Eficiência cinética

medida da eficiência com que uma enzima converte substratos em produtos

No campo da bioquímica, a eficiência cinética[1] ou [2] (também chamada de constante de especificidade),[3] é uma medida da eficiência com que uma enzima converte substratos em produtos.[4] Uma comparação de constantes de especificidade também pode ser usada como uma medida da preferência de uma enzima para diferentes substratos (isto é, especificidade do substrato). Quanto maior a constante de especificidade, mais a enzima "prefere" esse substrato.[5]

Cinética de Michaelis–MentenEditar

 
Curva de saturação para uma enzima mostrando a relação entre a concentração do substrato (abcissas) e a velocidade de reacção (ordenadas).

As reacções catalisadas por enzimas são saturáveis, e a sua velocidade de catálise não indica uma resposta linear face ao aumento de substrato. Se a velocidade inicial da reacção é medida sobre uma escala de concentrações de substrato (denotada como [S]), a velocidade de reacção (v) aumenta com o acréscimo de [S]. Todavia, à medida que [S] aumenta, a enzima satura-se e a velocidade atinge o valor máximo Vmax.

No modelo da cinética de Michaelis-Menten de uma reacção mono-substrato existe uma reacção bimolecular inicial entre a enzima E e o substrato S para formar o complexo ES. Embora o mecanismo enzimático para a reacção unimolecular   possa ser bastante complexo, há tipicamente um passo na determinação da velocidade que permite que se modele o mecanismo como um passo catalítico simples de velocidade constante k2.

  (Eq. 1).

k2 também é designado como kcat ou turnover, o valor máximo de reacções enzimáticas catalisadas por segundo.

Com baixas concentrações de substrato [S], a enzima permanece em equilíbrio entre a forma livre E e o complexo enzima-substrato ES; aumentando [S] aumenta [ES] à custa de [E], mudando o equilíbrio para o lado direito. Uma vez que a velocidade de reacção depende da concentração [ES], a velocidade é sensível a pequenas alterações de [S]. Todavia, com altos valores de [S], a enzima fica totalmente saturada com substrato, e existe apenas na forma ES. Nestas condições, a velocidade (vk2[E]tot=Vmax) é insensível a pequenas alterações de [S]; assim, [E]tot é a concentração total enzimática

 

que é aproximadamente igual à concentração [ES] em condições de saturação.

A equação de Michaelis–Menten[6] descreve como a velocidade de reacção v depende da posição do equilíbrio ligado ao substrato e da constante de velocidade k2. Michaelis e Menten mostraram que se k2 for bem menor que k-1 (chamada a aproximação de equilíbrio), pode obter-se a seguinte equação:

  (Eq. 2)

Esta equação de Michaelis-Menten é a base da maior parte da cinética enzimática mono-substrato.

A constante de Michaelis Km é definida como a concentração para a qual a velocidade da reacção enzimática é metade de Vmax. Isto pode verificar-se ao substituir Km = [S] na equação de Michaelis-Menten. Se o passo de determinação da velocidade for lento, quando comparado com a dissociação do substrato (k2 << k-1), então a constante de Michaelis Km é aproximadamente à constante de dissociação do complexo ES, embora tal situação seja relativamente rara.

A situação mais normal dá-se quando k2 > k-1 , resultando na por vezes chamada cinética de Briggs-Haldane.[7] A equação ainda se verifica em condições mais gerais, como provém da aproximação ao estado estacionário. Durante o período inicial, a velocidade de reacção v é relativamente constante, indicando que [ES] é também aproximadamente constante (cf. equação 1):

 

Assim, a concentração [ES] é dada pela fórmula

 

em que a constante de Michaelis Km é definida por

 

([E] é a concentração de enzima livre). Em conjunto, a fórmula geral para a velocidade de reacção v vem pela equação de Michaelis-Menten:

 

A constante de especificidade   é uma medida da eficiência de conversão pela enzima do substrato em produto. Usando a definição da constante de Michaelis  , a equação escreve-se na forma

 

sendo [E] a concentração de enzima livre. Assim, a constante de especificidade é um modo eficaz de obter a constante de segunda ordem da velocidade para enzimas livres na reacção com substrato livre para formação de produto. A constante de especificidade é limitada pela frequência com que o substrato e a enzima se encontram na solução, podendo atingir 1010 M−1 s−1.[8] Esta taxa máxima é amplamente não dependente da dimensão do substrato ou da enzima.[9] A razão entre constantes de especificidade para dois substratos é uma comparação quantitativa da eficiência da enzima na conversão dos substratos. O declive do gráfico de Michaelis-Menten com baixa concentração de substrato [S] (i.e. [S] << Km) também resulta na constante de especificidade.

