|
||||
จลศาสตร์ของเอนไซม์ (enzyme kinetics) คือ การศึกษาอัตราเร็วของปฏิกิริยา (reaction rate) และการเปลี่ยนแปลงอัตราเร็วของปฏิกิริยาเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงปัจจัยบางอย่าง เพื่อทำความเข้าใจกลไกการทำงานของเอนไซม์นั้นๆได้ กิจกรรมหรือการทำงาน (activity) ของเอนไซม์ นอกจากจะขึ้นกับตัวเอนไซม์และซับสเตรตเองแล้ว ปัจจัยภายนอกอีกหลายอย่างก็มีผลต่อการทำงานของมันด้วย โดยจะอธิบายในภายหลัง (เรื่อง ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราเร็วของปฏิกิริยา) |
||||
ปฏิกิริยาที่มีเอนไซม์เป็นตัวเร่งและมีซับสเตรตเพียงหนึ่งตัวสามารถแบ่ง |
||||
![]() |
||||
จากสมการข้างบน (ซึ่งเป็นสมการโดยทั่วไป) ปฏิกิริยาขั้นแรกเป็นปฏิกิริยาที่ทวนกลับได้โดยที่โมเลกุลเชิงซ้อนซึ่งมีเอนไซม์จับกับซับสเตรต (ES) เป็นโมเลกุลที่ไม่มีพันธะโควาเลนต์ระหว่างเอนไซม์กับซับสเตรตและสามารถแยกสลายกลับเป็นเอนไซม์ (E) และซับสเตรต (S) ได้อย่างรวดเร็ว สำหรับปฏิกิริยาในขั้นที่สองมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของโมเลกุลเกิดขึ้น ในโมเลกุลเชิงซ้อนซึ่งมีเอนไซม์จับกับซับสเตรตทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ ซึ่งจะแยกตัวออกมาจากเอนไซม์ในที่สุด และเอนไซม์ก็จะสามารถกลับมาจับกับซับสเตรตตัวใหม่ได้ จะเห็นได้ว่าเอนไซม์เริ่มต้นและเอนไซม์เมื่อปล่อยผลิตภัณฑ์แล้ว คือเอนไซม์ที่ว่างเปล่า ซึ่งพร้อมจะเร่งปฏิกิริยาเมื่อจับกับซับสเตรตได้เหมือนกัน |
||||
|
||||
|
ลองคิดดูซิว่า ภายหลังการเร่งปฏิกิริยาในแต่ละครั้งเอนไซม์ มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างไปเป็นสารใหม่หรือไม่ |
|||
ในตอนเริ่มต้นของปฏิกิริยา
โมเลกุลเชิงซ้อนซึ่งมีเอนไซม์จับกับซับสเตรต จะมีปริมาณเพิ่มมากขึ้น ในระยะนี้ปฏิกิริยาส่วนมากจะอยู่ในขั้นแรกและเรียกว่าเป็น
ระยะก่อนสภาวะคงที่ (pre-steady state) ซึ่งเป็นช่วงเวลาสั้นๆ เท่านั้น ต่อมาเมื่อโมเลกุลเชิงซ้อนซึ่งมีเอนไซม์จับกับซับสเตรตมีความเข้มข้นสูงพอสมควร
ปฏิกิริยาขั้นที่สองจะเกิดได้มากขึ้น เนื่องจากอัตราเร็วเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มข้นของโมเลกุลเชิงซ้อนนั้น
เมื่อถึงระยะที่ โมเลกุลเชิงซ้อนซึ่งมีเอนไซม์จับกับซับสเตรตถูกสร้างขึ้นมาด้วยอัตราเร็วเท่าที่กับสลายไปเป็นเอนไซม์และผลิตภัณฑ์
ความเข้มข้นของโมเลกุลเชิงซ้อนของเอนไซม์กับซับสเตรตจะมีความคงที่ระยะนี้เรียกว่า
