Indhold
"Hill-koefficient" lyder som et udtryk, der angår stejheden af en karakter. Faktisk er det et udtryk i biokemi, der relaterer til opførsel af binding af molekyler, normalt i levende systemer. Det er et enhedsløst tal (det vil sige, det har ingen måleenheder som meter per sekund eller grader pr. Gram), der korrelerer med cooperativitet af bindingen mellem molekylerne, der undersøges. Dets værdi bestemmes empirisk, hvilket betyder, at den estimeres eller stammer fra en graf over relaterede data i stedet for at blive brugt selv til at hjælpe med at generere sådanne data.
Sagt på en anden måde er Hill-koefficienten et mål for, i hvilket omfang den bindende adfærd mellem to molekyler afviger fra hyperbolske forhold, der forventes i sådanne situationer, hvor hastigheden af bindingen og efterfølgende reaktion mellem et par molekyler (ofte et enzym og dets substrat) oprindeligt stiger meget hurtigt med stigende substratkoncentration, inden hastighed-koncentrationskurven flater ud og nærmer sig en teoretisk maksimum uden helt at komme dertil. Grafen for et sådant forhold ligner snarere den øverste venstre firkant af en cirkel. I stedet for er graferne af hastighed-kontra-koncentrationskurver for reaktioner med høje Hill-koefficienter S-formeteller s-formet.
Der er meget at pakke her ud med hensyn til grundlaget for Hill-koefficienten og relaterede vilkår og hvordan man kan gå frem til at bestemme dens værdi i en given situation.
Enzymkinetik
Enzymer er proteiner, der øger hastigheden for bestemte biokemiske reaktioner med enorme mængder, så de kan fortsætte overalt fra tusinder af gange hurtigere til tusinder af billioner gange hurtigere. Disse proteiner gør dette ved at sænke aktiveringsenergien E-en af eksoterme reaktioner. En eksoterm reaktion er en reaktion, hvor varmeenergi frigøres, og som derfor har en tendens til at fortsætte uden nogen hjælp udefra. Selv om produkterne har en lavere energi end reaktanterne i disse reaktioner, er den energiske sti derhen imidlertid typisk ikke en stabil nedadgående hældning. I stedet er der en "energihump" at komme over, repræsenteret af E-en.
Forestil dig, at du kører fra det indre af USA, omkring 1.000 fod over havets overflade, til Los Angeles, som er på Stillehavet og tydeligt på havoverfladen. Du kan ikke blot kyst fra Nebraska til Californien, for derimellem ligger Rocky Mountains, motorveje, der krydser, der klatrer til godt over 5.000 fod over havets overflade - og nogle steder klatrer motorveje op til 11.000 fod over havets overflade. Tænk inden for denne ramme på et enzym som noget, der er i stand til i høj grad at sænke højden af disse bjergtoppe i Colorado og gøre hele rejsen mindre besværlig.
Hvert enzym er specifikt for en bestemt reaktant, kaldet a substrat i denne sammenhæng På denne måde er et enzym som en nøgle, og underlaget, det er specifikt for, er som låsen, som nøglen er unikt designet til at åbne. Forholdet mellem substrater (S), enzymer (E) og produkter (P) kan repræsenteres skematisk ved:
E + S ⇌ ES → E + P
Den tovejs pil til venstre indikerer, at når et enzym binder til det "tildelte" underlag, kan det enten blive ubundet, eller reaktionen kan fortsætte og resultere i produkt (er) plus enzymet i sin oprindelige form (enzymer ændres kun midlertidigt mens katalyserende reaktioner). Den ensrettede pil til højre på den anden side indikerer, at produkter fra disse reaktioner aldrig binder sig til det enzym, der var med til at skabe dem, når ES-komplekset adskilles i dets bestanddele.
Enzymkinetik beskriver, hvor hurtigt disse reaktioner fortsætter til færdiggørelse (det vil sige, hvor hurtigt produkt genereres (som en funktion af koncentrationen af enzym og substrat, der er til stede, skrevet og. Biokemikere har fundet en række grafer af disse data for at gøre det så visuelt meningsfuld som muligt.
Michaelis-Menten Kinetics
De fleste enzym-substratpar adlyder en simpel ligning kaldet Michaelis-Menten-formlen. I ovennævnte forhold forekommer tre forskellige reaktioner: Kombinationen af E og S til et ES-kompleks, dissocationen af ES til dets bestanddele E og S, og omdannelsen af ES til E og P. Hver af disse tre reaktioner har sin egen rentekonstant, som er k1, k-1 og k2, i den rækkefølge.
