Kinetyka reakcji chemicznych

4.3.1. Kataliza i reakcje enzymatyczne

4.3.2. Kinetyka reakcji enzymatycznych

4.3.3. Równanie Michaelis-Menten

Kinetyka chemiczna

Ilościowy opis mechanizm działania katalizatorów

AKKAk

k

1

2

KPBAKk

3

AKKAKAaktywnykompleks

0321 BAKkAKkKAkdt

AKd

Ilościowy opis mechanizm działania katalizatorów

Szybkość zmian stężenia kompleksu aktywnego jest równa zeru.

Kompleks tworzy się i rozpada z tą samą szybkością, utrzymując swoje

stężenie niezmienne w trakcie przebiegu katalizowanej reakcji.

BAKkdt

Pd 3

Wniosek:

szybkość homogenicznej reakcji katalitycznej jest

wprost proporcjonalna do stężenia katalizatora.

(Stężenie to pozostaje jednak stale znacznie

mniejsze od stężeń reagentów występujących w

równaniu stechiometrycznym katalizowanej reakcji.)

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 34.3. Kataliza i reakcje enzymatyczne

Enzymy i reakcje enzymatyczne

Enzymy są biologicznymi katalizatorami,

stymulującymi specyficznie reakcje ważne z punktu

widzenia funkcjonowania komórki. Są one białkami

najczęściej aktywowanymi na żądanie i działającymi

w relatywnie wąskim zakresie pH.

Nazewnictwo enzymów

związane jest z ich aktywnością

oksydoreduktazy – katalizują

procesy redoks związków

organicznych

transferazy – katalizują

transfer aktywnych grup

chemicznych pomiędzy

związkami

hydrolazy – katalizują procesy

hydrolizy

izomerazy – katalizują procesy

przegrupowań wewnętrznych

ligazy – katalizują syntezę

większych związków

z monomerów

lub niskocząsteczkowych

substratów

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 44.3. Kataliza i reakcje enzymatyczne

Efektywności enzymów

Typowa reakcja biochemiczna bez udziału enzymu zachodziłaby w czasie

nawet 750 000 000 lat. Z udziałem enzymu zachodzi w 22 milisekundy.

Enzymy zwiększają wartość stałej szybkości

13

8

5

1010

10

nejenzymatycz

ycznejnieenzymat

k

kćefektywnoś

Przykład konwersja cukru, na CO2 i H2O stanowiąca podstawowe źródło energii

praktycznie nie zachodzi zarówno w ciele stałym jak i w roztworze. Z udziałem

enzymu jest prawie natychmiastowa

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 54.3. Kataliza i reakcje enzymatyczne

Mechanizm katalizy enzymatycznej - specyficzność

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 64.3. Kataliza i reakcje enzymatyczne

1. Efekt przybliżania – reagenty muszą zostać zbliżone do siebie w celu

utworzenia nowych wiązań chemicznych. W reakcjach nieenzymatycznych

jest to dokonywane za pomocą wzrostu temperatury (poprzez zwiększenie

średniej energii kinetycznej cząsteczek - częstsze kolizje).

2. Efekt orientacyjny

3. Efekt energetyczny – zmieniając strukturę kompleksu aktywnego

wpływają na jego energię

4. Efekt katalityczny – centrum aktywne enzymu może zmieniać polarność

i kwasowość ”mikro-środowiska”, w którym znajduje się reagent, bez

wywoływania widocznych zmian w roztworze.

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 74.3. Kataliza i reakcje enzymatyczne

Jakie efekty molekularne wywołują enzymy?

Kompleks aktywny nie może być zbyt trwały

Jakie efekty molekularne wywołują enzymy?

Kinetyka chemiczna

Przykład: Złożoność reakcji enzymatycznych

Dwa stany enzymów czasami enzym wymaga aktywacji

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 94.3. Kataliza i reakcje enzymatyczne

Przykład: Zjawisko inhibicji enzymatycznej

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 104.3. Kataliza i reakcje enzymatyczne

Kinetyka reakcji enzymatycznych

PEk

ESk

kSE

2

1

1

ESkkSEkdt

dE 211

ESkSEkdt

dS 11

ESkkSEkdt

dC 211

ESkdt

dP 2

S – subtrat

P – produkt

E – enzym

ES – kompleks

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 114.3. Kataliza i reakcje enzymatyczne

Ujęcie Michaelis-Menten

Leonor Michaelis

(1875-1949)

Maud Menten

(1879-1960)

zasugerowali, że wartości stałych

k1 oraz k-1 są małe w porównaniu

do k2, dlatego też ustala się stan

równowagi pomiędzy E oraz ES

PEk

ESk

kSE

2

1

1

totalEES ][][

Odpowiada to maksimum prędkości:

totalEkV ][2max

[S]K

[S]VV

M

maxi

Wówczas można udowodnić, że:

[S]) [S]/(K[E] k V M total2i

121 kkkKM

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 124.3. Kataliza i reakcje enzymatyczne

Uzasadnienie graficzne

podejścia Michaelis-Menten

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 134.3. Kataliza i reakcje enzymatyczne

Sens wartości KM

1

21

k

kkKM

stała wyrażana w jednostkach stężenia

małe wartości stałej oznaczają silny efekt

wiążący substratu, duże wartości – słabe

wiązanie substratu.

wartość liczbowa odpowiada stężeniu

substratu, w którym V=0.5 Vmax

Sens wartości Vmax stała wyrażana w jednostkach szybkości reakcji

chemicznej

teoretyczna, największa wartość szybkości reakcji

(odpowiadająca nieskończenie wielkiemu stężeniu

substratu) – asymptota na wykresie kinetycznym

stan w którym wszystkie cząsteczki enzymu są

związane z substratem

Ujęcie Michaelis-Menten – wnioski

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 144.3. Kataliza i reakcje enzymatyczne

Miara wydajności reakcji kcat

Liczba moli substratu, która przereagowała

w przeliczeniu na jeden mol enzymu ][

max

t

catE

Vk

W przypadku, gdy stężenie enzym jest nasycone

ze względu na substrat lub gdy [S]>>[Et],

cat

t

kE

Vk

][max

2

Przykładowe wartości kcat:

Ujęcie Michaelis-Menten – wnioski

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 154.3. Kataliza i reakcje enzymatyczne

Rząd równania MM

M

tcat

M

tcat

K

Ek

KS

SEkV

][S][

][

]][[

niskie stężenie substratu → reakcja I rzędowa

M

cat

M

tcat

K

Ek

K

EkV

][S][][S][

niskie stężenie substratu oraz [Et] ≈ [E] → reakcja II rzędowa

][][

]][[max

maxt

M

t EVKS

SEvV

wysokie stężenie substratu → reakcja zerowego rzędu

Ujęcie Michaelis-Menten – wnioski

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 164.3. Kataliza i reakcje enzymatyczne

Metoda Lineweaver – Burke

polega na linearyzacji równania Michaelis-Menten

bmxy

][

1

Sx

iVy

1

maxmax

1

][

11

VSV

K

V

M

i

Przecięcie

osi X

= - 1 / KM

0 1 / [S]

1/V

Przecięcie

osi Y

b = 1 / VMAX

bV

max

1

mV

KM max

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 174.3. Kataliza i reakcje enzymatyczne

KM kcat kcat/KM

Parametry Michaelis-Menten dla kilku enzymów

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 184.3. Kataliza i reakcje enzymatyczne