“Hill koefisien” terdengar seperti istilah yang berkaitan dengan kecuraman nilai. Faktanya, itu adalah istilah dalam biokimia yang berkaitan dengan perilaku pengikatan molekul, biasanya dalam sistem kehidupan. Ini adalah angka tanpa satuan (yaitu, tidak memiliki satuan ukuran seperti meter per detik atau derajat per gram) yang berkorelasi dengan kooperativitas pengikatan antara molekul yang diperiksa. Nilainya ditentukan secara empiris, artinya diperkirakan atau diturunkan dari grafik data terkait daripada digunakan sendiri untuk membantu menghasilkan data tersebut.
Dengan kata lain, koefisien Hill adalah ukuran sejauh mana perilaku pengikatan antara dua molekul menyimpang dari hubungan hiperbolik yang diharapkan dalam situasi seperti itu, di mana kecepatan pengikatan dan reaksi selanjutnya antara sepasang molekul (sering enzim dan substratnya) awalnya naik sangat cepat dengan meningkatnya konsentrasi substrat sebelum kurva kecepatan-vs-konsentrasi mendatar dan mendekati maksimum teoretis tanpa cukup sampai di sana. Grafik hubungan semacam itu lebih menyerupai kuadran kiri atas sebuah lingkaran. Grafik kurva kecepatan-vs-konsentrasi untuk reaksi dengan koefisien Hill tinggi malah sigmoidal , atau berbentuk s.
Ada banyak hal yang harus dibongkar di sini mengenai dasar koefisien Hill dan istilah-istilah terkait dan bagaimana cara menentukan nilainya dalam situasi tertentu.
Kinetika Enzim
Enzim adalah protein yang meningkatkan laju reaksi biokimia tertentu dalam jumlah yang sangat besar, memungkinkan mereka untuk melanjutkan dari ribuan kali lebih cepat hingga ribuan triliun kali lebih cepat. Protein ini melakukan ini dengan menurunkan energi aktivasi Ea dari reaksi eksotermik. Reaksi eksotermik adalah reaksi di mana energi panas dilepaskan dan karena itu cenderung berlangsung tanpa bantuan dari luar. Meskipun produk memiliki energi yang lebih rendah daripada reaktan dalam reaksi ini, bagaimanapun, jalur energik untuk sampai ke sana biasanya tidak memiliki kemiringan yang stabil. Sebaliknya, ada “punuk energi” untuk diatasi, yang diwakili oleh E a .
Bayangkan diri Anda mengemudi dari pedalaman AS, sekitar 1.000 kaki di atas permukaan laut, ke Los Angeles, yang terletak di Samudra Pasifik dan jelas berada di permukaan laut. Anda tidak bisa begitu saja meluncur dari Nebraska ke California, karena di antara keduanya terdapat Pegunungan Rocky, jalan raya yang melintasinya mencapai lebih dari 5.000 kaki di atas permukaan laut – dan di beberapa tempat, jalan raya tersebut mendaki hingga 11.000 kaki di atas permukaan laut. Dalam kerangka ini, pikirkan enzim sebagai sesuatu yang mampu menurunkan ketinggian puncak gunung di Colorado secara drastis dan membuat seluruh perjalanan menjadi tidak terlalu sulit.
Setiap enzim spesifik untuk reaktan tertentu, yang disebut substrat dalam konteks ini. Dengan cara ini, enzim seperti kunci dan substrat khusus untuknya seperti kunci yang dirancang khusus untuk dibuka oleh kunci tersebut. Hubungan antara substrat (S), enzim (E) dan produk (P) dapat direpresentasikan secara skematis oleh:
text{E} + text{S} ⇌ text{ES} → text{E} + text{P}
Panah dua arah di sebelah kiri menunjukkan bahwa ketika enzim berikatan dengan substrat yang “ditugaskan”, ia dapat menjadi tidak terikat atau reaksi dapat berlanjut dan menghasilkan produk ditambah enzim dalam bentuk aslinya (enzim hanya dimodifikasi sementara sementara reaksi katalisasi). Panah searah di sebelah kanan, di sisi lain, menunjukkan bahwa produk dari reaksi ini tidak pernah berikatan dengan enzim yang membantu membuatnya begitu kompleks ES terpisah menjadi bagian-bagian komponennya.
Kinetika enzim menggambarkan seberapa cepat reaksi ini berlangsung hingga selesai (yaitu, seberapa cepat produk dihasilkan (sebagai fungsi dari konsentrasi enzim dan substrat yang ada, ditulis [E] dan [S]. Ahli biokimia telah menghasilkan berbagai grafik data ini untuk membuatnya bermakna secara visual mungkin.
Kinetika Michaelis-Menten
Sebagian besar pasangan enzim-substrat mematuhi persamaan sederhana yang disebut rumus Michaelis-Menten. Dalam hubungan di atas, tiga reaksi berbeda terjadi: Penggabungan E dan S menjadi kompleks ES, disosiasi ES menjadi konstituennya E dan S, dan konversi ES menjadi E dan P. Masing-masing dari ketiga reaksi ini memiliki reaksinya masing-masing. konstanta laju sendiri, yaitu k1 , k -1 dan k 2 , dalam urutan itu.
