Michaelis–Menten-kinetiikka

Michaelis–Menten-kinetiikka kuvaa entsymaattisesti katalysoitujen reaktioiden kinetiikkaa kun reaktiossa on läsnä yksi substraatti. Reaktiossa substraatin konsentraatiota suurennettaessa reaktionopeus kasvaa kunnes substraatti kompleksoi kaiken entsyymin, jonka seurauksena reaktionopeus vakioituu. Michaelis–Menten-kinetiikkaa kuvaava matemaattinen malli nojautuu ranskalaisen fysikaalisen kemian tutkijan Victor Henrin ensimmäisiin entsyymikineettisiin analyyseihin. Malli nimetty saksalaisen biokemistin Leonor Michaelisin ja kanadalaisen fyysikon Maud Mentenin mukaan.^[1]

Kineettinen malliMuokkaa

Michaelis-Menten -mekanismin ainesosien konsentraatiot reaktioajan funktiona. Kuvaajassa konsentraatioiden aikariippuvuuksia on simuloitu. Alkuarvoina on otettu: [S]=500, [E]=400, k₂=200k₁=1333k_-1

Entsyymireaktioiden kokeellisista tutkimuksista on päätelty reaktion kertaluvun riippuvan substraatin konsentraatiosta, ja olevan 1. kertalukua entsyymin suhteen. Reaktiomekanismi sisältää kaksi reaktiovaihetta, joista ensimmäinen on reversiibeli (palautuva) ja toinen palautumaton vaihe.^[2]^[3]^[4]

(1)

\qquad {\text{E + S}}\;{\overset {\textstyle k_{1}}{\underset {\textstyle k_{-1}}{\rightleftharpoons }}}\;{\text{ES}}

(2)

\qquad {\text{ES}}\;{\overset {\textstyle k_{2}}{\underset {}{\longrightarrow }}}\;{\text{E + P}}

Tässä ${\text{E}}$ on entsyymi, ${\text{S}}$ on substraatti, ${\text{P}}$ on lopputuote ja ${\text{ES}}$ on reaktiossa muodostuva ${\text{ES}}$ -kompleksi. Oheisessa kuvassa on todettavissa reaktion lähtöaineineen ja välituotteen väheneminen, ja tuotteen ja entsyymin kasvu reaktioajan kuluessa.

Reversiibelissä reaktiovaiheessa (1) $k_{1}$ on etenevän reaktion nopeusvakio ja $k_{-1}$ on palautuvan reaktion nopeusvakio. Toisessa reaktiovaiheessa $k_{2}$ on entsyymikatalysoidun reaktion nopeusvakio.^A Reaktiomekanismissä muodostuvaan kompleksiin (so. entsyymi-substraattikompleksi) voidaan soveltaa vakiotilaoletusta, jolloin kompleksin muodostumisnopeudelle voidaan kirjoittaa yhtälö (3):^[5]

(3)

\qquad {\frac {d[ES]}{dt}}\,=\,k_{1}[E][S]\,-\,k_{-1}[ES]-k_{2}[ES]\,=\,0

Yhtälössä (3) ${\text{ES}}$ -kompleksin muodostumisnopeus otetaan vakiona, jos substraatin määrä on entsyymiin verrattuna suuri. Entsyymin kokonaiskonsentraatio, $[E]_{0}$ , koostuu vapaasta entsyymistä ja reaktiossa muodostuvasta ${\text{ES}}$ -kompleksista: $[E]_{0}=[E]+[ES]$ . Kun tämä sijoitetaan yhtälöön (3), saadaan ${\text{ES}}$ -kompleksin konsentraatiolle:

(4)

\qquad [ES]\,=\,{\frac {k_{1}[E]_{0}[S]}{k_{-1}+k_{2}+k_{1}[S]}}

Reaktiotuotteen muodostumisnopeudelle voidaan kirjoittaa yhtälö (5).

(5)

\qquad R\,=\,k_{2}[ES]\,=\,{\frac {k_{2}[E]_{0}[S]}{{\frac {k_{-1}+k_{2}}{k_{1}}}+[S]}}\,=\,{\frac {k_{2}[E]_{0}[S]}{K_{\text{m}}+[S]}}\,=\,{\frac {V_{\text{max}}[S]}{K_{\text{m}}+[S]}}

Tässä $K_{\text{m}}$ on ${\text{ES}}$ -kompleksin ns. Michaelis-vakio (yksikkö M = mol dm^-3) ja yhtälö (5) on Michaelis–Menten-yhtälö. Jos $[S]\ll K_{\text{m}}$ , niin yhtälössä (5) reaktionopeus noudattaa 1. kertaluvun kinetiikkaa substraatin konsentraatiossa. Jos $[S]\gg K_{\text{m}}$ , niin yhtälö (5) voidaan sieventää muotoon: $R=k_{2}[E]_{0}=V_{\text{max}}$ . Tällöin yhtälössä (5) reaktionopeus noudattaa 0. kertaluvun kinetiikkaa, koska entsyymin pinta on kyllästynyt substraatista kokonaan. Näissä olosuhteissa saavutetaan suurin mahdollinen reaktionopeus, $V_{\text{max}}$ . Toisaalta jos $[S]=K_{\text{m}}$ , niin $R={\frac {V_{\text{max}}}{2}}$ , kuten on todettavissa viereisestä kuvasta.

