קינטיקה אנזימטית

קינטיקה אנזימטית היא מחקר של תגובות כימיות שמזורזות על ידי אנזימים, בדגש על קצב הזירוז שלהן. חקר הקינטיקה של האנזימים מאפשר להבין את מנגנון הפעולה של האנזים, תפקידו במטבוליזם, את הבקרה על פעילותו בתא ואת האופן שבו ניתן לעכבו באמצעות רעל או תרופה.

אנזימים הם חלבונים אשר משפיעים על מולקולות אחרות שמהוות את המצע שלהם - הסובסטרט. מולקולות המצע נקשרות אל האנזים, בחלק הנקרא האתר הפעיל של האנזים, ונהפכות לתוצר במספר שלבים במכניזם האנזימטי. ישנם אנזימים אשר קושרים סובסטרט יחיד וישנם אנזימים אשר קושרים סובסטרטים רבים.

אנזימים שקושרים סובסטרט יחיד, כגון טריוז פוספט איזומראז וביספוספוגליצראט מוטאז, שואפים לאפיניות (זיקה) גבוהה מאוד לסובסטרט כך שהאנזים יקשור את הסובסטרט בקצב מהיר יותר. כאשר אנזים קושר מספר סובסטרטים כגון דיהידרופולאט רדוקטאז (dihydrofolate reductase) בחינת הקינטיקה של האנזים יכולה להראות את רצף שבו נקשרים הסובסטרטים השונים וכן את הרצף שבו משחרר האנזים תוצרים.

דוגמה לאנזימים אשר קושרים סובסטרט יחיד ומשחררים תוצרים אחדים היא אנזימים מפרקים, הנקראים פרוטאזות, ואשר מבקעים את הסובסטרט החלבוני לשני פוליפפטידים. אנזימים אחרים מקשרים בין סובסטרטים שונים, כגון DNA פולימראז (DNA polymerase) המחבר נוקלאוטידים ליצירת DNA. על אף העובדה שישנם מספר שלבים במערכת, ישנו רק שלב אחד שקובע את מהירות התגובה, שלב זה יכול להיות ראקציה כימית או שינוי קונפורמציה של האנזים או הסובסטרט. זהו למעשה השלב האיטי ביותר של התהליך ועל כן הוא קובע את קצב הראקציה.

ידיעת מבנה האנזים מסייעת להסביר את נתוני הקינטיקה. לדוגמה, המבנה של האתר הפעיל יכול להסביר איך הסובסטרט והתוצר קשורים במהלך הקטליזה, מה משתנה במהלך הריאקציה ואפילו את התפקיד הספציפי של שיירי חומצות אמינו שנמצאים במערכת. חלק מהאנזימים משנים את צורתם באופן משמעותי במנגנון ובמקרים כאלו ניתן לקבוע את צורת האנזים עם וללא קישור הסובסטרט, באמצעות אנלוג של סובסטרט אשר נקשר אך אינו מושפע מהאנזים בראקציה.

לא כל הזרזים הביולוגיים הם אנזימים חלבוניים, למשל ריבוזומים וריבוזימים שמבוססים על RNA, נחוצים לתפקודים שונים בתא כגון שחבור ותרגום. ההבדל העיקרי בין ריבוזימים לאנזימים הוא שריבוזימים מורכבים מבסיסים חנקניים בעוד שאנזימים מורכבים מחומצות אמינו. כמו כן ריבוזימים מעורבים במספר מצומצם של ריאקציות, אף על פי שמנגנוני הפעולה שלהם והקינטיקה שלהם ניתנת לחקירה ולסיווג באמצעות אותן השיטות המשמשות לאנזימים.

עקרונות כללים ומנגנונים

קצב הראקציה יעלה כאשר ריכוז הסובסטרט יעלה אך בשלב מסוים יגיע לרוויה כאשר כל האתרים יהיו תפוסים על ידי סובסטרט ואז הוספת סובסטרט לא תשפיע על העלייה בקצב הראקציה.

האנזימים אינם משנים את שיווי המשקל בין התוצרים והמגיבים, הם מזרזים את קצב הראקציה. ככל שנוסיף יותר סובסטרט הקצב יעלה עד לנקודת המקסימום.

שתי תכונות חשובות מאוד לקינטיקה של אנזים הן המהירות שבה האנזים הופך רווי במגע עם סובסטרט מסוים – כלומר מהירות קשירה של אנזים לסובסטרט ספציפי והקצב המקסימלי אליו הוא יכול להגיע.

 קינטיקת מיכאליס מנטן - מתארת את הקינטיקה של אנזימים רבים. היא קרויה על שמם של החוקרים לאונור מיכאליס ומוד מנטן. מודל קינטי זה תקף רק כאשר ריכוז האנזים קטן בהרבה מריכוזו של המצע (הסובסטרט) ורק כאשר האנזים הוא לא אלוסטרי.

 קינטיקה שונה ממיכאליס מנטן - עקום סיגמואידי משקף בדרך כלל את התנהגותו של קישור קואופרטיבי של הסובסטרט לאתר הפעיל – קישור של מולקולה אחת משפיע על הקישור של מולקולות נוספות. דוגמה מוכרת היא ההמוגלובין.
 קואופרטיות שלילית – קשירה של סובסטרט מורידה את האפיניות לקישור מולקולה נוספת, כדוגמת האנזים אספרטט טראנסקרבמוילאז.
 קואופרטיביות חיובית – קישור של סובסטרט מעלה את האפיניות לקישור מולקולה נוספת, לדוגמה האנזים פוספופרוקטוקינאז.

 מנגנון הפינג פונג - מנגנון בו סובסטרט אחד נקשר והופך לתוצר אחד, רק לאחר שהוא משתחרר יכול סובסטרט שני להיקשר, וחוזר חלילה.

קישורים חיצוניים

אנזימים
קינטיקה כימית
זרזים