Vliv pH a teploty na rychlost enzymových reakcí

Obsah

• pH
• Existence forem lišících se stupněm protonace
• Makroskopické a mikroskopické disociační konstanty
• Teplota
• Rychlostní konstanty jsou funkcemi teploty
• Rovnovážné konstanty jsou funkcemi teploty
• Teplotní optimum

pH

Myslím, že každému je hned na startu jasné, že vystavíme-li enzym extrémnímu pH, ať už kyselému, nebo zásaditému, je velká šance, že zdenaturuje a stane se tak neaktivní. Jenže, co se děje s enzymem někde mezi těmito extrémy? Pojďme se na to společně blíže podívat...

Existence forem enzymu lišících se stupněm protonace

V úvahách budeme vycházet z kořenové kostry, která je nám již dobře známa z kapitoly 6:

Jak jednoduše vyjádřit, že enzym může být ve formě, kdy obsahuje jeden nebo více vodíků? Využijeme k tomu symbolu "suma" pro součet:

a z rovnice pro rychlost enzymové reakce si vyjádříme upravené v_lim a K_M:

Nyní se budeme zabývat jednotlivými typy protonací:

• enzym zreaguje se substrátem a poté se tento komplex buď rozpadne na enzym a produkt nebo se komplex naprotonuje:

• nebo naopak - enzym již obsahuje proton a poté reaguje se substrátem:

• existuje i třetí varianta, kdy komplex enzym-substrát může obsahovat žádný, jeden nebo dva vodíky:

Jak jsou na tom s disociací funkční skupiny aminokyselin, ze kterých se enzymy skládají?
Alfa karboxylová skupina a také karboxylové skupiny asparagové a glutamové kyseliny mají obvykle pKa 2 - 5,5. pKa aminoskupin se nachází mezi 5 a 10 a pKa hydroxylové a thiolové skupiny tyrosinu, resp. cysteinu se nalézá mezi 8 a 12.

Makroskopické a mikroskopické disociační konstanty

Co tímto obrázkem chtěl básník říct? Pravděpodobně se snažil o vyjádření vztahů mezi jednotlivými konstantami a formami enzymů. Jelikož to ale na první pohled nemusí být zcela zřejmé (já jsem se na to taky musela notnou chvíli dívat), zde je tento obrázek znovu, tentokrát však upravený:

Teplota

Rychlostní konstanty jsou funkcemi teplot

Rychlostní konstanty a jejich řešení není výmyslem dnešní doby. Mezi první, kteří se touto problematikou zabývali, patřili Arrhenius a Eyring a toto jsou plody jejich práce:

Arrhenius: `k=Ae^\-frac{E}{RT}`

Eyring: `k=\frac{k_BT}{h}e^\-frac{ΔG^≠}{RT}`

Co z toho vyvodit? Enzymu se prostě líbí, když může pracovat pěkně v teple. (Komu by se to taky nelíbilo, že?)
Jelikož vidíme, že grafem je hyperbola a s tou by se nám špatně počítalo, můžeme tuto funkci stejně jako v případě rovnice Michaelise-Mentenové zlinearizovat, čímž dostáváme Arrheniův graf:

Samozřejmě nic není dokonalé, a i proto nám v grafu nemusí vyjít přímka. Důvodem odchylky může být např. tepelná denaturace (až moc jsme to zahřáli, enzymu se to už nelíbí a odmítá pracovat), více kineticky významných kroků s odlišnými teplotními závislostmi nebo fázový přechod dvojvrstvy u membránových enzymů.

Rovnovážné konstanty jsou funkcemi teploty

Stejně jako rychlostní konstanty mají vztah k teplotě, tak i rovnovážné konstanty jsou teplotou ovlivněny.

Až se to může zdát na hlavu postavené, existují případy, kdy se zvyšující se teplotou rychlost reakce klesá. Jak je to možné? Má to na svědomí především nízká koncentrace substrátu. Jak moc nízká? Nižší, než je hodnota Michaelisovy konstanty:

Teplotní optimum enzymové reakce

Teplotní optimum, které pozorujeme, je většinou nepravé, zdánlivé, protože při vyšších teplotách dochází k rychlejší tepelné inaktivací enzymů. Není tomu tak vždy. Jak od sebe rozlišit zdánlivé a pravé teplotní optimum? Ukážeme si to na dvou příkladech:

• Model A: Enzym tvoří produkt, zároveň ale podléhá ireverzibilní tepelné denaturaci.
• Model B: Aktivní forma enzymu je v rovnováze s neaktivní formou enzymu. Teprve neaktivní forma enzymu podléhá ireverzibilní denaturaci.

Nyní je složité rozlišit, ve kterém případě jde o zdánlivé optimum a ve kterém o pravé optimum. K rozlousknutí nám pomůžou průměrné rychlosti enzymové reakce v závislosti na teplotě a čase:

Myslím, že z obrázků je patrné, že zdánlivé optimum je charakteristické pro model A, pravé pro model B. Aby tato problematika byla kompletní, nemůžeme se obejít bez rovnic, ve kterých je počáteční denaturace modelu A zahrnuta. Tady jsou:

Zdroje

Přednášky pana profesora Kučera a vlastní poznámky

http://www.ncfishes.com/mummichog/