TEORIA KATALIZY

TEORIA KATALIZY

ENZYMATYCZNEJ

ENZYMATYCZNEJ

Do zaistnienia przemiany chemicznej jest

Do zaistnienia przemiany chemicznej jest

niezbędne, aby:

niezbędne, aby:

-

reagujące cząsteczki zderzyły się ze sobą z

reagujące cząsteczki zderzyły się ze sobą z

dostateczną energią kinetyczną

dostateczną energią kinetyczną

-

zderzenie nastąpiło w określonych

zderzenie nastąpiło w określonych

miejscach cząsteczek, odpowiadających

miejscach cząsteczek, odpowiadających

grupom reagującym.

grupom reagującym.

Dlatego efektywnie działający katalizator

Dlatego efektywnie działający katalizator

winien mieć

winien mieć

3 podstawowe cechy

3 podstawowe cechy

:

:

1) zwiększać prawdopodobieństwo zderzeń,

1) zwiększać prawdopodobieństwo zderzeń,

2) zmniejszyć barierę energetyczną,

2) zmniejszyć barierę energetyczną,

3) ukierunkowywać cząsteczki substratów

3) ukierunkowywać cząsteczki substratów

względem siebie.

względem siebie.

Zwiększenie prawdopodobieństwa zderzeń jest

Zwiększenie prawdopodobieństwa zderzeń jest

osiągane w reakcji katalizowanej przez

osiągane w reakcji katalizowanej przez

znaczne

znaczne

zagęszczenie cząsteczek

zagęszczenie cząsteczek

na

na

powierzchni katalizatora.

powierzchni katalizatora.

Ukierunkowanie reagujących cząsteczek

Ukierunkowanie reagujących cząsteczek

następuje przez

następuje przez

zbliżenie grup funkcyjnych

zbliżenie grup funkcyjnych

mających ze sobą wejść w reakcję.

mających ze sobą wejść w reakcję.

Zmniejszenie bariery energetycznej

Zmniejszenie bariery energetycznej

wiąże się z

wiąże się z

pojęciem energii aktywacji, tzn. określonej jej

pojęciem energii aktywacji, tzn. określonej jej

porcji, którą układ musi pobrać odwracalnie w

porcji, którą układ musi pobrać odwracalnie w

celu przezwyciężenia „bezwładności

celu przezwyciężenia „bezwładności

chemicznej" cząsteczek.

chemicznej" cząsteczek.

Energia aktywacji reakcji katalizowanej i
niekatalizowanej;
Ep - energia początkowa substratów,
Ek - energia końcowa produktów,
∆E - spadek energii reakcji,
∆E1 - energia reakcji niekatalizowanej;
∆E2, ∆E3, ∆E4 - energia swobodna kolejnych stadiów
reakcji katalizowanej.

Zgodnie z teorią

Zgodnie z teorią

stadialnego przebiegu

stadialnego przebiegu

reakcji,

reakcji,

kataliza polega na

kataliza polega na

rozdzieleniu złożonego

rozdzieleniu złożonego

procesu na poszczególne

procesu na poszczególne

reakcje cząstkowe.

reakcje cząstkowe.

KINETYKA REAKCJI ENZYMATYCZNYCH

KINETYKA REAKCJI ENZYMATYCZNYCH

Szybkość reakcji enzymatycznych zależy od wielu

Szybkość reakcji enzymatycznych zależy od wielu

czynników, m.in. od:

czynników, m.in. od:

»

stężenia substratu,

stężenia substratu,

»

stężenia enzymu,

stężenia enzymu,

»

temperatury,

temperatury,

»

pH środowiska,

pH środowiska,

»

obecności aktywatorów,

obecności aktywatorów,

»

obecności inhibitorów.

obecności inhibitorów.

Badaniem zależności miedzy szybkością przebiegu

Badaniem zależności miedzy szybkością przebiegu

reakcji i różnymi czynnikami zajmuje się

reakcji i różnymi czynnikami zajmuje się

kinetyka

kinetyka

reakcji chemicznych.

reakcji chemicznych.

Enzymy,

Enzymy,

tworząc przejściowe połączenia z

tworząc przejściowe połączenia z

substratem zmniejszają energię aktywacji,

substratem zmniejszają energię aktywacji,

obniżając barierę energetyczną pomiędzy

obniżając barierę energetyczną pomiędzy

reagującymi cząsteczkami.

reagującymi cząsteczkami.

