Միխաելիս-Մենթենի հավասարում

testwiki-ից
Jump to navigation Jump to search
Ռեակցիայի արագության (V) կախվածությունը սուբստրատի կոնցենտրացիայից ([S]) արտահայտող գրաֆիկ

Միխաելիս-Մենթենի հավասարում, կենսաքիմիայում ֆերմենտատիվ ռեակցիաների կինետիկայի հիմնարար հավասարում։ Այն անվանվել է գերմանացի կենսաքիմիկոս Լեոնոր Միխաելիսի և կանադացի ֆիզիկոս Մոդ Մենթենի պատվին։ Այս հավասարումը իրենից ներկայացնում է ֆերմենտատիվ ռեակցիայի v արագության կախվածությունը ռեակցիայի ելանյութի՝ սուբստրարի [S] կոնցենտրացիայից։ Հիմնարար հավասարումը գրվում է հետևյալ կերպով

v=d[P]dt=Vmax[S]Km+[S]

որտեղ՝

  • Vmax - համակարգի հնարավոր առավելագույն արագություն,
  • Km - Միխաելիսի հաստատուն, սուբստրատրի այն կոնցենտրացիան, որի դեպքում V=Vmax/2[1]։

Ընդունված է համարել, որ մեկ սուբստրատ պարունակով կենսաքիմիական ռեակցիաները ընթանում են Միխաելիս-Մենթենի առաջարկած մեխանիզմով։

Նախատիպ

Միխաելիս-Մենթենի հավասարումը Գրացի տեխնիկական համալսարանի պատին

1903 թվականին ֆրանսիացի ֆիզիկական քիմիկոս Վիկտոր Անրին հայտնաբերել է, որ ֆերմենտատիվ ռեակցիաները ուղեկցվում են ֆերմենտի և սուբստրարի միջև հատուկ կապերի առաջացմամբ[2]։ Նրա աշխատանքը հետագայում ուսումնասիրվել է գերմանացի կենսաքիմիկոս Լեոնոր Միխաելիսի և կանադացի ֆիզիկոս Մոդ Մենթենի կողմից, ովքեր հիմք են դրել ֆերմենտատիվ ռեակցիաների կինետիկային և առաջին անգամ հայտնաբերել են ինվերտազա ֆերմենտի ազդման մեխանիզմը, որով նա կատալիզում է սախարոզի հիդրոլիզը մինչև գլյուկոզ և ֆրուկտոզ[3]։ 1913 թվականին նրանք առաջարկեցին այս ռեակցիայի մաթեմատիկական մոդելը, որը հետագայում ընդլայնվեց և հիմք հանդիսացավ քիմիայի նոր բնագավառի զարգացմանը[4]։ Մեխանիզմն իր մեջ է ներառում E էնզիմի կապումը S սուբստրատի հետ, որի հետևանքով նախ առաջանում է էնզիմ-սուբստրատային ES կոմպլեքսը, որը հետագայում վերածվում է P պրոդուկտի և E էնզիմի։ Սխեմատիկորեն այս մեխանիզմը կարելի է պատկերել հետևյալ կերպով

E+SkrkfESkcatE+P ,

որտեղ kf, kr և kcat իրենցից ներկայացնում են համապատասխան ռեակցիաների արագության հաստատունները[5], իսկ S-ի և ES-ի միջև կրկնակի սլաքը ցույց է տալիս, որ էնզիմի կապումը սուբստրատին դարձելի ռեակցիա է։

Որոշ մոտավորություններ անելուց հետո կարելի է ասել, որ պրոդուկտի առաջացման արագությունը տրվում է հետևյալ բանաձևով

v=d[P]dt=Vmax[S]Km+[S]=kcat[E]0[S]Km+[S]

Ռեակցիայի արագությունը մեծանում և ձգտում է առավելագույն Vmax արժեքին (այն արագությունը, որի դեպքում ամբողջ էնզիմը կապվել է սուբստրատի հետ), երբ մեծանում է սուբստրատի կոնցենտրացիան ([S])։ Ցույց է տրված նաև, որ Vmax=kcat[E]0, որտեղ [E]0 - ֆերմենտի կոնցենտրացիան է, իսկ kcat - սուբստրատի մոլեկուլների այն առավելագույն քանակը, որը վերածվել է պրոդուկտի միավոր ժամանակում և մեկ էնզիմի վրա հաշվարկած։

