sem.5-kinetyka_enzymatyczna.pdf

Seminarium 5.

K INETYKA REAKCJI ENZYMATYCZNEJ .

Aby zaszła reakcja biochemiczna, cz steczki reaguj ce musz posiada odpowiedni zasób

energii swobodnej, czyli by w stanie aktywnym (osi gn stan przej ciowy) by móc pokona

barier energetyczn reakcji. Bariera energetyczna jest to ilo energii potrzebna do

przeprowadzenia substratów w stan przej ciowy, który jest niestabiln form chemiczn

prowadz c od substratów do produktów. Stan przej ciowy ma w przebiegu reakcji

najwi ksz energi swobodn . Aktywne cz steczki substratów przekształcaj c si w produkty

wydzielaj energi równ ró nicy energii swobodnej stanu aktywnego i energii swobodnej

produktów.

Reakcje egzoergiczne to takie, w których:

- energia swobodna produktów jest ni sza ni energia swobodna substratów

- zachodz spontanicznie

- szybko zale y od energii aktywacji reakcji.

Im wi ksza energia aktywacji tym wolniej reakcja zachodzi – w danym momencie

tylko kilka cz steczek posiada wystarczaj c energi , aby pokona energetyczn barier

aktywacji.

Szybko reakcji mo na zwi kszy dostarczaj c dodatkowej energii (energia cieplna)

lub obni aj c barier energetyczn reakcji, czyli obni aj c energi aktywacji. Substancje

obni aj ce energi aktywacji to katalizatory. W układach biologicznych mówimy o

biokatalizatorach, czyli enzymach.

W zasadzie wszystkie enzymy s białkami, ale równie pewne RNA s czynne

katalitycznie. Enzymy zwi kszaj szybko reakcji (przyspieszenie przynajmniej 10 6 raza)

przez obni enie energii aktywacji. Obni enie energii aktywacji wynika ze stabilizowania

stanu przej ciowego poprzez zmian warunków wi zaniowych miejsca aktywnego enzymu i

przestrzenne dopasowanie substratów. Enzymy s specyficzne ze wzgl du na reakcj

i substrat.

Wi kszo reakcji fizjologicznych ma bardzo wysok energi aktywacji – bardzo

długi czas jest potrzebny na zaj cie tych reakcji. Enzymy obni aj energi aktywacji,

poniewa dziel przebieg reakcji na kilka etapów, z których ka dy posiada ni sz energi

aktywacji - przyspieszaj dzi ki temu osi gni cie stanu równowagi reakcji. Pozwala to na

zaj cie reakcjom wewn trzkomórkowym z du szybko ci i w temperaturze fizjologicznej.

Szybko reakcji enzymatycznej jest najwi ksza, gdy nie ma jeszcze produktu. W

nieobecno ci produktu nie mo e wyst pi efekt hamowania przez sprz enie zwrotne

własnym produktem – co jest cz stym zjawiskiem w enzymach - ani te reakcja nie mo e

przebiega w kierunku odwrotnym, zasilanym przez produkt. Aby unikn wpływu

wymienionych zjawisk, pomiary pr dko ci pocz tkowej (V o ) dokonuje si , zanim wi cej ni

10% substratu przejdzie w produkt.

Szybko reakcji enzymatycznej jest wyznacznikiem aktywno ci enzymu. Jest to

ubytek st . substratu [S] lub przyrost st . produktu [P] w jednostce czasu. Przy [E] = const.

i pocz tkowym [S] = const. szybko reakcji ma warto stał w przedziale czasu: 0 – tx, a po

czasie tx maleje.

Dla danego st enia enzymu ([E] = const.):

• przy niskim pocz tkowym [S] szybko reakcji jest proporcjonalna do [S]

• gdy wszystkie miejsca enzymu s wysycone, szybko reakcji osi ga warto V max , na

krzywej pojawia si plateau

• jeszcze wi ksze pocz tkowe [S] nie zmienia ju szybko ci reakcji enzymatycznej

• V max = k cat [E] = const.

• K M = const.

Model Michaelisa-Menten opisuje wła ciwo ci kinetyczne wielu enzymów (z wyj tkiem

enzymów allosterycznych).