Następnie kompleks enzym-substrat ulega

Następnie kompleks enzym-substrat ulega

rozpadowi na produkt reakcji i wolny

rozpadowi na produkt reakcji i wolny

enzym:

enzym:

E+S → E-S → E+P

E+S → E-S → E+P

E - enzym, S - substrat, E - S - kompleks

E - enzym, S - substrat, E - S - kompleks

enzym-substrat, P – produkt

enzym-substrat, P – produkt

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA

SZYBKOŚĆ REAKCJI

SZYBKOŚĆ REAKCJI

ENZYMATYCZNYCH

ENZYMATYCZNYCH

Stężenie substratu

Stężenie substratu

Przy stałym poziomie enzymu szybkość

Przy stałym poziomie enzymu szybkość

reakcji enzymatycznej wzrasta początkowo

reakcji enzymatycznej wzrasta początkowo

wraz ze wzrostem stężenia substratu, jednak

wraz ze wzrostem stężenia substratu, jednak

w momencie całkowitego wysycenia enzymu

w momencie całkowitego wysycenia enzymu

substratem reakcja osiąga tzw. szybkość

substratem reakcja osiąga tzw. szybkość

maksymalną (V

maksymalną (V

max

max

).

).

Dalsze zwiększanie stężenia substratu nie

Dalsze zwiększanie stężenia substratu nie

przyczynia się już do przyspieszenia szybkości

przyczynia się już do przyspieszenia szybkości

reakcji (może nawet, wręcz przeciwnie,

reakcji (może nawet, wręcz przeciwnie,

doprowadzić do obniżenia szybkości reakcji).

doprowadzić do obniżenia szybkości reakcji).

Stężenie enzymu

Stężenie enzymu

Związek miedzy

Związek miedzy

szybkością reakcji i

szybkością reakcji i

stężeniem enzymu

stężeniem enzymu

można zaobserwować,

można zaobserwować,

gdy w środowisku jest

gdy w środowisku jest

nadmiar substratu.

nadmiar substratu.

Szybkość reakcji

Szybkość reakcji

jest proporcjonalna do

jest proporcjonalna do

stężenia enzymu.

stężenia enzymu.

Wpływ stężenia enzymu na

Wpływ stężenia enzymu na

szybkość reakcji

szybkość reakcji

enzymatycznej

enzymatycznej

Temperatura

Temperatura

Wzrostowi temperatury

Wzrostowi temperatury

towarzyszy przyspieszenie

towarzyszy przyspieszenie

reakcji enzymatycznej.

reakcji enzymatycznej.

Jednak po osiągnięciu

Jednak po osiągnięciu

pewnego optimum w danych

pewnego optimum w danych

warunkach, reakcja ulega

warunkach, reakcja ulega

spowolnieniu w następstwie

spowolnieniu w następstwie

denaturacji cieplnej enzymu.

denaturacji cieplnej enzymu.

Większość enzymów traci

Większość enzymów traci

nieodwracalnie aktywność po

nieodwracalnie aktywność po

przekroczeniu temperatury

przekroczeniu temperatury

65°C.

65°C.

pH

pH

Stężenie jonów wodorowych

Stężenie jonów wodorowych

jest czynnikiem silnie

jest czynnikiem silnie

wpływającym na szybkość

wpływającym na szybkość

reakcji enzymatycznej.

reakcji enzymatycznej.

Dla każdego enzymu istnieje

Dla każdego enzymu istnieje

optymalne dla jego działania

optymalne dla jego działania

pH (np. dla pepsyny pH 1,0-

pH (np. dla pepsyny pH 1,0-

2,2; dla fosfatazy kwaśnej pH

2,2; dla fosfatazy kwaśnej pH

4,5-5,0; dla amylazy pH 6,7-

4,5-5,0; dla amylazy pH 6,7-

7,2; dla fosfatazy alkalicznej

7,2; dla fosfatazy alkalicznej

pH 9,0-10,0).

pH 9,0-10,0).

Wpływ pH na aktywność: 1 - pepsyny,

Wpływ pH na aktywność: 1 - pepsyny,

2 - dekarboksylazy glutaminianowej, 3

2 - dekarboksylazy glutaminianowej, 3

- α-amylazy śliny, 4 -arginazy.

