http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Wykład z biochemii

Kataliza enzymatyczna; kinetyka reakcji enzymatycznych;

łańcuch oddechowy

Prof.dr hab. inż.Korneliusz Miksch

Wykład 4

   

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kataliza enzymatyczna

    

•

Swoistość enzymu względem katalizowanej reakcji i

względem substratu (specyficzność reakcji i

specyficzność substratowa)

2. Budowa enzymu

Holoenzym= koenzym + apoenzym

3. Mechanizm działania enzymów

E + S ES E + S

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kataliza enzymatyczna

    

Kompleks enzym-substrat

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kataliza enzymatyczna

    

Miejsce aktywne enzymu (z substratem)

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kataliza enzymatyczna

    

Reakcja katalizowana przez enzym rozpoczyna się od związania

substratów przez centrum aktywne enzymu i powstania

przejściowego kompleksu enzym-substrat (E-S). Następnie

zachodzi właściwa reakcja: połączenie cząsteczek substratów w

produkt reakcji albo rozłożenie substratu na mniejsze cząsteczki.

Reakcja kończy się uwolnieniem produktów przez enzym.

Cząsteczka enzymu nie zużywa się podczas reakcji i po

uwolnieniu produktów jest gotowa do przyłączenia nowych

substratów.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kataliza enzymatyczna

    

ENERGIA AKTYWACJI to energia, którą muszą mieć

cząsteczki (jony, atomy), aby były zdolne do określonej

reakcji chemicznej.; energia aktywacji wyraża się zwykle

w kilodżulach na mol (kJ/mol) reagujących cząsteczek; im

mniejsza jest energia aktywacji, tym reakcja zachodzi

szybciej

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kataliza enzymatyczna

    

Jeżeli w czasie zderzeń substraty mają za małą energię reakcja nie

zachodzi.Łączna liczba zderzeń między cząsteczkami wzrasta z

temperaturą (cząsteczki poruszają się szybciej). Udział cząsteczek

obdarzonych energią większą od energii aktywacji wzrasta wraz z
temperaturą

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kataliza enzymatyczna

    

W reakcji katalizowanej wymagana jest znacznie niższa energia aktywacji: 

E

akt.kat.

. W identycznych warunkach temperatury, znacznie więcej cząsteczek ma

energie przekraczające tę zmniejszoną wartość progową. Na wykresie odpowiada

temu pole oznaczone szarym + czarnym kolorem łącznie.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kataliza enzymatyczna

    

Maksymalna liczba obrotów wybranych enzymów

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kataliza enzymatyczna

    

Wpływ odczynu na aktywność enzymów

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kataliza enzymatyczna

    

Nazewnictwo i klasyfikacja enzymów

Enzymy dawniej poznane mają tradycyjnie używane nazwy

zwyczajowe, np. pepsyna, trypsyna. Często używanym

sposobem tworzenia nazwy enzymu jest dodanie do nazwy

rozkładanego związku końcówki „aza” np.:

-         sacharoza – sacharaza

-         dehydrogenacja (odłączenie H2)  dehydrogenaza

-         dekarboksylacja (odłączenie CO2)  dekarboksylaza

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kataliza enzymatyczna

    

Klasy enzymów wg klasyfikacji międzynarodowej:

•Klasa 1: oksydoreduktazy- przenoszą ładunki (elektrony i protony)

z cząsteczki substratu na cząsteczkę akceptora: AH

2

+ B A + BH

→

2

;

•Klasa 2: transferazy -przenoszą daną grupę funkcyjną z cząsteczki

jednej substancji na cząsteczkę innej substancji: AB + C A + BC;

→

•Klasa 3: hydrolazy -powodują rozpad substratu pod wpływem wody

(hydroliza): AB + H

2

O A + B;

→

•Klasa 4: liazy -powodują rozpad bez udziału wody: AB A + B;

→

•Klasa 5: izomerazy -zmieniają wzajemne położenie grup

chemicznych wewnątrz cząsteczki związku: AB BA;

→

•Klasa 5: ligazy -powodują syntezę różnych cząsteczek; powstają

wiązania chemiczne: A + B AB;

→

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kataliza enzymatyczna

    

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kinetyka reakcji enzymatycznych

    

Ilościowo

szybkość reakcji

określa się jako zmianę molowego

stężenia substratu lub produktu w jednostce czasu.