Միխաելիսի Km հաստատունը իրենից ներկայացնում է սուբստրատրի այն կոնցենտրացիան, որի դեպքում V=Vmax/2[1], բացի այդ, այն բնութագրում է սուբստրատի հակաաֆինությունը էնզիմի նկատմամբ (որքան փոքր է Km-ը, այնքան մեծ է աֆինությունը, հետևաբար արագությունը ավելի արագ կհասնի Vmax-ին[6]Km-ի արժեքը կախված է ինչպես էնզիմից և սուբստրատից, այնպես էլ ռեակցիայի կատարման պայմաններից (ջերմաստիճան, pH

Այս նախատիպը օգտագործվում է նաև բազմաթիվ այլ կենսաքիմիական ոլորտներում (հակածին-հակամարմին փոխազդեցություն, ԴՆԹ-ԴՆԹ հիբրիդացում, սպիտակուց-սպիտակուց փոխազդեցություն[6][7])։ Այն կարող է կիրառվել նաև ընդհանուր կենսաքիմիական ռեակցիաներ ուսումնասիրելիս, օրինակ՝ Լենգմյուրի հավասարման փոխարեն, որը թույլ է տալիս կազմել կենսաբանական օբյեկտների ադսորբցիայի մոդել կամ Մոնոդի հավասարման փոխարեն, որը թույլ է տալիս գնահատել մանրէի աճը[7]։

Միխաելիս-Մենթենի հավասարումը կիրառվում է ոչ միայն կենսաքիմիայում, այլ նաև բազմաթիվ այլ բնագավառներում (փոշու հատիկի ալվեոլային մաքրության որոշում[8], ջրավազանների կենդանական աշխարհի առատության որոշում[9], արյան մեջ ալկոհոլի քանակության որոշում[10], ֆոտոսինթեզ-ճառագայթում կախվածության որոշում[11], բակտերիալ վարակների ուսումնասիրություն[12]

Կիրառություն

Ֆերմենտների պարամետրերը խստիվ տարբերվում են մեկը մյուսից[13]։

Ֆերմենտ Km (Մ) kcat (1/վ) kcat/Km (1/Մվ)
Խիմոտրիպսին 1.5 × 10−2 0.14 9.3
Պեպսին 3.0 × 10−4 0.50 1.7 × 103
Թիրոզիլ-փՌՆԹ սինթետազ 9.0 × 10−4 7.6 8.4 × 103
Ռիբոնուկլեազներ 7.9 × 10−3 7.9 × 102 1.0 × 105
Կարբոնատ դեհիդրազ 2.6 × 10−2 4.0 × 105 1.5 × 107
Ֆումարազ 5.0 × 10−6 8.0 × 102 1.6 × 108

kcat/Km հաստատունը ցույց է տալիս, թե որքան է ֆերմենտի արդյունավետությունը սուբստրատին պրոդուկտ դարձնելու գործում։ Այն ունի մոտավոր վերին սահման (Կաղապար:Nowrap)։ Այն ֆերմենտները, որոնք աշխատում են այդ տիրույթում (ֆումարազա), կոչվում են գերարդյունավետ[14]։

Կինետիկական բնութագիր

E էնզիմի, S սուբստրատի, ES կոմպլեքսի և P վերջանյութի կոնցենտրացիայի կախվածությունը ժամանակից արտահայտող գրաֆիկ

Դիտարկենք Միխաելիս-Մենթենի առաջարկած մեխանիզմը

E+SkrkfESkcatE+P

Կիրառելով զանգվածների ներգործության օրենքը, որը պնդում է, որ ռեակցիայի արագությունը ուղիղ համեմատական է ելանյութերի կոնցենտրացիաների արտադրյալին, ստանում ենք չորս ոչ գծային դիֆերենցիալ հավասարումներ[15]։

d[E]dt=kf[E][S]+kr[ES]+kcat[ES]d[S]dt=kf[E][S]+kr[ES]d[ES]dt=kf[E][S]kr[ES]kcat[ES]d[P]dt=kcat[ES].

