Faktory ovlivňující enzymovou aktivitu

Koncentrace substrátu

Zkoumání enzymové kinetiky jednosubstrátových reakcí se věnovali Leonor Michaelis a Maud Leonora Mentenová. V této kapitole se uplatňují zákony obecné kinetiky.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Kinetika .

U katalyzovaných jednosubstrátových reakcí předpokládáme, že probíhají ve dvou krocích:

(1)

${\mbox{E}}+{\mbox{S}}\;{\overset {k_{1}}{\rightleftharpoons }}\;{\mbox{ES}}\;{\overset {k_{cat}}{\rightleftharpoons }}\;{\mbox{E}}+{\mbox{P}}$

kde k_cat je rychlostní konstanta katalyzované reakce. Nazývá se také číslo přeměny (turnover number) a udává počet molekul substrátu přeměněných jednou molekulou enzymu za jednotku času (nejčastěji za jednu sekundu). Její hodnoty se pohybují od 4.10^7 (pro katalázu) do 0,5 (pro lysozym).

Maximální rychlost katalyzované reakce

Je možné ji vyjádřit jako:

(2)

$v_{max}=k_{cat}\cdot [{\mbox{E}}]_{t}$

kde [E]_t je celková koncentrace enzymu.

Rovnice Michaelise a Mentenové

Rovnice popisuje, jak počáteční rychlost v₀ závisí na rychlostní konstantě k_cat a také na tom, kde se rovnováha ES nachází:

(3)

$v_{0}={\frac {\Delta [{\mbox{P}}]}{\Delta t}}={\frac {k_{cat}\cdot [{\mbox{E}}]_{t}\cdot [{\mbox{S}}]}{K_{M}+[{\mbox{S}}]}}$

Graf kinetiky podle Michaelise a Mentenové

Předpokládáme přitom, že množství enzymu se nemění (a jeho koncentrace je výrazně nižší než koncentrace substrátu) a také přítomnost jistého pseudo-ustáleného stavu, při kterém se koncentrace komplexu ES mění mnohem pomaleji než koncentrace S a P.

Dosazením rovnice (2) můžeme rovnici (3) přepsat do tvaru:

(4)

$v_{0}={\frac {v_{max}\cdot [{\mbox{S}}]}{K_{M}+[{\mbox{S}}]}}$

K_M (Michaelisova konstanta) je experimentálně definována jako taková koncentrace substrátu, při které se rychlost průběhu enzymaticky katalyzované reakce rovná polovině maximální rychlosti (vyjadřuje tedy afinitu substrátu a enzymu). Čím je hodnota K_M nižší, tím je afinita vyšší (stačí totiž nižší [S], aby se enzym z poloviny nasytil).

${\underline {K_{M}=[{\mbox{S}}]:}}$

$v={\frac {v_{max}}{2}}$

Z grafu vyplývá, že závislost rychlosti enzymově katalyzované reakce na koncentraci substrátu má tvar hyperboly. Jestliže je koncentrace substrátu malá, křivka změny rychlosti přibližně odpovídá kinetice 1. řádu (lineární nárůst). Tento téměř lineární nárůst ale nemůže pokračovat donekonečna kvůli omezenému množství vazebných míst na molekulách enzymu. Při dostatečně vysoké koncentraci substrátu po nasycení vazebných míst všech dostupných molekul enzymů je tak dosaženo maximální rychlosti (v_max). Rychlost se dál nezvyšuje a zůstává přibližně konstantní. Tato část křivky odpovídá kinetice 0. řádu (bez závislosti na koncentraci).

K_M lze následně stanovit graficky z hyperboly, ale v praxi se toto stanovení moc často nepoužívá. Přesnější je stanovení s použitím převrácených hodnot 1/v a 1/[S] – tzv. dvojitě reciproké vynesení dle Lineweavera a Burka. Z rovnice (4) pak dostáváme:

(5)

${\frac {1}{v}}={\frac {K_{M}+[{\mbox{S}}]}{v_{max}\cdot [{\mbox{S}}]}}$

Závislost 1/v na 1/S podle Lineweavera a Burka

Rovnici také můžeme zapsat v tvaru odpovídajícím rovnici přímky y = a · x + b:

(6)

${\frac {1}{v}}={\frac {K_{M}}{v_{max}\cdot [{\mbox{S}}]}}+{\frac {1}{v_{max}}}$

Teplota

Enzymy mohou být kvůli své proteinové povaze vlivem vysoké teploty denaturovány (nastávají konformační změny, s následným zničením aktivního místa). Obvykle k tomu dochází při teplotách kolem 55–60 °C. Rychlost postupně klesá, až se průběh příslušné reakce úplně zastaví.

Také nízké teploty snižují aktivitu enzymů a tím i rychlost jimi katalyzovaných reakcí. Enzym má maximální aktivitu při teplotě označované jako teplotní optimum (u většiny lidských enzymů se jedná o teplotu kolem 37 °C).

pH (koncentrace H⁺)

Podobně jako na změny teploty jsou enzymy citlivé i na výkyvy pH. Extrémní hodnoty (nízké i vysoké) mohou opět vyvolat denaturaci molekuly enzymu. Koncentrace H⁺ má také významný vliv na ionizaci kyselých a bazických skupin nejen molekuly enzymu, ale i molekuly substrátu. Analogicky jako u teploty se považuje za pH optimum taková hodnota pH, při které má enzym maximální aktivitu.