ระยะสภาวะคงที่ (steady state) ปฏิกิริยาเอนไซม์จะคงที่อยู่เกือบตลอดเวลา
เมื่อปฏิกิริยาอยู่ในสภาวะคงที่ โมเลกุลเชิงซ้อนซึ่งมีเอนไซม์จับกับซับสเตรต
จะมีค่าคงที่ของอัตราเร็วค่าหนึ่ง (k+1) และสามารถแยกสลายได้เป็นสองทาง
คือกลับไปเป็นเอนไซม์และซับสเตรต โดยจะได้ค่าคงที่ของอัตราเร็วอีกค่าหนึ่ง
(k-1) หรือ ปฏิกิริยาอาจดำเนินไปจนได้เอนไซม์และผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยา
ซึ่งมีค่าคงที่ของ อัตราเร็วอีกค่าหนึ่ง(k2 ) ดังนั้นโมเลกุลเชิงซ้อนซึ่งมีเอนไซม์จับกับซับสเตรต
และเอนไซม์กับซับสเตรต จึงมีความสัมพันธ์กันประหนึ่งว่ามีสมดุลทางเคมีกันอยู่ |
||||
ภาพแสดงการเปลี่ยนแปลงของปฏิกิริยาที่มีเอนไซม์
|
||||
[E] คือ ความเข้มข้นของเอนไซม์ที่ว่างเปล่า [ES] คือ ความเข้มข้นของสารประกอบเชิงซ้อนเอนไซม์กับซับสเตรต [E]t คือ ค่าความเข้นข้นของเอนไซม์ทั้งหมด ซึ่งเท่ากับ [E] + [ES] [S0] คือ ความเข้มข้นของซับสเตรตเริ่มต้น [S] คือ ความเข้มข้นซับสเตรตในเวลาต่างๆ [P] คือ ความเข้มข้นผลผลิตในเวลาต่างๆ
|
||||
ลองคิดดูอีกทีซิว่า ถ้าเอนไซม์มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างภายหลังการเร่งปฏิกิริยาในแต่ละครั้ง จะส่งผลต่ออัตราเร็วของปฏิกิริยาอย่างไร | ||||
การวัดอัตราเร็วของปฏิกิริยาอาจทำโดยการวัดความเข้มข้นของซับสเตรต หรือของผลผลิตที่เวลาต่างๆ วิธีการอย่างหนึ่งที่นิยมใช้คือ วิธีการทาง สเปคโตรโฟโตเมตรี (spectrophotometry) ในปฏิกิริยาที่เร่งโดยเอนไซม์มักพบว่า ในระยะแรกๆ อัตราเร็วของปฏิกิริยาจะให้กราฟที่เป็นเส้นตรง แสดงว่ามีปฏิกิริยาเกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอ แต่ในระยะหลังการเพิ่มของปริมาณผลิตผลจะค่อยๆ ช้าลงและในที่สุดอาจหยุดเลย ด้วยเหตุนี้การวัดอัตราความเร็วของปฏิกิริยาเอนไซม์จะใช้ช่วงแรกของกราฟที่เป็น เส้นตรงซึ่งเรียกว่า อัตราเร็วเริ่มต้น (initial velocity : Vi) |
||||
|
||||
การวาดกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็วเริ่มต้นของปฏิกิริยาเอนไซม์ต่อความเข้มข้นของซับสเตรตเริ่มต้น ทำได้โดยกำหนดให้ความเข้นข้นของเอนไซม์คงที่ แล้วใช้ซับสเตรตที่มีความเข้นข้นตั้งแต่ต่ำมากไปจนสูงมากทำให้เกิดปฏิกิริยากัน กราฟที่ได้ี่มีลักษณะแบบไฮเปอร์โบลา (hyperbola) ตามสมการมิเคลิส-เมนเทน (Michaelis-Menten equation) กล่าวคือ ในระยะที่ความเข้มข้นของซับสเตรตยังมีค่าต่ำ ค่าอัตราเร็วเริ่มต้นจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจนกระทั่งเมื่อซับสเตรตมีค่าสูงมาก ค่าอัตราเร็วจะเพิ่มขึ้นในอัตราที่ช้าลง และในที่สุดอัตราความเร็วจะไม่สามารถเพิ่มขึ้นอีก | ||||