Jeżeli mamy równanie reakcji chemicznej A ---> B + C + ...., to

szybkość reakcji opisuje równanie:

v = dc

A

/dt = k*c

A

     /7-24/

lub

v = dc

B

/dt = dc

C

/dt     /7-25/

gdzie: c

A

, c

B

, c

C

- stężenia molowe substancji A, B, C,..., t - czas,

dc

A

/dt - ubytek stężenia substaratu w jednostce czas,

dc

B

/dt, dc

C

/dt - przyrost stężenia produktów w jednostce czasu,

k - współczynnik proporcjonalności (stała szybkości).

 

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kinetyka reakcji enzymatycznych

    

Szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna do iloczynu stężeń

substratów.

Jeżeli mamy równanie reakcji chemicznej aA + bB + cC ---> dD,

to szybkość reakcji opisuje równanie;

v = k[A]

a

* [B]

b

* [C]

c

     /7-26/

gdzie: k - stała szybkości reakcji, (a, b, c) - wykładnik potęgi, do

której należy podnieść stężenie, odpowiednio [A], [B], [C].

W przypadku reakcji gazowych często w równaniach

kinetycznych zamiast stężeń molowych stosuje się ciśnienia

cząstkowe

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kinetyka reakcji enzymatycznych

    

Rząd reakcji

Współczynniki potęgowe (a, b, c) przy stężeniach poszczególnych

substratów określają rząd reakcji, który może być cząstkowy lub

sumaryczny.
Cząstkowy rząd reakcji

Jeżeli a = 1, to reakcja jest pierwszego rzędu względem A; jeżeli a

= 2, to reakcja jest drugiego rzędu względem A itp.

Cząstkowe rzędy reakcji, odpowiadają tylko współczynnikom

stechiometrycznym tych reagentów.

Sumaryczny rząd reakcji

Sumaryczny rząd reakcji chemicznej - jest to suma wykładników

potęgowych w równaniu szybkości reakcji chemicznej
( rząd reakcji = a + b + c + .....).

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kinetyka reakcji enzymatycznych

    

Cząsteczkowość reakcji

Często stosuje się określenie cząsteczkowość reakcji, którą definiuje

liczba cząsteczek biorących udział w najwolniejszym stadium reakcji.

Cząsteczkowość i rząd reakcji wyznacza się tylko eksperymentalnie, nie

można obliczyć ich teoretycznie.

Sumaryczny rząd reakcji jest przeważnie liczbą niecałkowitą, co

oznacza, że reakcja przebiega przez etapy pośrednie, z których

nawolniejszy decyduje o sumarycznym rzędzie reakcji.

Na ogół rząd reakcji, jak i cząsteczkowość są z reguły małymi liczbami

nie przekraczającymi wartości 3. Zagadnienie sprowadza się do tego,

że równoczesne zderzenia większej liczby cząsteczek są mało

prawdopodobne, a na sumaryczną szybkość reakcji wpływa przede

wszystkim najpowolniejszy etap pośredni bedący przemianą

elementarną i dlatego rząd reakcji jest małą liczbą

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kinetyka reakcji enzymatycznych

    

Praktycznie pomiary szybkości reakcji wykazały, że szybkość reakcji nie jest

stała, lecz maleje w miarę zużywania się substratów.

Zmiany stężenia w czasie, dla reakcji I-szego rzędu

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kinetyka reakcji enzymatycznych

    

Równanie Michaelisa-Menten

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kinetyka reakcji enzymatycznych

    

V=szybkość początkowa (mole/litr); [S]=stężenie substratu(molowe);

Vmax=szybkość maksymalna; Km= stała Michaelisa

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kinetyka reakcji enzymatycznych

    

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kinetyka reakcji enzymatycznych

    

Determination of V

m

and K

m

Linear representation of the the Michaelis-Menten Equation

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kinetyka reakcji enzymatycznych

    

Determination of V

m

and K

m

Linear representation of the the Michaelis-Menten Equation

Eadie-Hofstee equation

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kinetyka reakcji enzymatycznych

    

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kinetyka reakcji enzymatycznych

    

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kinetyka reakcji enzymatycznych

    

Efekt allosteryczny

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kinetyka reakcji enzymatycznych

 