Dla prostej reakcji: S ® P

• E + S ® ES ® E + P

Enzym (E) wi e si z substratem (S) tworz c kompleks (ES), reakcj charakteryzuje stała

szybko ci k 1 . Kompleks mo e dysocjowa do E i S ze stał szybko ci k 2 lub przekształca

si w produkt (P) ze stał szybko ci k 3 . Zakłada si , e reakcja odwrotna, przekształcania

E+P w ES jest do pomini cia.

Stała Michaelisa K m jest orientacyjn miar powinowactwa enzymu do substratu (miar

wi zalno ci substratu przez enzym) lub, mówi c inaczej est miar stabilno ci kompleksu ES,

stanowi c iloraz sumy szybko ci rozkładu kompleksu ES i szybko ci jego powstawania. Im

wi ksze powinowactwo wykazuje enzym, tym mniejsze jest st enie substratu, przy którym

nast puje wysycenie połowy centrów aktywnych enzymu, a wi c tym mniejsz warto

liczbow ma stała K m .

W zwi zku z tym, e szybko zale y od st enia enzymu, wprowadzono poj cie stałej

katalitycznej k cat , która okre la maksymaln aktywno enzymu niezale nie od jego st enia.

Stała katalityczna k cat okre la liczb cz steczek substratu przetworzonych przez 1

miejsce katalityczne enzymu w okre lonej jednostce czasu, w warunkach, w których enzym

wykazuje maksymaln aktywno . Stała katalityczna k cat okre la liczbowo pewn cech

enzymu, a mianowicie jego zdolno do katalizowania reakcji chemicznych – cecha ta zwana

jest reaktywno ci . O ile okre lenie powinowactwo lub wi zalno odpowiadaj pierwszej

fazie reakcji enzymatycznej, to jest zwi zaniu substratu przez enzym, o tyle reaktywno

dotyczy dalszych faz, tj. wła ciwego przebiegu reakcji i rozpadu kompleksu aktywnego

uwolnieniem produktu reakcji.

Podsumowuj c: aktywno enzymu przy danym st eniu substratu zale y od dwu cech

charakteryzuj cych enzym: powinowactwa do substratu, które liczbowo okre la w

przybli eniu stała Michaelisa K m i jego reaktywno ci, któr liczbowo wyra a stała

katalityczna k cat . Stała katalityczna k cat zwi zana ze sprawno ci katalityczn enzymu -

mierzy tworzenie produktu (liczba obrotów). Liczba obrotów enzymu oznacza liczb

cz steczek substratu przekształconych w produkt reakcji na jednostk czasu, w warunkach

pełnego wysycenia enzymu substratem. Jest ona równa stałej kinetycznej k 3

Pr dko maksymalna (V max ) zwi zana jest z k cat i [E] zgodnie z równaniem:

V max = k cat [E].

Wysokie warto ci k cat i V max wiadcz o du ej szybko ci katalizy. Iloraz k cat i K m jest

miar wydajno ci enzymatycznej.

Szybko reakcji zale y nie tylko od st enia enzymu i substratu, lecz tak e od:

- temperatury,

- st enia jonów wodorowych,

- potencjału redox

- obecno ci zwi zków drobnocz steczkowych (koenzymy, aktywatory, inhibitory)

- siły jonowej rodowiska

Temperatura jest miar energii kinetycznej cz steczek w rozpatrywanym układzie.

Im ni sza temperatura tym mniejsza energia kinetyczna układu.

Energia kinetyczna zderze tych cz steczek mo e by przekształcona w energi

potencjaln cz steczek. Gdy energia potencjalna cz steczek jest wystarczaj co wysoka,

cz steczki mog pokona barier aktywacji reakcji. Czyli, gdy temperatura układu ro nie to

wi cej cz steczek w jednostce czasu mo e pokona barier energii aktywacji i szybko

reakcji mo e wzrosn .

Wzrost temperatury – wzrost liczby zderze miedzy miejscem aktywnym enzymu

a substratem w jednostce czasu, czyli mo e wzrosn szybko reakcji. Dalszy wzrost zasobu

energii cieplnej układu powoduje wzrost energii drga atomów w cz steczce zerwanie

słabych wi za chemicznych (istotnych w utrzymaniu trzeciorz dowej formy aktywnej

enzymu) - nast puje termiczna denaturacja enzymu i jego inaktywacja. Optymalna

temperatura to taka, w której szybko reakcji ma warto maksymaln . Jest to warto

wła ciwa dla danego enzymu oraz kształt krzywej zale no ci szybko ci reakcji od

temperatury jest wła ciwy dla danego enzymu.