Reaktionopeus eri substraatikonsentraatioilla.

Michaelis-vakio on erityisesti entsyymikohtainen ja siitä voidaan päätellä tarvittava substraattikonsentraatio adsorboimaan puolet entsyymin aktiivisesta pinta-alasta.^B

Kinetiikan muuttuminen reaktiovaiheissa (1) ja (2) on matemaattisesti toteen näytettävissä tarkastelemalla yhtälön (5) kinetiikkaa seuraavasti:

(6)

\qquad -{\frac {d[S]}{dt}}\,=\,{\frac {k_{2}[E]_{0}[S]}{K_{\text{m}}+[S]}}

Kerrottaessa yhtälön (6) molemmat puolet tekijällä ${\frac {K_{\text{m}}+[S]}{[S]}}$ ja sieventämällä, saadaan yhtälö (7).

(7)

\qquad -K_{\text{m}}\cdot {\frac {d[S]}{[S]}}-d[S]\,=\,k_{2}[E]_{0}dt

Tämä funktioiden lineaarikombinaatio voidaan integroida raja-arvoilla $[S]_{0}$ kun $t=0$ reaktion alussa ja $[S]_{t}$ kun reaktion aikana $t=t$ . Tulokseksi saadaan:

(8)

\qquad K_{\text{m}}\ln {\Bigg (}{\frac {[S]_{0}}{[S]_{t}}}{\Bigg )}+{\Big (}[S]_{0}-[S]_{t}{\Big )}\,=\,k_{2}[E]_{0}\,t

Yhtälön (8) vasemman puolen ensimmäinen termi noudattaa 1. kertaluvun kinetiikkaa. Yhtälön (8) toinen termi noudattaa 0. kertaluvun kinetiikkaa. Vastaavanlainen kinetiikan muuttuminen on todettavissa Langmuirin adsorptioisotermissä, jossa kaasumolekyylit adsorboituvat kiinteälle pinnalle.

Michaelis–Menten-yhtälön analyysiMuokkaa

Käytettäessä hyperbolista yhtälöä (5) analyysissä, on siitä muodostettava ensin suoran yhtälö. Ottamalla yhtälöstä (5) käänteisarvot saadaan:

(9)

\qquad {\frac {1}{R}}\,=\,{\frac {K_{\text{m}}}{V_{\text{max}}[S]}}+{\frac {1}{V_{\text{max}}}}

Piirrettäessä xy-koordinaatistoon kuvaaja, jossa y-akselina on ${\frac {1}{R}}$ ja x-akselina

${\frac {1}{S}}$ , saadaan kaksoiskäänteiskuvaaja (so. Lineweaver–Burk-kuvaaja)^[6] Kuvaajan kulmakertoimesta ja leikkauspisteistä voidaan analysoida $K_{\text{m}}$ ja $V_{\text{max}}$ (ks. oheinen kuva). Käytännössä Lineweaver–Burk-kuvaajan mittauspisteet ovat saatu suurilla substraatin konsentraatioilla, joten kuvaajan suoran kulmakertoimella on suuret virherajat.

Lineweaver–Burk -kuvaaja, jossa y-akselin suure vastaa yhtälön (9) suuretta 1/R

Toinen edellistä tarkempi analyysitapa saadaan kertomalla yhtälö (9) puolittain $[S]$ :lla:

(10)

\qquad {\frac {[S]}{R}}\,=\,{\frac {K_{\text{m}}}{V_{\text{max}}}}+{\frac {[S]}{V_{\text{max}}}}

Tästä suoran yhtälöstä $f({\frac {[S]}{R}},[S])$ -kuvaajassa (so. käänteiskuvaaja) saadaan kulmakertoimeksi ${\frac {1}{V_{\text{max}}}}$ ja leikkauspisteiksi ${\frac {K_{\text{m}}}{V_{\text{max}}}}$ ja $-K_{\text{m}}$ . Tämä on Hannes-Woolf -kuvaaja.^[7]

Kolmas analyysimenetelmä on laventaa yhtälö (5), jolloin saadaan $R\,K_{\text{m}}+R[S]=V_{\text{max}}[S]$ . Jakamalla tämä puolittain $[S]$ :llä saadaan yhtälö (11).

(11)

\qquad {\frac {R\,K_{\text{m}}}{[S]}}+R\,=\,V_{\text{max}}

Tästä suoran yhtälöstä saadaan $f(R,{\frac {R}{[S]}})$ -kuvaajassa, ns. Eadie-kuvaajassa, suoran kulmakertoimeksi (kk) $-K_{\text{m}}$ ; leikkauspisteeksi (lp) y-akselilla $V_{\text{max}}$ ja leikkauspisteeksi x-akselilla ${\frac {V_{\text{max}}}{K_{\text{m}}}}$ (ks. oheinen kuvaaja).^[8]

Eadie -kuvaaja

Tämän kuvaajan etu Lineweaver–Burk-kuvaajaan on sen taipumus pienentää kulmakertoimen virhettä levittämällä mittaus alue suureksi.