Produktets udseendelseshastighed er proportional med hastighedskonstanten for denne reaktion, k2og til koncentrationen af enzym-substratkompleks til stede på ethvert tidspunkt. Matematisk er dette skrevet:
dP / dt = k2
Højre side af dette kan udtrykkes i form af og. Afledningen er ikke vigtig til de nuværende formål, men dette muliggør beregning af hastighedsligningen:
dP / dt = (k20) / (Km+)
Tilsvarende er hastigheden af reaktionen V givet ved:
V = Vmax/ (Km+)
Michaelis konstante Km repræsenterer den substratkoncentration, hvormed hastigheden fortsætter med dens teoretiske maksimale værdi.
Lineweaver-Burk-ligningen og tilsvarende plot er en alternativ måde at udtrykke den samme information og er praktisk, fordi dens graf er en lige linje snarere end en eksponentiel eller logaritmisk kurve. Det er gensidigheden af Michaelis-Menten-ligningen:
1 / V = (Km+) / Vmax = (Km/ Vmax) + (1 / Vmax )
Kooperativ binding
Nogle reaktioner adlyder især ikke Michaelis-Menten-ligningen. Dette skyldes, at deres binding er påvirket af faktorer, som ligningen ikke tager højde for.
Hemoglobin er proteinet i røde blodlegemer, der binder til ilt (O2) i lungerne og transporterer det til væv, der kræver det til respiration. En enestående egenskab ved hæmoglobin A (HbA) er, at den deltager i samarbejdsbinding med O2. Dette betyder i det væsentlige, at ved meget høj O2 koncentrationer, såsom dem, der findes i lungerne, har HbA en meget højere affinitet for ilt end et standardtransportprotein, der overholder det sædvanlige hyperboliske proteinforbindelsesforhold (myoglobin er et eksempel på et sådant protein). Ved meget lav O2 koncentrationer, men HbA har en langt lavere affinitet for O2 end et standardtransportprotein. Dette betyder, at HbA ivrig gabber O2 hvor det er rigeligt og lige så ivrigt giver afkald på det, hvor det er knappe - nøjagtigt hvad der er behov for i et ilttransportprotein. Dette resulterer i den sigmoidale binding-vs.-trykskurve, der er set med HbA og O2, en evolutionær fordel, uden hvilken livet helt sikkert ville foregå i et væsentligt mindre entusiastisk tempo.
Hill-ligningen
I 1910 undersøgte Archibald Hill kinematikken i O2-hemoglobinbinding. Han foreslog, at Hb havde et specifikt antal bindende steder, n:
P + nL ⇌ PLn
Her repræsenterer P trykket fra O2 og L er forkortelse for ligand, hvilket betyder alt, hvad der deltager i binding, men i dette tilfælde henviser det til Hb. Bemærk, at dette svarer til en del af substrat-enzym-produktligningen ovenfor.
Dissociationskonstanten Kd for der er skrevet en reaktion:
n /
Der henviser til, at fraktionen af de besatte bindingssteder ϴ, der spænder fra 0 til 1,0, er givet ved:
ϴ = n/ (Kd +n)
At sammensætte alt dette sammen giver en af mange former for Hill-ligningen:
log (ϴ /) = n log pO2 - log P50
Hvor P50 er trykket, ved hvilket halvdelen af O er2 bindende steder på Hb er besat.
Hill-koefficienten
Formen af Hill-ligningen, der er tilvejebragt ovenfor, har den generelle form y = mx + b, også kendt som hældningsafskærmningsformlen. I denne ligning er m linjens hældning, og b er værdien af y, ved hvilken grafen, en lige linje, krydser y-aksen. Hældningen af Hill-ligningen er således simpelthen n. Dette kaldes Hill-koefficienten eller nH. For myoglobin er dens værdi 1, fordi myoglobin ikke binder kooperativt til O2. For HbA er det imidlertid 2,8. Jo højere nH, jo mere sigmoidal er kinetikken af den reaktion, der undersøges.
Hill-koefficienten er lettere at bestemme ved inspektion end ved at foretage de nødvendige beregninger, og en tilnærmelse er normalt tilstrækkelig.