Kinetyka reakcji

enzymatycznych

Budowa

• enzymy to głównie białka.

• masa cząsteczkowa pojedynczego łańcucha waha się od
9000 – 155000, kompleksu nawet do 6 ·10

6

.

W budowie wyróżniamy:
Apoenzym – część białkowa enzymu
Koenzym – grupa prostetyczna związana w sposób odwracalny
z częścią białkową (np. polisacharyd, lipid, kation metalu).

1. ENZYMY

1. ENZYMY

Enzymy są katalizatorami reakcji chemicznych
zachodzących w układach biologicznych.

•Oksydoreduktazy – enzymy biologicznego utleniania i redukcji

•Transferazy – enzymy przenoszące grupy

•Hydrolazy – enzymy katalizujące rozkład hydrolityczny

•Liazy – enzymy katalizujące reakcje eliminacji z
utworzeniem podwójnego wiązania, a także przyłączania
do podwójnego wiązania

•Izomerazy – enzymy katalizujące przekształcenia wewnątrz
cząsteczki

•Ligazy – enzymy tworzące wiązania z jednoczesnym
odszczepieniem ATP

KLASY

KLASY

ENZYMÓW

ENZYMÓW

Specyficzność enzymów – dotyczy zarówno substratu jak i
katalizowanej reakcji. Mówi nam o tym, która z kilku potencjalnie
możliwych reakcji chemicznych zostanie zrealizowana.

Centrum wiążące – określony rejon powierzchni enzymu, które
chemiczną budową, wielkością i kształtem jest komplementarne
do cząsteczki substratu.

Centrum aktywne – enzymu to obszar, który wiąże substraty
(i grupę prostetyczną jeżeli taka występuje) oraz
dostarcza reszt aminokwasowych tzw. grup katalitycznych
enzymu, biorących bezpośredni udział w tworzeniu
i zrywaniu wiązań.

Efektor

–

regulator aktywności enzymu.

Centrum allosteryczne - miejsce wiążące.



G











RT

G

e

v

k

Energia aktywacji

- to różnica energii swobodnej
między stanem przejściowym a substratem. Minimalna
energia jaką musi posiadać substrat, aby mógł przereagować.

Stan przejściowy – stan o maksymalnej energii na wykresie
postępu reakcji. Dla reakcji enzymatycznych stanem
przejściowym jest kompleks enzym-substrat ES.

Stałą szybkości opisujemy wówczas równaniem:

2. KINETYKA

2. KINETYKA

Szybkość reakcji jest miara ilości zużywanych

substratów lub powstających produktów w jednostce

czasu. Opisujemy ją wzorem:

• Gdzie: - współczynniki stechiometryczne

reagentów
A- substraty
B- produkty

Doświadczalnie wyznaczone równanie tego typu nosi

nazwę równania kinetycznego, przyjmuje ono postać:

Współczynnik k nosi nazwę stałej szybkości reakcji.

dt

v

dc

dt

v

dc

r

B

B

A

A







B

A

v

v ,

   

...

b

a

B

A

k

v 

Rząd reakcji względem danego składnika, to
wykładnik potęgi, do której podniesione jest
stężenie reagenta w równaniu kinetycznym.
Całkowity rząd reakcji to suma poszczególnych
rzędów
a + b +... w równaniu kinetycznym.

k

dt

dx

dt

da

v









x

kt

Reakcje rzędu zerowego

możemy opisać wzorem:

Postać całkową :

ka

dt

da





)

(

x

a

k

dt

dx

o





a

a

kt

o

ln



x

a

a

kt

o

o



ln

Reakcje pierwszego rzędu

możemy opisać wzorem:

lub

Postaci równań scałkowanych:

lub

)

)(

(

2

1

x

a

x

a

k

dt

dx

r

















x

a

a

x

a

a

a

a

kt









2

1

1

2

2

1

ln

1

2

ka

dt

da



2

)

(

x

a

k

dt

dx

o





o

a

a

kt

1

1









x

a

a

x

kt

o

o





Reakcje drugiego rzędu

możemy opisać wzorem:

Postać całkowa:

Gdy a

1

= a

2

równanie przybiera postać:

lub

A postacie scałkowane:

lub

Teoria Michaelisa – Mentena

Zasadniczym jej założeniem jest konieczność

wytworzenia odwracalnego kompleksu między

enzymem a substratem

• równaniem Michaelisa – Menten

• stałą Michaelisa Km

]

[

]

[

max

0

S

K

S

V

V

m







1

3

2

k

k

k

K

m





k

3

E

S

k

1

k

2

ES

E

P

+

+

V = k

3

[ ES ]

ES

k

1

[ E ] [ S ]

=

(k

2

+ k

3

) [ ES ]

