JoVE 과학 교육
생화학
JoVE 비디오를 활용하시려면 도서관을 통한 기관 구독이 필요합니다.  전체 비디오를 보시려면 로그인하거나 무료 트라이얼을 시작하세요.
JoVE 과학 교육 생화학
Enzyme Assays and Kinetics
  • 00:00Overveiw
  • 00:31Principles of Enzyme Kinetics
  • 04:34Enzyme Assay
  • 06:12Applications
  • 07:44Summary

אנזים אסות וקינטיקה

English

소셜에 공유하기

개요

קינטיקה אנזימים מתארת את ההשפעות קטליטיות של אנזימים, שהם ביומולקולים המאפשרים תגובות כימיות הדרושות לאורגניזמים חיים. אנזימים פועלים על מולקולות, המכונות מצעים, כדי ליצור מוצרים. פרמטרים קינטיים אנזים נקבעים באמצעות התקפות כי במישרין או בעקיפין למדוד שינויים מצע או ריכוז המוצר לאורך זמן.

וידאו זה יכסה את העקרונות הבסיסיים של קינטיקה אנזימים (כולל משוואות קצב) ומודלים קינטיים. המושגים השולטים על עשיית אנזימים נדונים גם הם, ואחריו תימונת צבע אופיינית. סעיף היישומים דן בבדיקת אנזימים באמצעות ניתוח העברת אנרגיית תהודה של Förster (FRET), המאפיין פעילות אנזימים חוץ-תאיים בסביבה, וחוקר קינטיקה לתיקון דנ”א באמצעות בדיקות מולקולריות.

אנזימים הם זרזים ביוכימיים החיוניים לחיים. אנזים assays משמשים כדי ללמוד את המאפיינים הקינטיים של תגובות אנזימטיות, המהורהר את ההשפעות קטליטיות של אנזימים. וידאו זה יכסה קינטיקה אנזים ובוחות, לעבור על הליך כללי, ולהראות כמה יישומים.

אנזימים הם חלבונים, או לעתים קרובות פחות RNAs, הפועלים על מגיב מסוים, המכונה המצע. אנזים מפחית את אנרגיית ההפעלה הדרושה ליזום תגובה ביוכימית, וגורם לתגובה להתרחש בקצב מהיר יותר.

ניתן לחלק תגובות אנזימטיות לשלושה מרכיבים יסודיים. הראשון הוא היווצרות של קומפלקס מצע האנזים, שנוצר על ידי כריכת המצע לאתר הפעיל של האנזים. המתחם יכול להתפרק לתוך הבוחרים המקוריים שלו. זו התגובה היסודית השנייה. לחלופין, המתחם יכול ליצור את המוצר ולשחזר את האנזים, התגובה היסודית השלישית.

הקינטיקה של תגובה יסודית ניתנת על ידי משוואת חוק השיעור היסודי. משוואות חוק התעריפים נותנות את השיעור במונחים של ריכוז המגיבים וקבוע קצב. לכל אחת מהתגובות היסודיות יש משוואת חוק שיעור בודדת, עם קצב קבוע משלה. משוואות אלה יכולות להיות מזוקקות עד למודל קינטי המכונה משוואת מיכאליס-מינטן. זה נותן את שיעור התגובה במונחים של ריכוז המצע; אשר ניתן לקבוע באופן ניסיוני. כמה מגמות כלליות לתגובות אנזימים ניתן לזהות באמצעות משוואת מיכאליס-מנטן. בריכוז מצע גבוה, נקודת רוויה מגיעה, הנקראת Vmax. כאן, הקצב מוגבל על ידי ריכוז האנזים הכולל, ומספר מולקולות המצע שאנזים ממיר למוצר לכל זמן נתון, הידוע גם בשםk cat. ב מיכאליס-מנטן קינטיקהk חתול הוא אחד משני הקבועים השולטים בשיעור התגובה. הקבוע האחר, KM, ידוע כקבוע הזיקה. KM שווה גם לריכוז שבו שיעור התגובה שווה לחצי Vמקסימום . אנזים עם זיקה גבוהה יותר יהיה ק”מ נמוך יותר להגיע Vמקסימום מהר יותר, בעוד אנזים עם זיקה נמוכה יותר יהיה ק”מ גבוה יותר לקחת יותר זמן להגיע Vמקסימום. הכרתk חתול ו KM מאפשר אנזימים להיות משווים. כדי לעשות זאת אנו משתמשים ביחס הנקרא יעילות אנזימים. חתול k גבוה יותר ו- KM נמוך יותר גורמים ליעילות גבוהה יותר, בעודשחתול k נמוך יותר ו- KM גבוה יותר מביאים לתוצאות נמוכות יותר.

הגורמים המשמשים לבירוק קינטיקה אנזימים חייבים להיקבע באופן ניסיוני. בדיקות אלה מבוצעות בדרך כלל על ידי ערבוב אנזים ופתרון מצע בסביבה מבוקרת. תצפיות נעשות על ידי מדידת השינויים בריכוז של המצע, המוצר, או תוצרי לוואי ביחס לזמן.