- α-amylazy śliny, 4 -arginazy.

Aktywatory

Aktywatory

Aktywatory to różnego rodzaju

Aktywatory to różnego rodzaju

substancje, nie biorące udziału w

substancje, nie biorące udziału w

reakcji katalitycznej, które

reakcji katalitycznej, które

uczynniają enzymy lub zwiększają

uczynniają enzymy lub zwiększają

ich aktywność.

ich aktywność.

Inhibitory

Inhibitory

Inhibitory są substancjami

Inhibitory są substancjami

obniżającymi lub całkowicie

obniżającymi lub całkowicie

znoszącymi aktywność

znoszącymi aktywność

enzymatyczną.

enzymatyczną.

Działanie inhibitorów może być

Działanie inhibitorów może być

odwracalne i nieodwracalne.

odwracalne i nieodwracalne.

AKTYWNOŚĆ ENZYMATYCZNA

AKTYWNOŚĆ ENZYMATYCZNA

Przeprowadzając badania

Przeprowadzając badania

enzymatyczne nie określamy stężenia

enzymatyczne nie określamy stężenia

enzymu, ale podajemy jego

enzymu, ale podajemy jego

aktywność

aktywność

za pomocą tzw. jednostek aktywności

za pomocą tzw. jednostek aktywności

enzymu.

enzymu.

Katal

Katal

Katal jest jednostką aktywności w

Katal jest jednostką aktywności w

układzie SI.

układzie SI.

Jest to ilość enzymu,

Jest to ilość enzymu,

która przekształca 1 mol substratu w

która przekształca 1 mol substratu w

ciągu 1 sekundy, w temp. 30°C,

ciągu 1 sekundy, w temp. 30°C,

w pH optymalnym dla działania danego

w pH optymalnym dla działania danego

enzymu i przy całkowitym wysyceniu

enzymu i przy całkowitym wysyceniu

enzymu substratem.

enzymu substratem.

1 katal = 6 x 10

1 katal = 6 x 10

7

7

jednostek

jednostek

międzynarodowych

międzynarodowych

1 IU = 16,67 nanokatali.

1 IU = 16,67 nanokatali.

Międzynarodowa jednostka

Międzynarodowa jednostka

aktywności enzymu – IU

aktywności enzymu – IU

IU określa taką ilość enzymu, która przekształca 1

IU określa taką ilość enzymu, która przekształca 1

umol substratu w ciągu 1 minuty w temperaturze

umol substratu w ciągu 1 minuty w temperaturze

30°C, w optymalnym pH i przy całkowitym

30°C, w optymalnym pH i przy całkowitym

wysyceniu enzymu substratem.

wysyceniu enzymu substratem.

Aktywność enzymu wyrażona jest w jednostkach

Aktywność enzymu wyrażona jest w jednostkach

międzynarodowych, odpowiada μmolom

międzynarodowych, odpowiada μmolom

rozłożonego substratu w czasie 1 min. w temp. 30

rozłożonego substratu w czasie 1 min. w temp. 30

°C przez 1 l surowicy.

°C przez 1 l surowicy.

Aktywność właściwa

Aktywność właściwa

Aktywność właściwa to liczba jednostek

Aktywność właściwa to liczba jednostek

enzymatycznych, przypadających na 1 mg

enzymatycznych, przypadających na 1 mg

białka (używana np. w przypadku oznaczania

białka (używana np. w przypadku oznaczania

aktywności enzymów w homogenatach

aktywności enzymów w homogenatach

tkankowych lub do określania aktywności

tkankowych lub do określania aktywności

odczynników enzymatycznych).

odczynników enzymatycznych).

W praktyce klinicznej można jeszcze

W praktyce klinicznej można jeszcze

spotkać, choć coraz rzadziej, tzw. umowne

spotkać, choć coraz rzadziej, tzw. umowne

jednostki enzymatyczne, które były ustalane

jednostki enzymatyczne, które były ustalane

przez autorów metody, np. jednostka Kinga-

przez autorów metody, np. jednostka Kinga-

Armstronga, Wolghemutha, Bodansky’ego

Armstronga, Wolghemutha, Bodansky’ego

itp.

itp.