Komplisoitu kineettinen malliMuokkaa

Useat entsyymikatalysoidut reaktiot noudattavat Michaelis–Menten-yhtälöä, joskin tällöin tämä ei ole todiste yo. yksinkertaisesta reaktiomekanismista. Esimerkki tämänlaisesta reaktiosta olisi:

(12)

\qquad {\text{E + S}}\;{\overset {\textstyle k_{1}}{\underset {\textstyle k_{-1}}{\rightleftharpoons }}}\;{\text{ES }}{\overset {\textstyle k_{2}}{\underset {\textstyle -{\text{y}}}{\longrightarrow }}}\;{\text{ES}}^{*}{\overset {\textstyle k_{3}}{\longrightarrow }}\;{\text{E + Z}}

Tässä ${\text{ES}}$ -kompleksista irtoaa jokin ryhmä (y) ja samalla muodostuu toinen lyhytikäinen kompleksi, joka edelleen hajoaa entsyymiksi ja toiseksi tuotteeksi ${\text{Z}}$ . Jos tähän sovelletaan vakiotilaoletusta, on lopputuotteen muodostumisnopeus seuraava:

(13)

\qquad R\,=\,{\frac {{\frac {k_{2}k_{3}}{k_{2}+k_{3}}}[E]_{0}[S]}{{\Bigg (}{\frac {k_{-1}+k_{2}}{k_{1}}}{\Bigg )}{\Bigg (}{\frac {k_{3}}{k_{2}+k_{3}}}{\Bigg )}+[S]}}

Jos $k_{3}\gg k_{2}$ , niin yhtälö (13) supistuu yhtälöksi (5). Tällöin ${\text{ES}}^{*}$ -kompleksi on läsnä vain hyvin pieninä konsentraatioina. Koska tämänkaltainen reaktio on mahdollinen, niin usein yhtälö (13) kirjoitetaan yleisesti seuraavasti:

(14)

\qquad R\,=\,{\frac {k_{\text{cat}}[E]_{0}[S]}{K_{\text{m}}+[S]}}

Tässä $k_{\text{cat}}$ on katalyyttivakio.

LisätietoMuokkaa

^A IUPAC:n mukaan tässä on kyseessä nopeuskerroin, koska reaktiomekanismi edellyttää adsorptiota tapahtuakseen.

^B Heterogeenisessä katalyysireaktiossa katalyytimolekyylin pinnassa on erilaisia aktiivisia kohtia, joihin substraattimolekyyli voi adsorboitua. Aktiivisten kohtien keskinäinen erilaisuus riippuu katalyyttimolekyylin kiderakenteesta.

Katso myösMuokkaa

LähteetMuokkaa

↑ L. Michaelis ja M. L. Menten, BioChem. Z., vol 49, s. 333, 1913
↑ Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko & Lubert Stryer: Biochemistry, 6th Edition, s. 217–221. W. H. Freeman and Company, 2006. ISBN 978-0-7167-8724-2. (englanniksi)
↑ Thomas Engel & Philip Reid: Physical Chemistry. Pearson International, 2006. ISBN 978-0-321-64305-6. (englanniksi)
↑ Esa Aittomäki, Tero Eerikäinen, Matti Leisola, Heikki Ojamo, Ilari Suominen & Niklas von Weymarn: Bioprosessitekniikka, s. 259–262. WSOY, 2002. ISBN 951-26995-6.
↑ G.E. Briggs ja J.B.S. Haldane, Biochem. J., vol 19, s. 338, 1925
↑ H. Lineweaver ja D. Burk, J. Am. Chem. Soc., vol 56, s. 658, 1934
↑ V. Leskovac, Comprehensive enzyme kinetics, 2003, Kluwer Academic, ISBN 978-0-306-46712-7
↑ G.S. Eadie, J. Biol. Chem., vol 146, s. 85, 1942

[1] L. Michaelis ja M. L. Menten, BioChem. Z., vol 49, s. 333, 1913

[biochemistry-2] Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko & Lubert Stryer: Biochemistry, 6th Edition, s. 217–221. W. H. Freeman and Company, 2006. ISBN 978-0-7167-8724-2. (englanniksi)

[physical-3] Thomas Engel & Philip Reid: Physical Chemistry. Pearson International, 2006. ISBN 978-0-321-64305-6. (englanniksi)

[bioprosessitekniikka-4] Esa Aittomäki, Tero Eerikäinen, Matti Leisola, Heikki Ojamo, Ilari Suominen & Niklas von Weymarn: Bioprosessitekniikka, s. 259–262. WSOY, 2002. ISBN 951-26995-6.

[5] G.E. Briggs ja J.B.S. Haldane, Biochem. J., vol 19, s. 338, 1925

[6] H. Lineweaver ja D. Burk, J. Am. Chem. Soc., vol 56, s. 658, 1934

[7] V. Leskovac, Comprehensive enzyme kinetics, 2003, Kluwer Academic, ISBN 978-0-306-46712-7

[8] G.S. Eadie, J. Biol. Chem., vol 146, s. 85, 1942

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]