השינוי בריכוז לאורך זמן משמש לקביעת קצב התגובה. על מנת לקבוע את הקינטיקה, יש להשיג נתוני שיעור בריכוזים מרובים. אם עלילה של הקצב ההתחלתי ההופכי לעומת הריכוז ההתחלתי ההופכי, המכונה עלילת Lineweaver-Burk, היא ליניארית, אז התגובה עוקבת אחר הקינטיקה של מיכאליס-מנטן. השיפוע והיירוט של הקו מאפשרים קביעת הפרמטרים הקינטיים KM ו- Vmax, אשר לאחר מכן ניתן להשתמש בהם כדי לחשבאת k cat ואת יעילות האנזים.

כעת, לאחר שעקרונות הקינטיקה של האנזים נדונו, בואו נבחן כיצד מתבצעת מבחן אנזימים טיפוסי.

בהליך זה מודגמת תימוץ צבע. הצעד הראשון הוא ליצור עקומה סטנדרטית, אשר יהיה בקורלציה ספיגה עם ריכוז מצע. פתרונות של ריכוז ידוע מוכנים יחד עם מדגם בקרה. פתרון מפתח המגיב עם המצע מתווסף כדי לייצר תרכובת צבעונית. ספיגה נמדדת ומתווות נגד ריכוז כדי ליצור את העקומה הסטנדרטית.

כדי לבצע את ההסתה, ריכוז ידוע של מצע מוכן יחד עם הכמות המתאימה של אנזים. האנזים והמצע מעורבים ומותר להם לדגור לפרק זמן מוגדר. pH וטמפרטורה נשלטים עם פתרונות חיץ ובלוקי חימום. סוכן מרווה נוסף כדי לעצור את התגובה. פתרון המפתחים מתווסף לאחר מכן לתגובות ומעורב. לאחר מכן הפתרונות ממוקמים בקובטים והספיגה נמדדת. כמות המצע הנצרכת נקבעת על ידי השוואת הספיגה הנמדדת לעקומה הסטנדרטית. באמצעות הנתונים שנאספו, שיעורי התגובה הראשוניים נקבעים על ידי התוויית ריכוז לאורך זמן. לבסוף, עם נתוני הקצב והריכוז, העלילה של מיכאליס-מינטן נעשית. זה מאפשר קביעת תכונות קינטיות עבור האנזים כגון מספר מחזור ויעילות אנזימים.

עכשיו שבדקנו הליך בדיקה, בואו נסתכל על דרכים אחרות לבצע הבדיקות ואת היישומים שלהם.

בהליך זה ניתוח FRET משמש כדי ללמוד את הקינטיקה של פרוטאז הידרוליזה קשר פפטיד של חלבון. ניתן למדוד פליטות אלה, המאפשר ניתוח רציף וכמותי של צריכת מצע וייצור, בסיוע בקביעת קינטיקה התגובה.

בדיקות אנזימים ניתן להשתמש במדעי הסביבה כדי לקבוע את רמות פעילות האנזים חוץ תאי בסביבה. ניתן לאסוף מים, קרקעות ומשקעים מהסביבה ולעבד אותם במעבדה. פעילות אנזימטית חוץ תאית של חומרים אלה לאחר מכן ניתן לאפיין באמצעות אנזים assays. זהו כלי שימושי להבנת האופן שבו הסביבה מעבדת חומר אורגני.

מנגנון תיקון ה- DNA של התא ניתן להעריך על ידי לימוד הקינטיקה של אנזימים שנמצאו בגרעין. ניתן למדוד את הקצב שבו אנזים מסיר נגעים בדנ”א, או נזקים, באמצעות משואות מולקולריות פלואורסצנטיות, אשר פלואורסצ’ה רק כאשר הם קשורים לרצפי DNA ייחודיים. ניתן למדוד את רמת תיקון הדנ”א בזמן אמת על ידי זיהוי מוצרי המחשוף המסומנים באופן פלואורסצנטי.

הרגע צפית בסרטון של ג’וב על אנזימים קינטיקה ובדיונים. וידאו זה הסביר קינטיקה אנזים, מכוסה מושגי אסאי, עבר על הליך כללי, ותיאר כמה יישומים.

תודה שצפיתם!

Procedure

קינטיקה אנזימים מתארת את ההשפעות קטליטיות של אנזימים, שהם ביומולקולים המאפשרים תגובות כימיות הדרושות לאורגניזמים חיים. אנזימים פועלים על מולקולות, המכונות מצעים, כדי ליצור מוצרים. פרמטרים קינטיים אנזים נקבעים באמצעות התקפות כי במישרין או בעקיפין למדוד שינויים מצע או ריכוז המוצר לאורך זמן. וידא?…

Disclosures

No conflicts of interest declared.

