กับโปรไฟล์ปฏิกิริยา ณ เวลา t ช่วงเวลาของปฏิกิริยาเอนไซม์มีลักษณะเฉพาะคือการสะสมของผลิตภัณฑ์เป็นเส้นตรง (หรือการสูญเสียซับสเตรต) ขึ้นอยู่กับระยะเวลาของปฏิกิริยา ระยะเวลาของปฏิกิริยาเอนไซม์มีลักษณะเฉพาะคือการสะสมของผลิตภัณฑ์แบบไม่เชิงเส้น (หรือการสูญเสียซับสเตรต) ขึ้นอยู่กับเวลาของปฏิกิริยา

จำนวนหน่วยกิจกรรม nME ถูกกำหนดโดยสูตร:

ข) ขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์กับอุณหภูมิของตัวกลาง

การเพิ่มอุณหภูมิจนถึงขีดจำกัดจะส่งผลต่ออัตราของเอนไซม์

ปฏิกิริยาจะคล้ายกับผลของอุณหภูมิต่อปฏิกิริยาเคมีใดๆ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น การเคลื่อนที่ของโมเลกุลจะเร่งขึ้น ซึ่งนำไปสู่ความเป็นไปได้ที่จะมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างสารตั้งต้นจะเพิ่มขึ้น นอกจากนี้อุณหภูมิยังช่วยเพิ่มพลังงานของโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยา ซึ่งจะช่วยเร่งปฏิกิริยาให้เร็วขึ้นด้วย อย่างไรก็ตาม อัตราของปฏิกิริยาเคมีที่เร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์จะมีอุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุด ซึ่งส่วนเกินจะมาพร้อมกับกิจกรรมของเอนไซม์ที่ลดลงซึ่งเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงสภาพเนื่องจากความร้อนของโมเลกุลโปรตีน

สำหรับเอนไซม์ของมนุษย์ส่วนใหญ่ อุณหภูมิที่เหมาะสมคือ 37-38 °C อย่างไรก็ตาม เอนไซม์ที่ทนความร้อนได้ก็มีอยู่ในธรรมชาติเช่นกัน ตัวอย่างเช่น Taq polymerase ที่แยกได้จากจุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่ในบ่อน้ำพุร้อนจะไม่ถูกปิดใช้งานเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึง 95 °C เอนไซม์นี้ใช้ในการแพทย์ทางวิทยาศาสตร์และการปฏิบัติสำหรับการวินิจฉัยระดับโมเลกุลของโรคโดยใช้วิธีปฏิกิริยาลูกโซ่โพลีเมอเรส (PCR)

ใน). ขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์กับปริมาณของสารตั้งต้น

เมื่อปริมาณของวัสดุพิมพ์เพิ่มขึ้น ความเร็วเริ่มต้นก็จะเพิ่มขึ้น เมื่อเอนไซม์อิ่มตัวกับสารตั้งต้นอย่างสมบูรณ์ เช่น การก่อตัวที่เป็นไปได้สูงสุดของสารเชิงซ้อนของเอนไซม์-สารตั้งต้นเกิดขึ้นที่ความเข้มข้นของเอนไซม์ที่กำหนด และสังเกตอัตราสูงสุดของการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ ความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่เพิ่มขึ้นอีกไม่ได้ทำให้การสร้างผลิตภัณฑ์เพิ่มขึ้น กล่าวคือ อัตราการเกิดปฏิกิริยาไม่เพิ่มขึ้น สถานะนี้สอดคล้องกับความเร็วปฏิกิริยาสูงสุด Vmax

ดังนั้นความเข้มข้นของเอนไซม์จึงเป็นปัจจัยจำกัดในการสร้างผลิตภัณฑ์ การสังเกตนี้เป็นพื้นฐานของจลนพลศาสตร์ของเอนไซม์ที่พัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์ แอล. มิคาเอลิส และ เอ็ม. เมนเทน ในปี 1913

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเป็นสัดส่วนกับความเข้มข้นของคอมเพล็กซ์ ES ของเอนไซม์-สารตั้งต้น และอัตราการเกิด ES ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นและความเข้มข้นของเอนไซม์อิสระ ความเข้มข้นของ ES ขึ้นอยู่กับอัตราการก่อตัวและการสลายตัวของ ES

อัตราการเกิดปฏิกิริยาสูงสุดจะสังเกตได้เมื่อโมเลกุลของเอนไซม์ทั้งหมดมีความซับซ้อนกับสารตั้งต้น เช่น ใน ES ที่ซับซ้อนของเอนไซม์-สารตั้งต้น เช่น [อี] = .