The activity of an allosteric enzyme with a sigmoidal binding curve

(black line) can be altered markedly when either an activator (blue

line) or inhibitor (red line) is bound to the enzyme. Addition of an

activator can lower the apparent Km, raising the activity at a given

[S]. Conversely, the addition of an inhibitor can raise the apparent

Km, producing less activity at a given [S].
The activated (blue) curve is ~hyperbolic. In the presence of

activator, the enzyme appears to be in the R-form. In the absence of

the activator or the presence of inhibitor (black and red curves)

appear to have decreasing R-form characteristics and more the

curve of the T-form of the allosteric enzyme.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Kinetyka reakcji enzymatycznych

    

Shown are plots of initial velocity versus [fructose-6-phosphate] for

phosphofructokinase-1 from E. coli. Increasing the concentration of ADP decreases

the apparent Km without affecting Vmax. The concentration of ATP is 0.1mM.

[Adapted from Blangy, S., Buc, H., and Monod, J. (1968). Kinetics of the allosteric

interactions of phosphofructokinase from Escherichia coli. J. Mol. Biol. 31:13-35]

Non-covalent activation of an enyzme is possible through allostery through

cooperative binding of affector molecules. Increasing substrate increases the fraction

of enzyme in the R structure. The addition of ADP has the same effect. At

70micromolar ADP and 100micromolar ATP the plot shows that PFK-1 is almost

entirely in the R-form.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

O

2-

0,5 O

2

Q

QH

2

NAD

+

NADH

2

2 Fe

3+

2 Fe

2+

2 Fe

3+

2 Fe

2+

FADH

2

FAD

2 Fe

2+

2 Fe

3+

2 Fe

2+

2 Fe

3+

CoQ

Cyt. b

Cyt. c

1

Cyt. a

Cyt. a

3

AH

2

A

ATP

2 H

+

O

2-

0,5 O

2

Q

QH

2

NAD

+

NADH

2

2 Fe

3+

2 Fe

2+

2 Fe

3+

2 Fe

2+

FADH

2

FAD

2 Fe

2+

2 Fe

3+

2 Fe

2+

2 Fe

3+

CoQ

Cyt. b

Cyt. c

1

Cyt. a

Cyt. a

3

AH

2

A

ATP

ATP

2 H

+

O

2-

0,5 O

2

Q

QH

2

NAD

+

NADH

2

2 Fe

3+

2 Fe

2+

2 Fe

3+

2 Fe

2+

FADH

2

FAD

2 Fe

2+

2 Fe

3+

2 Fe

2+

2 Fe

3+

CoQ

Cyt. b

Cyt. c

1

Cyt. a

Cyt. a

3

AH

2

A

ATP

ATP

ATP

2 H

+

O

2-

0,5 O

2

Q

QH

2

NAD

+

NADH

2

2 Fe

3+

2 Fe

2+

2 Fe

3+

2 Fe

2+

FADH

2

FAD

2 Fe

2+

2 Fe

3+

2 Fe

2+

2 Fe

3+

CoQ

Cyt. b

Cyt. c

1

Cyt. a

Cyt. a

3

AH

2

A

H

2

O

ATP

ATP

ATP

2 H

+

O

2-

0,5 O

2

Q

QH

2

NAD

+

NADH

2

2 Fe

3+

2 Fe

2+

2 Fe

3+

2 Fe

2+

FADH

2

FAD

2 Fe

2+

2 Fe

3+

2 Fe

2+

2 Fe

3+

CoQ

Cyt. b

Cyt. c

1

Cyt. a

Cyt. a

3

AH

2

A

3. Biochemia dynamiczna

3.2. Utlenianie biologiczne - łańcuch oddechowy

    

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Utlenianie biologiczne - łańcuch oddechowy

    

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Utlenianie biologiczne - łańcuch oddechowy

    

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Utlenianie biologiczne - łańcuch oddechowy

    

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Utlenianie biologiczne - łańcuch oddechowy

    

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Utlenianie biologiczne - łańcuch oddechowy

    

Cytochrom C

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Utlenianie biologiczne - łańcuch oddechowy

    

Cytochrom C

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Utlenianie biologiczne - łańcuch oddechowy

    

Oksydaza cytochromowa

(forma 0)

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

3. Biochemia dynamiczna

3.1. Utlenianie biologiczne - łańcuch oddechowy

    

Oksydaza cytochromowa