274845124

Ćwiczenie 5a

Badanie kinetyki reakcji enzymatycznych przy użyciu programu komputerowego Gepasi

Gepasi to program służący do symulacji kinetyki przemian chemicznych i biochemicznych. Program ma być pomocny w nauce praw rządzących złożonymi szlakami metabolicznymi oraz w badaniach naukowych, umożliwiając sprawdzanie postawionych hipotez dotyczących regulacji przemian w drodze ich modelowania. Umożliwia symulację stanów stacjonarnych, jak i progresji przemian (time course). Użytkownik programu musi wprowadzić do niego informacje o stechiometrii modelowanych przemian, charakterystyce kinetycznej poszczególnych reakcji, liczbie i objętości przedziałów, w których reakcje zachodzą oraz określić początkowe stężenia metabolitów. Na podstawie dostarczonych informacji program tworzy równania różniczkowe określające zachowanie układu, po czym je rozwiązuje. Program Gepasi dokonuje charakterystyki znalezionych stanów stacjonarnych, wykorzystując Analizę Kontroli Metabolicznej (Metabolic Control Analysis) i analizę stabilności kinetyki linearnej (Linear Kinetic Stability Analysis) [Comish-Bowden A., Fundamentals of Enzyme Kinetics. Buttrrworths, London 1995]. Program Gepasi został napisany przez Pedro Mendesa z Uniwersytetu Walijskiego [http://www.gepasi.org/].

Celem ćwiczenia jest poznanie podstaw programu, możliwości modelowania reakcji chemicznych lub szlaków metabolicznych, przybliżenie zasad kinetki enzymatycznej oraz zachęcenie do dalszej samodzielnej pracy z programem. Poniżej przedstawiono przykład posługiwania się tym programem.

A. Reakcje odwracalne i nieodwracalne

Przebieg reakcji chemicznej między dwoma lub więcej cząsteczkami wymaga, aby doszło między nimi do zderzenia, w którym uwolniona zostanie wystarczająca ilość energii oraz spełnione będą wymogi wzajemnej orientacji w przestrzeni. Dlatego też szybkość reakcji, uwarunkowana liczbą zderzeń między substratami, jest proporcjonalna do ich stężeń. Dla reakcji: A + B —> C jej szybkość jest określona jako: v = k [A][B] lub ogólniej v= k fi Sj (iloczyn stężeń wszystkich substratów i stałej szybkości reakcji).

W przypadku reakcji odwracalnej szybkość reakcji przekształcenia substratów w produkty będzie pomniejszona o szybkość reakcji przekształcenia produktów w substraty i ogólna postać wzoru przyjmie postać:

v = k₊ n Sj - k n Pj Model reakcji nieodwracalnej

Wprowadzenie danych do programu

Uruchomić program. Pojawia się główne okno programu - zakładka Model Definition (Rys. 5.1). Najpierw należy wpisać równania stechiometryczne przemian. W tym celu nacisnąć przycisk Reactions. Pojawia się okno (Rys. 5.2), w które wpisać równanie reakcji: S -> P. W przypadku reakcji odwracalnej substraty od produktów oddzielamy znakiem =, w przypadku reakcji nieodwracalnej -> (myślnik ze znakiem symbolu „większy od”). Po wpisaniu każdej reakcji (obecnie tylko jednej S -> P) nacisnąć przycisk Add. Jeżeli zapomnimy o naciśnięciu Add. to wpisana reakcja zostanie zignorowana. Po wpisaniu wszystkich reakcji należy wcisnąć przycisk OK.

Po zdefiniowaniu stechiometrii reakcji, trzeba określić ich kinetykę. W tym celu nacisnąć przycisk Kinetics (por. Rys. 5.1), co spowoduje wywołanie okna, w którym można określić typ kinetyki, według której każda z reakcji zachodzi (Rys. 5.3). W lewym polu okna określamy reakcję, której kinetykę chcemy zdefiniować, a w prawym wybieramy typ kinetyki. W tym oknie należy też określić wielkości stałych kinetycznych dla danej reakcji. Dla wcześniej wpisanej reakcji wybieramy typ kinetyki Mass action. a wielkość stałej szybkości określamy na 1. Wybieramy OK. Aby dokończyć definiowanie zadanego modelu, trzeba podać początkowe stężenia związków uczestniczących w reakcji. Nacisnąć przycisk Metabolites (por. Rys. 5.1) i zadać początkowe stężenie S = 10 i początkowe stężenie P = 0 (Rys. 5.4).

12