4.3. Kinetyka reakcji katalitycznych

Kinetyka

reakcji chemicznych

4.3.1. Kataliza i reakcje enzymatyczne

4.3.2. Kinetyka reakcji enzymatycznych

Kinetyka chemiczna

AK

K

A











K

P

B

AK







k





A

K



AK

K

A













 

_{         }

0













k

A

K

k

AK

k

AK

B

dt

AK

d

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.

 

_{   }

B

AK

k

dt

P

d

_

_

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 / 3

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 / 4

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

10

10

10







_

nej

enzymatycz

ycznej

nieenzymat

k

k

ć

efektywnoś

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 / 5

Mechanizm katalizy enzymatycznej -

specyficzność

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 6

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 / 7

4.3. Kataliza i reakcje enzymatyczne

Kompleks aktywny nie

może być zbyt trwały

Kinetyka chemiczna

Przykład: Złożoność reakcji enzymatycznych

Dwa stany enzymów czasami enzym wymaga aktywacji

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 9

Przykład: Zjawisko inhibicji enzymatycznej

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 10

Kinetyka reakcji enzymatycznych

P

E

k

ES

k

k

S

E



_



_

_











2

1

1



k

k



ES

S

E

k

dt

dE















ES

k

S

E

k

dt

dS















k

k



ES

S

E

k

dt

dC













_dt

k

ES

dP





₂

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 11

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

P

E

k

ES

k

k

S

E



_



_

_









total

E

ES

]

[

]

[



Odpowiada to maksimum prędkości:

total

E

k

V

_max



₂

[

]

[S]

K

[S]

V

V

M

max

i





Wówczas można udowodnić, że:

[S])

[S]/(K

[E]

k

V







k

k



k

K





Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 12

Uzasadnienie graficzne

podejścia Michaelis-Menten

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 13

Sens wartości K_M 1 2 1

k

k

k

K





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 V_max 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 / 14

Miara wydajności reakcji k_cat

Liczba moli substratu, która przereagowała

w przeliczeniu na jeden mol enzymu

[

]

max

t

cat

E

V

k



W przypadku, gdy stężenie enzym jest nasycone ze względu na substrat lub gdy [S]>>[Et],

cat

t

k

E

V

k





]

[

max

2

Przykładowe wartości k_cat:

Ujęcie Michaelis-Menten – wnioski

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 15

Rząd równania MM M t cat M t cat

K

E

k

K

S

S

E

k

V

[

][S]

]

[

]

][

[

_





niskie stężenie substratu

→

M cat M t cat

K

E

k

K

E

k

V



[

][S]



[

][S]

niskie stężenie substratu oraz [Et] ≈ [E]

→

]

[

]

[

]

][

[

_V

_E

K

S

S

E

v

V







wysokie stężenie substratu

→

Ujęcie Michaelis-Menten – wnioski

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 16

Metoda Lineweaver – Burke

polega na linearyzacji równania Michaelis-Menten

b

mx

y



















]

[

1

S

x















V

y

1

max

max

1

]

[

1

1

V

S

V

K

V

M

i





























b

V

_max



1

m

V

K

_

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 17

K

k

k

/K

Parametry Michaelis-Menten dla kilku enzymów

Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 18