การพึ่งพาอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ต่อความเข้มข้นของสารตั้งต้นแสดงโดยสมการต่อไปนี้ (ที่มาทางคณิตศาสตร์ของสูตรนี้สามารถพบได้ในตำราเรียนเกี่ยวกับจลนพลศาสตร์ของเอนไซม์):

V = Vสูงสุด[S] / กม. ​​+ [S]

สมการนี้เรียกว่าสมการมิคาเอลิส-เมนเทน

สมการมิคาเอลิส-เมนเทนเป็นสมการพื้นฐานของจลนพลศาสตร์ของเอนไซม์ ซึ่งอธิบายการขึ้นต่อกันของอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ต่อความเข้มข้นของสารตั้งต้น

หากความเข้มข้นของสารตั้งต้นมากกว่า Km (S >> Km) อย่างมีนัยสำคัญ การเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของสารตั้งต้นด้วยค่า Km แทบไม่มีผลกระทบต่อผลรวม (Km + S) และถือว่าเท่ากับความเข้มข้นของสารตั้งต้น . ดังนั้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเท่ากับความเร็วสูงสุด: V = Vmax ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ปฏิกิริยาจะมีลำดับเป็นศูนย์ กล่าวคือ ไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้น เราสามารถสรุปได้ว่า Vmax เป็นค่าคงที่สำหรับความเข้มข้นของเอนไซม์ที่กำหนด โดยไม่ขึ้นกับความเข้มข้นของสารตั้งต้น

หากความเข้มข้นของสารตั้งต้นน้อยกว่า Km(S<< Km), то сумма (Km + S) примерно равна Кm, следовательно, V = Vmax[S]/Km, т.е. в данном случае скорость реакции прямо пропорциональна концентрации субстрата (реакция имеет первый порядок).

Vmax และ Km เป็นลักษณะจลนศาสตร์ของประสิทธิภาพของเอนไซม์

Vmax แสดงลักษณะเฉพาะของกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์และมีมิติของอัตราปฏิกิริยาของเอนไซม์ โมล/ลิตร กล่าวคือ กำหนดความเป็นไปได้สูงสุดในการสร้างผลิตภัณฑ์ที่ความเข้มข้นของเอนไซม์ที่กำหนดและภายใต้สภาวะของสารตั้งต้นส่วนเกิน Km แสดงถึงความสัมพันธ์ของเอนไซม์ที่กำหนดกับสารตั้งต้นที่กำหนด และเป็นค่าคงที่ที่ไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของเอนไซม์ ยิ่ง Km ต่ำเท่าใด ความสัมพันธ์ของเอนไซม์สำหรับซับสเตรตที่กำหนดก็จะยิ่งมากขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาเริ่มต้นก็จะยิ่งสูงขึ้น และในทางกลับกัน ยิ่ง Km ยิ่งมากขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาเริ่มต้นยิ่งต่ำ ความสัมพันธ์ของเอ็นไซม์สำหรับซับสเตรตก็จะยิ่งต่ำลง

สาขาวิชาเอนไซม์วิทยานี้ศึกษาอิทธิพลของปัจจัยต่างๆ ต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ เมื่อพิจารณาสมการทั่วไปสำหรับการเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ของปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ของการเปลี่ยนซับสเตรตหนึ่งให้เป็นผลิตภัณฑ์เดียว (1)

ควรตั้งชื่อปัจจัยหลักที่มีอิทธิพลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ ได้แก่ ความเข้มข้นของสารตั้งต้น [S] ความเข้มข้นของเอนไซม์ [E] และความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยา [P]

ปฏิกิริยาของเอนไซม์บางชนิดกับสารตั้งต้นสามารถอธิบายได้ด้วยเส้นโค้งไฮเปอร์โบลิกของการพึ่งพาอัตราของปฏิกิริยาของเอนไซม์ V บนความเข้มข้นของสารตั้งต้น [S] (รูปที่ 19):

มะเดื่อ 19. การขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์กับความเข้มข้นของสารตั้งต้น