สมการมิเคลิส-เมนเทน (Michaelis-Menten equation) คือ
และค่า Km หาได้จาก |
||||
|
||||
ค่าอัตราความเร็วสูงสุด
(Vmax) และค่าความเข้มข้นของซับสเตรตที่ให้อัตราความเร็วเป็นครึ่งหนึ่งของความเร็วสูงสุด
(Km) ซึ่งหาได้จากกราฟ เป็นค่าที่บอกว่าเอนไซม์แต่ละตัวมีความว่องไวในปฏิกิริยามากน้อยเพียงใด
ยิ่งถ้าอัตราเร็วสูงสุดมีค่าสูงและค่าความเข้มข้นของซับสเตรตที่ให้อัตราความเร็วเป็นครึ่งหนึ่งของความเร็วสูงสุดมีค่าต่ำ
ก็แปลว่าปฏิกิริยาที่เร่งโดยเอนไซม์นั้นๆ ดำเนินไปโดยเร็ว ค่าอัตราความเร็วสูงสุดขึ้นอยู่กับจำนวนของเอนไซม์ที่มีอยู่
และค่าความเข้นข้นของซับสเตรตที่ทำให้อัตราเร็วเป็นครึ่งหนึ่งของอัตราเร็วสูงสุด
สะท้อนว่าเอนไซม์ชอบซับสเตรตมากน้อยเพียงใด เพราะถ้าใช้ความเข้นข้นของซับสเตรตต่ำแต่ทำให้ความเร็วเป็นครึ่งหนึ่งได้
ก็แสดงว่าเอนไซม์ชอบซับสเตรต ถ้าต้องใช้ซับสเตรตความเข้นข้นสูงๆ อัตราเร็วจึงเป็นครึ่งหนึ่ง
ก็แสดงว่า เอนไซม์ไม่ชอบซับสเตรตนั้น การศึกษาคุณสมบัติทางจลน์ศาสตร์ของเอนไซม์
เพื่อให้สามารถนำเอนไซม์ไปประยุกต์ใช้ได้ จะต้องมีการหาค่าอัตราความเร็วสูงสุดและ
ค่าความเข้มข้นของซับสเตรตที่ให้อัตราความเร็วเป็นครึ่งหนึ่งของความเร็วสูงสุดเสมอ
โดยต้องพึงระวังว่าค่าทั้งสองนี้อาจเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิหรือ pH ของปฏิกิริยาด้วย |
||||
การหาอัตราความเร็วสูงสุดและค่าความเข้มข้นของซับสเตรต ที่ให้ อัตราความเร็วเป็นครึ่งหนึ่งของความเร็วสูงสุดอาจหาได้จากกราฟ แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็วเริ่มต้นของปฏิกิริยาเอนไซม์กับความเข้มข้นของซับสเตรต หรือหาได้จากกราฟไลน์วีเวอร์-เบิร์ก (Lineweaver-Burk plot) ที่สามารถคำนวณค่าทั้งสองได้จากจุดตัดบนแกนตั้ง แกนนอน และจากความชันของเส้นตรงจากกราฟ |
||||
การคำนวณหาค่า Vmax โดยใช้กราฟไลน์วีเวอร์-เบิร์ก นี้จะกลับสมการของสมการมิเคลิส-เมนเทน กล่าวคือ เมื่อนำไปวาดกราฟ จะได้กราฟที่มีลักษณะดังต่อไปนี้
|
||||
|
||||
น้องๆ ทราบหรือไม่ว่า ค่า activity กับ ค่า specific activity ของเอนไซม์ต่างกันอย่างไร??? | ||||
|
||||
1. ถ้าซับสเตรตหมด จะเกิดอะไรขึ้น กราฟจะเป็นอย่างไร? 2. ทำไมเมื่อเราเพิ่มปริมาณความเข้มข้นของเอนไซม์ |
||||