내레이션 대본

Enzymes are biochemical catalysts that are essential for life. Enzyme assays are used to study the kinetic properties of enzymatic reactions, elucidating the catalytic effects of enzymes. This video will cover enzyme kinetics and assays, go over a general procedure, and show some applications.

Enzymes are proteins, or less often RNAs, that act on a specific reactant, referred to as the substrate. An enzyme reduces the activation energy needed to initiate a biochemical reaction, causing the reaction to occur at a faster rate.

Enzymatic reactions can be broken up into three elementary components. The first is the formation of the enzyme-substrate complex, formed by the binding of the substrate to the enzyme active site. The complex can decompose into its original constituents. This is the second elementary reaction. Alternatively, the complex can form the product and recover the enzyme, the third elementary reaction.

The kinetics of an elementary reaction is given by the elementary rate law equation. Rate law equations give the rate in terms of the concentration of the reactants and a rate constant. Each of the elementary reactions has an individual rate law equation, with its own rate constant. These equations can be distilled down to a kinetic model known as the Michaelis-Menten equation. This gives the reaction rate in terms of the substrate concentration; which can be experimentally determined. Some general trends for enzyme reactions can be identified using the Michaelis-Menten equation. At high substrate concentration, a saturation point is reached, called Vmax. Here, the rate is limited by the total enzyme concentration, and the number of substrate molecules an enzyme converts into product per given time, also known as kcat. In Michaelis-Menten kinetics kcat is one of the two constants that govern reaction rate. The other constant, KM, is known as the affinity constant. KM is also equivalent to the concentration where the reaction rate is equivalent to one-half Vmax . An enzyme with a higher affinity will have a lower KM and reach Vmax faster, while an enzyme with lower affinity will have a higher KM and take longer to reach Vmax. Knowing kcat and KM allows for enzymes to be compared. To do this we use a ratio called enzyme efficiency. Higher kcat and lower KM result in higher efficiencies, while lower kcat and higher KM results in lower.

The factors used to elucidate enzyme kinetics must be determined experimentally. These assays are typically performed by mixing an enzyme and substrate solution in a controlled environment. Observations are made by measuring the changes in concentration of the substrate, product, or byproducts with respect to time.

The change in concentration over time is used to determine the reaction rate. In order to determine the kinetics, rate data must be obtained at multiple concentrations. If a plot of the inverse initial rate vs. inverse initial concentration, known as the Lineweaver-Burk plot, is linear, then the reaction follows Michaelis-Menten kinetics. The slope and intercept of the line allow for the determination of the kinetic parameters KM and Vmax, which can then be used to calculate kcat and the enzyme efficiency.

Now that the principles of enzyme kinetics have been discussed, let’s look at how a typical enzyme assay is performed.

In this procedure a colorimetric assay is demonstrated.  The first step is to generate a standard curve, which will correlate absorbance with substrate concentration. Solutions of known concentration are prepared along with a control sample. A developer solution that reacts with the substrate is added to produce a colored compound. Absorbance is measured and plotted against concentration to generate the standard curve.

To perform the assay, a known concentration of substrate is prepared along with the appropriate amount of enzyme. The enzyme and substrate are mixed and allowed to incubate for a set time interval. pH and temperature are controlled with buffer solutions and heating blocks. A quenching agent is added to stop the reaction. Developer solution is then added to the reactions and mixed. The solutions are then placed in cuvettes and absorbance is measured. The amount of substrate consumed is determined by comparing the measured absorbance to the standard curve. Using the collected data, initial reaction rates are determined by plotting concentration over time. Finally, with the rate data and concentration, the Michaelis-Menten plot is made. This allows for the determination of kinetic properties for the enzyme such as turnover number and enzyme efficiency.

Now that we’ve reviewed an assay procedure, let’s look at other ways assays are performed and their applications.

In this procedure FRET analysis is used to study the kinetics of a protease hydrolyzing a peptide bond of a protein. These emissions can be measured, allowing for a continuous and quantitative analysis of substrate consumption and production, aiding in the determination of the reaction kinetics.

Enzyme assays can be used in environmental science to determine the levels of extracellular enzyme activity in the environment. Waters, soils, and sediments can be collected from the environment and processed in the laboratory. Extracellular enzymatic activity of these materials can then be characterized using enzyme assays. This is a useful tool for understanding how the environment processes organic material.

A cell’s DNA repair mechanism can be evaluated by studying the kinetics of enzymes found in the nucleus. The rate at which an enzyme removes DNA lesions, or damages, can be measured using fluorescent molecular beacons, which only fluoresce when bound to unique DNA sequences. The level of DNA repair can be measured in real time by detecting the fluorescently labeled cleavage products.

You’ve just watched JoVE’s video on enzyme kinetics and assays. This video explained enzyme kinetics, covered assay concepts, went over a general procedure, and described some applications.

Thanks for watching!

Tags

Cite This
JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Enzyme Assays and Kinetics. JoVE, Cambridge, MA, (2023).

Related Videos