บนเส้นโค้งนี้สามารถแยกแยะความแตกต่างได้สามส่วนซึ่งสามารถอธิบายได้ด้วยข้อกำหนดของกลไกการทำงานร่วมกันของเอนไซม์กับสารตั้งต้น: OA - ส่วนหนึ่งของการพึ่งพาตามสัดส่วนโดยตรงของ V บน [S] ซึ่งเป็นศูนย์กลางที่ทำงานอยู่ของเอนไซม์ ค่อยๆเต็มไปด้วยโมเลกุลของสารตั้งต้นพร้อมกับการก่อตัวของ ES เชิงซ้อนที่ไม่เสถียร ส่วน AB - การพึ่งพาเส้นโค้งของ V บน [S] ยังไม่ได้รับความอิ่มตัวที่สมบูรณ์ของศูนย์กลางแอคทีฟของเอนไซม์ที่มีโมเลกุลของสารตั้งต้น ES complex นั้นไม่เสถียรก่อนที่จะถึงสถานะการเปลี่ยนแปลง ความน่าจะเป็นของการแยกตัวแบบย้อนกลับเป็น E และ S ยังคงสูง ส่วน BC - การพึ่งพาอธิบายโดยสมการลำดับศูนย์ ส่วนนั้นขนานกับแกน [S] ทำให้ได้ความอิ่มตัวของเอนไซม์ที่ทำงานอยู่โดยมีโมเลกุลของสารตั้งต้น โดยสมบูรณ์ V=V สูงสุด

รูปร่างลักษณะเฉพาะของเส้นโค้งอธิบายได้ทางคณิตศาสตร์โดยสมการบริกส์-ฮัลเดน:

V=V สูงสุด ● [S]/ กม. ​​+ [S] (2),

โดยที่ Km คือค่าคงที่ Michaelis-Menten ซึ่งเท่ากับตัวเลขกับความเข้มข้นของสารตั้งต้นซึ่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์เท่ากับครึ่งหนึ่ง V สูงสุด

ยิ่ง K m ของเอนไซม์มีค่าต่ำ ความสัมพันธ์ของเอนไซม์กับซับสเตรตก็จะยิ่งสูงขึ้น สถานะการเปลี่ยนผ่านของซับสเตรตก็จะยิ่งเร็วขึ้นเท่านั้น และจะกลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่เกิดปฏิกิริยา การค้นหาค่า Km สำหรับสารตั้งต้นของเอนไซม์เฉพาะกลุ่มแต่ละกลุ่มมีความสำคัญในการกำหนดบทบาททางชีววิทยาของเอนไซม์นี้ในเซลล์

สำหรับเอนไซม์ส่วนใหญ่ ไม่สามารถสร้างเส้นโค้งไฮเปอร์โบลิกได้ (รูปที่ 19) ในกรณีนี้ จะใช้วิธีการสลับกลับกัน (Lineweaver-Burk) เช่น การขึ้นต่อกันทางกราฟิกของ 1/[V] บน 1/[S] จะถูกพล็อต (รูปที่ 20) วิธีสร้างเส้นโค้งดังกล่าวในการทดลองนั้นสะดวกมากเมื่อศึกษาผลของสารยับยั้งประเภทต่างๆ ต่อการทำงานของเอนไซม์ (ดูเพิ่มเติมในข้อความ)

รูปที่.20. กราฟของ 1/[V] กับ 1/[S] (วิธี Lineweaver-Burk)

โดยที่ y คือส่วนที่ตัดออก - และ x คือส่วนที่ตัดออก - , แทนเจนต์ของมุม α - .

การขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ V ต่อความเข้มข้นของเอนไซม์ [E]

การพึ่งพาแบบกราฟิกนี้ (รูปที่ 21) พิจารณาที่อุณหภูมิและ pH ที่เหมาะสมของสภาพแวดล้อม ที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นสูงกว่าความเข้มข้นของความอิ่มตัวของศูนย์กลางที่ทำงานอยู่ของเอนไซม์อย่างมีนัยสำคัญ

ข้าว. 21. อิทธิพลของความเข้มข้นของเอนไซม์ต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์

การขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ต่อความเข้มข้นของโคแฟกเตอร์หรือโคเอ็นไซม์สำหรับเอนไซม์ที่ซับซ้อนควรคำนึงถึงว่าการขาดวิตามินในรูปแบบโคเอ็นไซม์ในกรณีของภาวะ hypovitaminosis และการละเมิดปริมาณไอออนของโลหะเข้าสู่ร่างกายจำเป็นต้องทำให้ความเข้มข้นของเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องลดลงซึ่งจำเป็นสำหรับหลักสูตร ของกระบวนการเผาผลาญ ดังนั้นจึงควรสรุปได้ว่าการออกฤทธิ์ของเอนไซม์นั้นขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของโคแฟกเตอร์หรือโคเอ็นไซม์โดยตรง

อิทธิพลของความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์สำหรับปฏิกิริยาย้อนกลับที่เกิดขึ้นในร่างกายมนุษย์ จะต้องคำนึงว่าเอนไซม์สามารถใช้ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาโดยตรงเป็นสารตั้งต้นสำหรับปฏิกิริยาย้อนกลับได้ ดังนั้นทิศทางการไหลและโมเมนต์ถึง Vmax ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของความเข้มข้นของสารตั้งต้นเริ่มต้นและผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่น กิจกรรมของอะลานีนอะมิโนทรานสเฟอเรสซึ่งกระตุ้นการเปลี่ยนแปลง:

อะลานีน + อัลฟ่า-คีโตกลูตาเรต ↔ ไพรูเวต + กลูตาเมต

ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนความเข้มข้นในเซลล์:

[อะลานีน + อัลฟา-คีโตกลูตาเรต] / [ไพรูเวต + กลูตาเมต]

กลไกการออกฤทธิ์ของเอนไซม์ ทฤษฎีการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์

เอนไซม์ เช่นเดียวกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช่โปรตีน จะเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเนื่องจากความสามารถในการลดพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยานี้ พลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาเอนไซม์คำนวณจากความแตกต่างระหว่างค่าพลังงานในระบบของปฏิกิริยาต่อเนื่องที่ถึงสถานะการเปลี่ยนผ่านและพลังงานที่กำหนดที่จุดเริ่มต้นของปฏิกิริยา (ดูการพึ่งพาแบบกราฟิกในรูปที่ 22)

ข้าว. 22. การพึ่งพากราฟิกของสถานะพลังงานของปฏิกิริยาเคมีโดยไม่มีเอนไซม์ (1) และต่อหน้าเอนไซม์ (2) ในเวลาปฏิกิริยา

งานของ V. Henry และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง L. Michaelis, M. Menten ในการศึกษากลไกของปฏิกิริยาของเอนไซม์ที่ผันกลับได้ของสารโมโนซับสเตรต ทำให้สามารถสันนิษฐานได้ว่าเอนไซม์ E จะรวมตัวกับสารตั้งต้น S ของมันในครั้งแรกและค่อนข้างเร็วเพื่อสร้างเอนไซม์- สารตั้งต้นที่ซับซ้อน (ES):

อี+เอส<=>อีเอส (1)

การก่อตัวของ ES เกิดขึ้นเนื่องจากพันธะไฮโดรเจน ปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิต และปฏิกิริยาที่ไม่ชอบน้ำ ในบางกรณีโควาเลนต์ พันธะประสานงานระหว่างอนุมูลด้านข้างของกรดอะมิโนที่ตกค้างของศูนย์กลางที่ใช้งานอยู่และกลุ่มการทำงานของสารตั้งต้น ในเอนไซม์ที่ซับซ้อน ฟังก์ชั่นการสัมผัสกับสารตั้งต้นสามารถทำได้โดยส่วนที่ไม่ใช่โปรตีนของโครงสร้าง

จากนั้นสารเชิงซ้อนของเอนไซม์-สารตั้งต้นจะสลายตัวในวินาทีที่ช้าลง ปฏิกิริยาย้อนกลับได้เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา P และเอนไซม์อิสระ E:

อีเอส<=>อีพี<=>อี + พี (2)

ปัจจุบันต้องขอบคุณผลงานของนักวิทยาศาสตร์ที่กล่าวมาข้างต้นเช่นเดียวกับ Keilin D. , Chance B. , Koshland D. (ทฤษฎี "การโต้ตอบแบบเหนี่ยวนำ") มีบทบัญญัติทางทฤษฎีเกี่ยวกับประเด็นหลักสี่ประการในกลไกการออกฤทธิ์ ของเอนไซม์บนพื้นผิวซึ่งกำหนดความสามารถของเอนไซม์ในการเร่งปฏิกิริยาเคมี:

1. ปฐมนิเทศและแนวทาง - เอนไซม์สามารถจับโมเลกุลของสารตั้งต้นในลักษณะที่พันธะที่ถูกโจมตีโดยเอนไซม์ไม่เพียงแต่ตั้งอยู่ใกล้กับกลุ่มตัวเร่งปฏิกิริยาเท่านั้น แต่ยังอยู่ในทิศทางที่ถูกต้องตามไปด้วย ความน่าจะเป็นที่ ES complex จะเข้าสู่สถานะการเปลี่ยนแปลงเนื่องจากการวางแนวและความใกล้ชิดจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก

2. ความเครียดและความเครียด : การติดต่อชักนำ การเกาะติดของซับสเตรตอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในโมเลกุลของเอนไซม์ ซึ่งนำไปสู่ความตึงเครียดในโครงสร้างของแอคทีฟเซ็นเตอร์ และยังทำให้ซับสเตรตที่ถูกผูกไว้ค่อนข้างผิดรูปด้วย ซึ่งจะช่วยอำนวยความสะดวกในการบรรลุสถานะการเปลี่ยนแปลงโดยคอมเพล็กซ์ ES การติดต่อที่เรียกว่าการโต้ตอบเกิดขึ้นระหว่างโมเลกุล E และ S

เมื่ออุณหภูมิของสภาพแวดล้อมเพิ่มขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์จะเพิ่มขึ้น จนถึงค่าสูงสุดที่อุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุด จากนั้นจึงลดลงเหลือศูนย์ สำหรับปฏิกิริยาเคมี มีกฎว่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น 10°C อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นสองถึงสามครั้ง สำหรับปฏิกิริยาของเอนไซม์ ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมินี้จะลดลง: ทุกๆ 10°C อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้น 2 เท่าหรือน้อยกว่านั้นด้วยซ้ำ การลดลงตามมาของอัตราการเกิดปฏิกิริยาเป็นศูนย์บ่งชี้ถึงการสูญเสียสภาพของบล็อกเอนไซม์ ค่าอุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับเอนไซม์ส่วนใหญ่อยู่ในช่วง 20 - 40 0 ​​​​C ความสามารถในการทนความร้อนของเอนไซม์นั้นสัมพันธ์กับโครงสร้างโปรตีน เอนไซม์บางชนิดถูกทำให้เสียสภาพแล้วที่อุณหภูมิประมาณ 40 0 ​​​​C แต่ส่วนหลักของเอนไซม์เหล่านี้จะถูกปิดใช้งานที่อุณหภูมิสูงกว่า 40 - 50 0 C เอนไซม์บางตัวจะถูกปิดใช้งานโดยความเย็นเช่น ที่อุณหภูมิใกล้ 0°C จะเกิดการเสียสภาพ

การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิร่างกาย (ไข้) จะช่วยเร่งปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่เร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ เป็นเรื่องง่ายที่จะคำนวณว่าอุณหภูมิของร่างกายที่เพิ่มขึ้นทุกระดับจะทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นประมาณ 20% ที่อุณหภูมิสูงประมาณ 39-40°C การใช้สารตั้งต้นภายนอกในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตที่ป่วยอย่างสิ้นเปลืองจะต้องได้รับการเติมอาหาร นอกจากนี้ ที่อุณหภูมิประมาณ 40°C เอนไซม์ที่ทนความร้อนสูงบางชนิดสามารถถูกทำให้เสียสภาพได้ ซึ่งขัดขวางกระบวนการทางชีวเคมีตามธรรมชาติ

อุณหภูมิต่ำทำให้เกิดการยับยั้งการทำงานของเอนไซม์แบบย้อนกลับได้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในโครงสร้างเชิงพื้นที่ แต่ก็เพียงพอที่จะรบกวนการกำหนดค่าที่เหมาะสมของโมเลกุลศูนย์กลางและสารตั้งต้นที่ทำงานอยู่

ขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยากับค่า pH ของตัวกลาง

เอนไซม์ส่วนใหญ่มีค่า pH เฉพาะซึ่งมีฤทธิ์มากที่สุด เหนือและต่ำกว่าค่า pH นี้ กิจกรรมของเอนไซม์เหล่านี้จะลดลง อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ว่าในทุกกรณี เส้นโค้งที่อธิบายการขึ้นอยู่กับการทำงานของเอนไซม์ต่อ pH จะเป็นรูปทรงระฆัง บางครั้งการพึ่งพาอาศัยกันนี้สามารถแสดงออกได้โดยตรง การพึ่งพาอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ต่อ pH ส่วนใหญ่บ่งบอกถึงสถานะของกลุ่มการทำงานของศูนย์กลางการทำงานของเอนไซม์ การเปลี่ยนแปลงค่า pH ของตัวกลางส่งผลต่อการแตกตัวเป็นไอออนของกลุ่มกรดและกลุ่มพื้นฐานของกรดอะมิโนที่ตกค้างในแอคทีฟเซ็นเตอร์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการจับกันของสารตั้งต้น (ในบริเวณที่สัมผัส) หรือในการเปลี่ยนแปลง (ในบริเวณตัวเร่งปฏิกิริยา) ). ดังนั้น ผลเฉพาะของ pH อาจเกิดจากการเปลี่ยนแปลงความสัมพันธ์ของซับสเตรตสำหรับเอนไซม์ หรือจากการเปลี่ยนแปลงในกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ หรือทั้งสองสาเหตุร่วมกัน

สารตั้งต้นส่วนใหญ่มีกลุ่มที่เป็นกรดหรือเป็นเบส ดังนั้น pH จึงส่งผลต่อระดับการแตกตัวเป็นไอออนของสารตั้งต้น เอนไซม์จับกับซับสเตรตในรูปแบบที่แตกตัวเป็นไอออนหรือไม่แตกตัวเป็นพิเศษ แน่นอนว่าที่ pH ที่เหมาะสม กลุ่มการทำงานของบริเวณที่ทำงานจะอยู่ในสถานะที่เกิดปฏิกิริยามากที่สุด และซับสเตรตอยู่ในรูปแบบที่ต้องการสำหรับการจับโดยกลุ่มเอนไซม์เหล่านี้

เมื่อสร้างเส้นโค้งที่อธิบายการพึ่งพาของกิจกรรมของเอนไซม์ต่อ pH การวัดที่ค่า pH ทั้งหมดมักจะดำเนินการภายใต้เงื่อนไขของความอิ่มตัวของเอนไซม์กับสารตั้งต้น เนื่องจากค่า K m สำหรับเอนไซม์หลายชนิดเปลี่ยนแปลงตามการเปลี่ยนแปลงของ pH

เส้นโค้งที่แสดงลักษณะการขึ้นต่อกันของการทำงานของเอนไซม์กับค่า pH สามารถมีรูปร่างที่เรียบง่ายเป็นพิเศษ ในกรณีที่เอนไซม์กระทำกับซับสเตรตที่เป็นกลางทางไฟฟ้าสถิตหรือซับสเตรตซึ่งกลุ่มที่มีประจุไม่ได้มีบทบาทสำคัญในการเร่งปฏิกิริยา ตัวอย่างของเอนไซม์ดังกล่าวคือปาเปนและอินเวอร์เตสซึ่งกระตุ้นการไฮโดรไลซิสของโมเลกุลซูโครสที่เป็นกลางและรักษากิจกรรมคงที่ในช่วง pH 3.0-7.5

ค่า pH ที่สอดคล้องกับกิจกรรมของเอนไซม์สูงสุดไม่จำเป็นต้องตรงกับลักษณะค่า pH ของสภาพแวดล้อมภายในเซลล์ปกติของเอนไซม์นี้ อย่างหลังสามารถเป็นได้ทั้งด้านบนและด้านล่างค่า pH ที่เหมาะสม สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าผลของ pH ต่อการทำงานของเอนไซม์อาจเป็นปัจจัยหนึ่งที่รับผิดชอบในการควบคุมการทำงานของเอนไซม์ภายในเซลล์ เนื่องจากเซลล์ประกอบด้วยเอนไซม์หลายร้อยชนิด และแต่ละเอนไซม์มีปฏิกิริยาตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของ pH ที่แตกต่างกัน ค่า pH ภายในเซลล์จึงอาจเป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่สำคัญในระบบที่ซับซ้อนของการควบคุมการเผาผลาญของเซลล์