Constante de MichaelisEditar

A constante Michaelis,[10] por sua vez, é definida da seguinte forma:

 

A constante de Michaelis é igual à concentração de substrato na qual a enzima converte substratos em produtos à metade de sua taxa máxima e, portanto, está relacionada à afinidade do substrato pela enzima.

A constante catalítica ( ) é a taxa de formação do produto quando a enzima está saturada com substrato e, portanto, reflete a taxa máxima da enzima. A taxa de formação do produto depende de quão bem a enzima se liga ao substrato e a rapidez com que a enzima converte o substrato no produto depois que o substrato é ligado.

Para uma enzima cineticamente perfeita, todo encontro entre enzima e substrato leva ao produto e, portanto, a velocidade da reação é limitada apenas pela taxa em que a enzima encontra o substrato em solução. Portanto, o limite superior para   é igual à taxa de difusão do substrato que está entre 108 e 109 s−1M−1.[11]

Referências

  1. Wu, Meng‐Hsuan; Lee, Cheng‐Chung; Hsiao, An‐Shan; Yu, Su‐May; Wang, Andrew H.‐J.; Ho, Tuan‐Hua David (3 de julho de 2018). «Kinetic analysis and structural studies of a high‐efficiency laccase from Cerrena sp. RSD1». FEBS Open Bio. 8 (8): 1230–1246. ISSN 2211-5463. PMC 6070645 . PMID 30087829. doi:10.1002/2211-5463.12459 
  2. Ron Wever; et al. (7 de abril de 2018). «Chapter Six - Marine Vanadium-Dependent Haloperoxidases, Their Isolation, Characterization, and Application». Methods in Enzymology - Volume 605, 2018, Páginas 141-201 
  3. «Specificity Constant - Biochemistry Video». www.clutchprep.com (em inglês). Consultado em 7 de fevereiro de 2020 
  4. miyamoto. «Enzimas» (PDF). Instituto de Química - Universidade de São Paulo 
  5. Akhtaruz Zaman,; et al. (12 de agosto de 2019). «Synthesis and characterization of a new 4-styrylpyridine based square planar copper(II) complex: exploration of phenoxazinone synthase-mimicking activity and DFT study». Journal of Coordination Chemistry - Volume 72, 2019 - Edição 14 
  6. Michaelis L., Menten M.L. Kinetik der Invertinwirkung Biochem. Z. 1913; 49:333–369 Tradução do artigo Kinetik der Invertinwirkung em inglês Acesso 6 Abril 2007
  7. Briggs GE, Haldane JB. A Note on the Kinetics of Enzyme Action. Biochem J. 1925;19(2):338-9. PMID 16743508
  8. Stroppolo ME, Falconi M, Caccuri AM, Desideri A (2001). «Superefficient enzymes». Cell. Mol. Life Sci. 58 (10): 1451–60. PMID 11693526 
  9. Davis ME, Madura JD, Sines J, Luty BA, Allison SA, McCammon JA (1991). «Diffusion-controlled enzymatic reactions». Meth. Enzymol. 202: 473–97. PMID 1784185 
  10. Kenneth A. Johnson, Roger S. Goody (2 de setembro de 2011). «The Original Michaelis Constant: Translation of the 1913 Michaelis–Menten Paper». American Chemical Society - Biochemistry 2011, 50, 39, 8264-8269 
  11. Stryer L, Berg JM, Tymoczko JL (2002). «Section 8.4: The Michaelis-Menten Model Accounts for the Kinetic Properties of Many Enzymes». Biochemistry 5th ed. San Francisco: W.H. Freeman. ISBN 0-7167-4955-6 
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