Այս մեխանիզմում E էնզիմը հանդիսանում է կատալիզատոր, որը միայն արագացնում է ռեակցիան, միաժամանակ նրա ամբողջ կոնցենտրացիան (կապված և ազատ ձևերի կոնցենտրացիաների գումարը՝ [E]+[ES]=[E]0) հաստատուն մեծություն է։ Այս հավասարությունը հնարավոր է ստանալ նաև գումարելով առաջին և երրորդ դիֆերենցիալ հավասարումները[15][16]։

Հավասարակշռային մոտավորություն

Իրականում Միխաելիսը և Մենթենը համարել են, որ սուբստրատը անմիջապես հավասարակշռության մեջ է մտնում կոմպլեքսի հետ և kf[E][S]=kr[ES][4][16]։ Կիրառելով այս արտահայտությունը էնզիմի պահպանման օրենքի հետ համատեղ, ստանում ենք, որ կոմպլեքսի կոնցենտրացիան հավասար է[16]

[ES]=[E]0[S]Kd+[S] ,

որտեղ Kd=kr/kf իրենից ներկայացնում է էնզիմ-սուբստրատային կոմպլեքսի դիսոցման հաստատունը։

Հետևաբար ռեակցիայի v արագությունը (P պրոդուկտի առաջացման արագությունը) հավասար է[16]

v=d[P]dt=Vmax[S]Kd+[S] ,

որտեղ Vmax=kcat[E]0 - ռեակցիայի առավելագույն արագությունն է։

Քվազիստացիոնար մոտավորություն

1925 թվականին բրիտանացի բուսաբան Ջորջ Էդվարդ Բրիգսը և բրիտանացի գենետիկ Հոլդեյնը առաջարկեցին այս մեխանիզմի մեկ այլ կինետիկական մեկնաբանություն[17]։ Նրանք համարեցին, որ միջանկյալ կոմպլեքսի (ինտերմեդիատի) կոնցենտրացիան չի փոխվում պրոդուկտի առաջացման ժամանակից կախված (քվազիստացիոնար մոտավորություն)։ Մաթեմատիկորեն այս մոտավորությունը կարելի է գրել հետևյալ կերպով

kf[E][S]=kr[ES]+kcat[ES]

Կիրառելով այս արտահայտությունը էնզիմի պահպանման օրենքի հետ համատեղ, ստանում ենք, որ կոմպլեքսի կոնցենտրացիան հավասար է[16]

[ES]=[E]0[S]Km+[S] ,

որտեղ Km=kr+kcatkf և հայտնի է Միխաելիսի հաստատուն անվանմամբ,

և որտեղ kr, kcat և kf համապատասխան ռեակցիաների արագության հաստատուններն են։

Հետևաբար ռեակցիայի v արագությունը (P պրոդուկտի առաջացման արագությունը) հավասար է[16]

v=d[P]dt=Vmax[S]Km+[S]

Մոտավորություններ և սահմանափակումներ

Առաջին մոտավորությունը կայանում է զանգվածների ներգործության օրենքի կիրառումը, քանի որ այն պահանջում է ազատ դիֆուզիա։ Պարզ է, որ կենդանի օրգանիզմի բջջում, որտեղ կա սպիտակուցների մեծ կոնցենտրացիա և, բացի այդ, ցիտոպլազման իրենից ներկայացնում է ավելի շուտ դոնդողանման, քան հեղուկ միջավայր, ապա մոլեկուլների շարժումները այդ միջավայրում խիստ սահմանափակված են[18]։ Քանի դեռ զանգվածների ներգործության օրենքը թույլ է տալիս այն կիրառել հետերոգեն համակարգերում[19], ապա նպատակահարմար կլինի ցիտոպլազման դիտել որպես ֆրակտալ[20]։

Երկու տարբեր մոտավորություններով ստացված ռեակցիայի արագությունները գրեթե նույնն են։ Տարբերությունը կայանում է նրանում, որ հավասարակշռային մոտավորությունը բերում է Kdհաստատունին, իսկ քվազիստացիոնար մոտավորությունը՝ Km հաստատունին։ Միխաելիս-Մենթենի հավասարակշռային մոտավորությունը ճիշտ է կիրառել այն դեպքում, երբ սուբստրատը հասնում է հավասարակշիռ վիճակի ավելի շուտ, քան առաջանում է պրոդուկտը կամ ավելի ճիշտ[16], երբ