ES =

k

1

[ E ] [ S ]

(k

2

+ k

3

) [ ES ]

=

[ ES ] =

k

1

[ E ] [ S ]

(k

2

+ k

3

)

K

M

=

(k

2

+ k

3

)

k

1

[ ES ] =

[ E ] [ S ]

K

M

[ S ]

+K

M

V = V

max

[ S ]

RÓWNANIE MICHAELISA - MENTEN

RÓWNANIE MICHAELISA - MENTEN

ZNACZENIE WARTOŚCI K

ZNACZENIE WARTOŚCI K

M

M

ORAZ V

ORAZ V

MAX

MAX

1. Dla większości enzymów K

M

mieści się w przedziale od10

-1

do 10

-7

M

2. K

M

zależy od substratu, a także warunków zewnętrznych takich jak:

temperatura i siła jonowa

3. K

M

oznacza takie stężenie substratu, w którym połowa miejsc

aktywnych jest obsadzona. Kiedy znamy wartość K

M

możemy

obliczyć ułamek obsadzonych miejsc dla każdego stężenia
substratu

M

MAX

ES

K

S

S

V

V

f







]

[

]

[

MODEL MICHAELIS’A-MENTEN

MODEL MICHAELIS’A-MENTEN

Znaczenie parametru K

m

• K

m

(stała Michaelisa) opisuje

tworzenie i rozpad kompleksu ES

• jest miarą powinowactwa enzymu do

substratu

• niska wartość K

m

– silne

powinowactwo enzymu do substratu

• wysoka wartość K

m

– słabe

powinowactwo enzymu do substratu

Kinetyka pierwszego rzędu Kinetyka

zerowego rzędu

v- szybkość reakcji, k' - jednocząsteczkowa stała szybkości.

Wpływ stężenia substratu na

szybkość reakcji przy stałym
stężeniu enzymu - krzywa wg
Michaelisa-Menten.

V- szybkość maksymalna, S - stężenie

substratu, Km - stała Michaelisa-Menten,
a - reakcja pierwszego rzędu, b - reakcja
o mieszanej kinetyce, c - reakcja
zerowego rzędu .

B

A

]

[

' A

k

v 

'

max

k

V

v





]

[

]

[

max

S

K

S

V

v

M







Gdy to:

więc:

Stała Michaelisa-Menten

jest to stężenie substratu (mol/dm3), przy którym

szybkość reakcji enzymatycznej jest równa połowie jej

szybkości maksymalnej.

]

[

]

[

max

S

K

S

V

v

M







2

max

V

v 

]

[

]

[

2

max

max

S

K

S

V

V

M







]

[S

K

M



M

K

Wpływ stężenia substratu
na szybkość reakcji przy
stałym stężeniu enzymu -
krzywa wg Lineweavera-
Burka.

max

max

1

]

[

1

1

V

S

V

K

v

M







Teoria Lineweavera – Burka

V

S

V

K

v

m

1

]

[

1

1







Pomiar aktywności enzymu – polega na określeniu

albo zaniku substratu, albo powstania produktu w
zależności od czasu. Aby wyznaczyć aktywność
enzymu należy więc zmierzyć szybkość reakcji.

Jednostka aktywności enzymatycznej – katal; 1

katal (kat) wywołuje w określonych warunkach reakcji
przemianę 1 mola substancji w ciągu jednej sekundy.

Liczba obrotów – określa liczbę cząstek substratu,

które w jednostce czasu (minuta lub sekunda) ulegają
przekształceniu przez jedną cząstkę enzymu.

KINETYKA REAKCJI ENZYMATYCZNEJ - POJĘCIA

KINETYKA REAKCJI ENZYMATYCZNEJ - POJĘCIA

Jednostki enzymatyczne

• jednostka enzymatyczna U
• Katal [kat]

nanokat

U

mol

67

,

16

1

min

1

1











EA KJ/mol

T1/2

62,7

0,07 s

83,6

14 s

104,5

19 godz

124,5

38 godz

sacharoza = D-glukoza + D-fruktoza

a) HCl 0,1 N, 300C, EA 109 kJ/mol, 24 godziny

b) Inwertaza, 10U, 300C, EA 46 kJ/mol, 3 minuty

Enzymy Kinetyka reakcji

Wpływ temperatury
Współczynnik temp.
Reakcje chemiczne, katalizatory

Q

10

= 2-3

biokatalizatory Q

10

= 1-2

0

2

4

6

8

10

12

1. Kw

2. Kw 3. Kw 4. Kw

30 C
40 C
80 C

1kw 1min; 2 kw 2 min; 3 kw 4 min; 4 kw 8 min
Enzym Lipaza
Substrat octan fenylowy
Produkt kwas octowy i fenol