Laju kemunculan produk sebanding dengan konstanta laju untuk reaksi tersebut, k2 , dan dengan konsentrasi kompleks enzim-substrat yang ada setiap saat, [ES]. Secara matematis, ini ditulis:
frac{dP}{dt} = k_2[text{ES}]
Ruas kanan ini dapat dinyatakan dalam bentuk [E] dan [S]. Derivasi tidak penting untuk tujuan sekarang, tetapi ini memungkinkan perhitungan persamaan laju:
frac{dP}{dt} = frac{k_2[text{E}]_0[text{S}]}{K_m+[text{S}]}
Demikian pula laju reaksi V diberikan oleh:
V= frac{V_{max}[text{S}]}{K_m+[text{S}]}
Konstanta Michaelis Km mewakili konsentrasi substrat di mana laju berlangsung pada nilai maksimum teoretisnya.
Persamaan Lineweaver-Burk dan plot yang sesuai adalah cara alternatif untuk mengungkapkan informasi yang sama dan nyaman karena grafiknya adalah garis lurus daripada kurva eksponensial atau logaritmik. Ini adalah kebalikan dari persamaan Michaelis-Menten:
frac{1}{V} = frac{K_m+[text{S}]}{ V_{max}[text{S}]} = frac{K_m}{V_{max}[text{S }]} + frac{1}{V_{max} }
Ikatan Koperasi
Beberapa reaksi khususnya tidak mengikuti persamaan Michaelis-Menten. Ini karena pengikatannya dipengaruhi oleh faktor-faktor yang tidak diperhitungkan oleh persamaan.
Hemoglobin adalah protein dalam sel darah merah yang mengikat oksigen (O 2 ) di paru-paru dan mengangkutnya ke jaringan yang membutuhkannya untuk respirasi. Properti luar biasa dari hemoglobin A (HbA) adalah bahwa ia berpartisipasi dalam pengikatan kooperatif dengan O 2 . Ini pada dasarnya berarti bahwa pada konsentrasi O 2 yang sangat tinggi , seperti yang ditemui di paru-paru, HbA memiliki afinitas yang jauh lebih tinggi terhadap oksigen daripada protein transpor standar yang mengikuti hubungan senyawa-protein hiperbolik yang biasa (mioglobin adalah contoh dari protein semacam itu) . Namun, pada konsentrasi O2 yang sangat rendah , HbA memiliki afinitas yang jauh lebih rendah terhadap O2 dibandingkan protein transpor standar. Ini berarti bahwa HbA dengan penuh semangat melahap O 2 di tempat yang berlimpah dan dengan penuh semangat melepaskannya di tempat yang langka – persis seperti yang dibutuhkan dalam protein pengangkut oksigen. Hal ini menghasilkan kurva pengikatan vs tekanan sigmoidal yang terlihat dengan HbA dan O 2 , suatu manfaat evolusioner yang tanpanya kehidupan akan berjalan dengan kecepatan yang jauh lebih lambat.
Persamaan Bukit
Pada tahun 1910, Archibald Hill mengeksplorasi kinematika pengikatan O2 – hemoglobin. Dia mengusulkan agar Hb memiliki sejumlah tempat pengikatan tertentu, n :
P + ntext{L } ⇌ Ptext{L}_n
sini , P mewakili tekanan O2 dan L adalah kependekan dari ligan, yang berarti segala sesuatu yang ikut mengikat, tetapi dalam hal ini mengacu pada Hb. Perhatikan bahwa ini mirip dengan bagian dari persamaan substrat-enzim-produk di atas.
Konstanta disosiasi Kd untuk suatu reaksi ditulis:
frac{[P][text{L}]^n}{[Ptext{L}_n]}
Sedangkan fraksi situs pengikatan yang ditempati Ï´ , yang berkisar dari 0 hingga 1,0, diberikan oleh:
Ï´ = frac{[text{L}]^n}{K_d +[text{L}]^n}
Menyatukan semua ini memberikan salah satu dari banyak bentuk persamaan Hill:
logbigg(frac{Ï´}{1- Ï´}bigg) = n log ptext{O}_2 – log P_{50}
Di mana P50 adalah tekanan di mana setengah dari situs pengikatan O2 pada Hb ditempati.
Koefisien Bukit
Bentuk persamaan Hill yang diberikan di atas adalah bentuk umum
y = mx + b
juga dikenal sebagai rumus perpotongan lereng. Dalam persamaan ini, m adalah kemiringan garis dan b adalah nilai y di mana grafik garis lurus memotong sumbu y. Jadi kemiringan persamaan Hill hanya n . Ini disebut koefisien Hill atau n H. Untuk mioglobin, nilainya adalah 1 karena mioglobin tidak berikatan secara kooperatif dengan O 2 . Untuk HbA, bagaimanapun, adalah 2,8. Semakin tinggi nH , semakin sigmoidal kinetika reaksi yang dipelajari.
Koefisien Hill lebih mudah ditentukan dari inspeksi daripada dengan melakukan perhitungan yang diperlukan, dan perkiraan biasanya cukup.
Hill Street Studios LLC/DigitalVision/GettyImages