ϵd=kcatkr1

Բրիգս-Հոլդեյնի քվազիստացիոնար մոտավորությունը ճիշտ է կիրառել[15][21], երբ

ϵm=[E]0[S]0+Km1

Այսինքն այս մոտավորությունը տեղի ունի, եթե ֆերմենտի կոնցենտրացիան շատ փոքր է սուբստրատի կոնցենտրացիայից։ Եթե այս պահանջը բավարարված չէ, ապա Km հաստատունի մեծ արժեքները նույնպես ընդունելի պայման են հանդիսանում։

Ե՛վ Միխաելիս-Մենթենի, և՛ Բրիգս-Հոլդեյնի կատարած մոտավորությունները ավելի լավ տեսք են ընդունում, երբ ϵ-ը նվազում է[16]։

Շատ կարևոր պայման է նաև այն հանգամանքը, որ պետք է հաշվի առնել, որ ոչ մի ռեակցիա չի ընթանում մեկ ուղղությամբ։ Հետևաբար ֆերմենտատիվ ռեակցիայի մեխանիզմը ճիշտ կլինի գրել հետևյալ տեսքով

E+Skr1kf1ESkr2kf2E+P

Իրականում, կարելի է համարել, որ ռեակցիան անդարձելի է, եթե պահպանվում է հետևյալ պայմաններից գոնե մեկը
1. Սուբստրատ(ներ) ի կոնցենտրացիան շատ մեծ է պրոդուկտ(ներ) ի կոնցենտրացիայից

[S][P]

Այս պայմանը ճիշտ է հատուկ in vitro և բազմաթիվ in vivo պայմաններում ընթացող կենսաբանական ռեակցիաների համար։
2. Ռեակցիայից անջատված էներգիան շատ մեծ է

ΔG0

Այն դեպքերում, երբ տեղի չունի հետևյալ երկու պայմաններից և ոչ մեկը, ապա սխալ է օգտագործել Միխաելիս-Մենթենի մոդելը։ Դրա փոխարեն կիրառում են ավելի բարդ մոդելավորման օրինակներ։

Հաստատունների որոշում

Vmax և Km հաստատունների որոշման համար դիտարկում են նույն ֆերմենտատիվ ռեակցիան սուբստրատի տարբեր սկզբնական կոնցենտրացիաների համար և սկզբից չափում են ֆերմենտատիվ ռեակցիայի սկզբնական v0 արագությունը։ Սկզբնական ասելով նկատի ունեն, որ ռեակցիայի արագությունը չափվել է այն կարճ ժամանակում, երբ էնզիմ-սուբստրատային կոմպլեքս է գոյացել, և, բացի այդ, սուբստրատի կոնցենտրացիան մնացել է մոտավորապես հաստատուն[21]։ Ապա այդ հաստատունները կարելի է ստանալ կառուցելով ռեակցիայի արագության կախումը կոնցենտրացիայից արտահայտող գրաֆիկը[22]։

Նախքան համակարգչային մոդելավորման ի հայտ գալը կիրառվել են բազմաթիվ այլ հավասարումներ այդ հաստատունների որոշման համար (Էդի-Հոֆսթիի դիագրամ, Հան-Վուլֆի դիագրամ[22], Լայնովեր-Բերգի դիագրամ

1997 թվականին Սանտյագո Շնելը և Կլաուդիո Մենդոզան առաջարկեցին Միխաելիս-Մենթենի մեխանիզմի լուծման փակ մի եղանակ[23]։ Այժմ այն կրում է Շնել-Մենդոզայի հավասարում անվանումը և ունի հետևյալ տեսքը

[S]KM=W[F(t)] ,

որտեղ W[]՝ Լամբերտի W-ֆունկցիան է, իսկ F (t)-ն իրենից ներկայացնում է հետևյալ ֆունկցիան

F(t)=[S]0KMexp([S]0KMVmaxKMt)

Շնել-Մենդոզայի հավասարումը ներկայումս լայնորեն կիրառվում է ֆերմենտատիվ ռեակցիաների Vmax և Km հաստատունների որոշման համար[24][25]։

