Enzymy a chemická kinetika

Petr Tůma

Termodynamika a kinetika

• rovnovážný stav

– ΔG0 = -RT lnKrov

– ΔG < 0 → Krov > 1

převládají produkty

– ΔG > 0 → Krov < 1

převládají reaktanty

• rychlost chem.

reakce

– bariéra - aktivační

energie

Jak se měří rychlost reakce

• změna koncentrace reagujících látek za jednotku času

• reaktant → produkt

Δt

reaktantΔv

Δt

produktΔv

3H2 + N2 → 2NH3

Δt

NHΔ

2

1v

Δt

NΔv

Δt

HΔ

3

1v

3

2

2

Závislost rychlosti na koncentraci • A + B → produkty

Kinetická rovnice:

v = k · [A] · [B]

Rychlost reakce je přímo úměrná součinu aktuálních koncentrací výchozích látek.

Reakce: prvního a druhého řádu

Srážková teorie: Rychlost reakce je úměrná počtu aktivních srážek mezi molekulami A a B za 1 sekundu = [A] · [B]

4 HBr + O2 → 2 H2O + 2 Br2

v = k · [HBr] · [O2]

HBr + O2 → HOOBr -

pomalá

HBr + HOOBr → 2 HOBr

HBr + HOBr → H2O + Br2

Aktivační energie a teplota

v = k · [A] · [B]

• konstanta úměrnosti k ~ exp(-EA/RT)

• exp(-EA/RT) – Boltzmannův faktor = frakce molekul v systému s energií vyšší

než je aktivační energie (EA) • vliv teploty: zvýšením teploty o 10 °C se

zvýší rychlost reakce 2-3 x

Princip katalýzy • katalyzátor je látka, která zvyšuje rychlost chemické

reakce, ale sama se reakcí nemění

• princip – katalyzátor snižuje aktivační energii

katalyzátor EA, kJ mol-1

bez katalyzátoru 75,4

Pt 48,6

enzym - katalasa 23,0

2 H2O2 → 2 H2O + O2

OHHCHCO 283

CoNi,

2

Enzymy – katalyzátory

biochemických reakcí

• vysoce účinné

katalyzátory, které zvyšují

rychlost chemických

reakcí o několik řádů

– acetylcholinesterasa –

25.000 molekul s-1 (číslo

přeměny)

• umožňují průběh reakcí

při nízkých teplotách,

neutrálním pH a

atmosférickém tlaku

• snadno regulovatelné

1. vhodná orientace substrátu

2. odstranění hydratačních obalů

3. stabilizace tranzitního stavu

4. přenos funkčních skupin

Rychlost enzymem katalyzované reakce

• S + E ↔ ES → P + E

• rovnice Michaelis-Mentenové

• Michaelisova konstanta KM vyjadřuje koncentraci substrátu,

při které je rychlost rovna vmax/2; charakterizuje afinitu

substrátu a enzymu

• maximální rychlost: vmax=kcat [E]T

• číslo přeměny kcat (turnover number): počet molekul

substrátu přeměněných jednou molekulou enzymu za

1sekundu

SK

Sv

SK

SEkv

M

max

M

Tcat

Rovnice Michaelis-Mentenové

[S] nízká

v = vmax/KM . [S]

[S] = KM

v = vmax/2 [S] vysoká

v = vmax

Hodnoty Km a kcat pro některé enzymy

Aktivita enzymů – katalytická aktivita

• katal [kat] = 1 mol.s-1

• unit [U] = 1 µmol.min-1

Allosterické enzymy

monomerní enzym

enzym tvořený

podjednotkami

• aktivita enzymu modulována

nekovalentní vazbou

specifického

– aktivátoru

– inhibitoru

• enzym tvořen podjednotkami

- hemoglobin

– kooperační efekt

– hemoglobin

Inhibice

Historie a názvosloví enzymů

• 1810, Gay-Lussaca – kvasinky rozkládaní cukr na ethanol a CO2

• původně „fermenty“

• z řečtiny: „en“ = v, „zyme“ = kvasinka

• historické názvy - pepsin, ptyalin

• substrát + -asa : ureasa, sacharasa

• enzymový katalog – X.X.X.X. – třída, podtřída, podpodtřída, pořadí

– 1.1.1.27 laktátdehydrogenasa • 1. – oxidoreduktasy

• 1.1. – donor e- -CH-OH

• 1.1.1. – akceptor e- NAD+

Specifita enzymů

• substrátová (vazebná) – absolutní (ureasa)

– relativní (skupinová) – glukosa/fruktosa (hexokinasa), ethanol/methanol (ADH) - rozdílná afinita (KM)

• účinku (reakční) – reakce aminokyselin –

deaminace, dekarboxylace, transaminace

– závislé na koenzymu i apoenzymu

• stereospecifita – D-monosacharidy, L-aminokyseliny

Třídy enzymů

1. oxidoreduktázy

2. transferázy

3. hydrolázy

4. lyázy (syntázy)

5. izomerázy

6. ligázy (synthetázy)

alkoholdehydrogenáza

laktátdehydrogenáza

alaninaminotransferáza

hexokináza

glukóza-6-fosfatáza

α-amyláza

trypsin

karbonátdehydratáza

fumarátdehydratáza

triosafosfátizomeráza

epimerázy

alanyl-tRNA-synthetáza

pyruvátkarboxyláza