Ստորև տրված հավասարումը առաջարկվել է 2010 թվականին Մարիո Բարբերան-Սանթոսի կողմից և այն ևս լավ մոդել է ծառայում ռեակցիայի հաստատունների որոշման համար[26]։

[S]KM=W[F(t)]VmaxkcatKM W[F(t)]1+W[F(t)]

Տես նաև

Ծանոթագրություններ

Կաղապար:Ծանցանկ Կաղապար:Ծանցանկ

Արտաքին հղումներ

  1. 1,0 1,1 Introduction to EnzymesԿաղապար:Ref-en
  2. Henri, Victor (1903), Lois Générales de l’Action des Diastases. Paris: Hermann. Google booksԿաղապար:Ref-en
  3. Վիկտոր Անրիի կենսագրությունԿաղապար:Ref-en
  4. 4,0 4,1 Michaelis, L.; Menten, M.L. (1913). "Die Kinetik der Invertinwirkung". Biochem Z 49: 333–369
  5. Chen, W.W.; Neipel, M.; Sorger, P.K. (2010)Կաղապար:Ref-en
  6. 6,0 6,1 Lehninger, A.L.; Nelson, D.L.; Cox, M.M. (2005). Lehninger principles of biochemistry. New York: W.H. Freeman
  7. 7,0 7,1 Chakraborty, S. (23 Dec 2009). Microfluidics and Microfabrication (1 ed.). Springer.
  8. Chen, W.W.; Neipel, M.; Sorger, P.K. (2010). "Classic and contemporary approaches to modeling biochemical reactions". Genes Dev 24 (17): 1861–1875.
  9. Yu, R.C.; Rappaport, S.M. (1997). "A lung retention model based on Michaelis–Menten-like kinetics". Environ Health Perspect 105 (5): 496–503.
  10. Keating, K.A.; Quinn, J.F. (1998). "Estimating species richness: the Michaelis–Menten model revisited". Oikos 81 (2): 411–416.
  11. Jones, A.W. (2010). "Evidence-based survey of the elimination rates of ethanol from blood with applications in forensic casework". Forensic Sci Int 200 (1–3): 1–20.
  12. Abedon, S.T. (2009). "Kinetics of phage-mediated biocontrol of bacteria". Foodborne Pathog Dis 6 (7): 807–15.
  13. Mathews, C.K.; van Holde, K.E.; Ahern, K.G. (10 Dec 1999). Biochemistry (3 ed.). Prentice Hall
  14. Stroppolo, M.E.; Falconi, M.; Caccuri, A.M.; Desideri, A. (Sep 2001). "Superefficient enzymes". Cell Mol Life Sci 58 (10): 1451–60.
  15. 15,0 15,1 15,2 Murray, J.D. (2002). Mathematical Biology: I. An Introduction (3 ed.). Springer.
  16. 16,0 16,1 16,2 16,3 16,4 16,5 16,6 16,7 Keener, J.; Sneyd, J. (2008). Mathematical Physiology: I: Cellular Physiology (2 ed.). Springer
  17. A Note on the Kinetics of Enzyme ActionԿաղապար:Ref-en
  18. Macromolecular crowding and confinement: biochemical, biophysical, and potential physiological consequencesԿաղապար:Ref-en
  19. Grima, R.; Schnell, S. (Oct 2006). "A systematic investigation of the rate laws valid in intracellular environments". Biophys Chem 124 (1): 1–10.
  20. Schnell, S.; Turner, T.E. (2004). "Reaction kinetics in intracellular environments with macromolecular crowding: simulations and rate laws". Prog Biophys Mol Biol 85 (2–3): 235–60.
  21. 21,0 21,1 Segel, L.A.; Slemrod, M. (1989). "The quasi-steady-state assumption: A case study in perturbation". Thermochim Acta 31 (3): 446–477.
  22. 22,0 22,1 Leskovac, V. (2003). Comprehensive enzyme kinetics. New York
  23. Կաղապար:Cite journalԿաղապար:Ref-en
  24. Կաղապար:Cite journalԿաղապար:Ref-en
  25. Կաղապար:Cite journalԿաղապար:Ref-en
  26. Կաղապար:Cite journalԿաղապար:Ref-en