Dany enzym wykazuje aktywno w w skim przedziale pH. Zmiana pH powoduje

spadek aktywno ci enzymu i zwolnienie szybko ci reakcji. Enzym osi ga aktywno

maksymaln gdy grupy boczne aminokwasów maj wła ciwy ładunek i struktura

trzeciorz dowa enzymu jest wła ciwa. Warto optymalnego pH odzwierciedla pH

rodowiska, w którym ten enzym znaleziono.

Inhibiotor to cz steczka działaj ca bezpo rednio na enzym w kierunku zmniejszenia

szybko ci reakcji katalitycznej przeprowadzanej przez dany enzym. Do inhibitorów enzymów

nale naturalne metabolity komórkowe, które poprzez hamowanie danego enzymu

kontroluj odpowiednie szlaki metaboliczne. Inhibitorami mog by równie substancje obce

dla organizmu np. toksyny i leki, które działaj terapeutycznie lub letalnie. Wyró nia si dwa

główne typy inhibicji: nieodwracaln i odwracaln (kompetycyjna, niekompetycyjna,

akompetycyjna). Inhibitor nieodwracalny wi e si ci le, cz sto kowalencyjnie, z resztami

aminokwasów w miejscu aktywnym enzymu, trwale inaktywuj c enzym.

Inhibicja kompetycyjna

Inhibitor kompetycyjny jest podobny do substratu i oddziałuje z centrum aktywnym

enzymu – współzawodniczy z substratem o miejsce aktywne enzymu

- inhibitor oddziałuje tylko z woln form enzymu (przył czenie substratu do enzymu

zwi zanego z inhibitorem jest niemo liwe)

- w schemacie reakcji wyst puj dwie formy zwi zane enzymu, kompleksy ES i EI

- inhibitor kompetycyjny nie zmiena V max , ulega natomiast zmianie stała Michaelisa K m .

Powinowactwo enzymu do substratu zmniejsza si , gdy pozorna stała Michaelisa K m app

wyznaczona w obecno ci inhibitora jest wi ksza.

Inhibicj kompetycyjn mo na przezwyci y zwi kszaj c st enie substratu.

Inhibicja niekompetycyjna

Inhibitor nie wi e si z miejscem aktywnym, lecz wi e si z innym miejscem

enzymu wywołuj c zmian kształtu enzymu, co z kolei zmienia kształt miejsca aktywnego.

Inhibitor niekompetycyjny wi c si z enzymem zmienia jego aktywno

katalityczn – nie ulega zmianie powinowactwo enzym do substratu (stała Michaelisa K m

pozostaje niezmieniona). Inhibitor mo e wi za si z woln cz steczk enzymu lub z

kompleksem ES oraz substrat mo e wi za si z wolnym enzymem lub z kompleksem EI.

Powstały kompleks ESI jest jednak nieaktywny katalitycznie, poniewa obecno inhibitora

uniemo liwia uzyskanie przez centrum aktywne odpowiedniej konformacji, niezb dnej do

przeprowadzenia reakcji katalitycznej. Nawet przy najmniejszym st eniu inhibitora

niekompetycyjnego i najwi kszym st eniu substratu nie jest mo liwe przeprowadzenie

wszystkich cz steczek enzymu w aktywny katalitycznie kompleks z substratem, czyli jest

mniejsze st enie ES i dlatego w obecno ci inhibitora niekompetycyjnego nigdy nie mo e

zosta osi gni ta warto V max . Szybko maksymalna w obecno ci inhibitora V max app zawsze

jest mniejsza od V max w jego nieobecno ci. Mniejsza warto V max app nie jest spowodowana

zmniejszeniem stałej szybko ci rozpadu ES z utworzeniem E+P. Warto k 3 pozostaje

niezmieniona. Inhibitor niekompetycyjny, wykluczaj c wytworzenia aktywnego katalitycznie

kompleksu pewnej cz ci cz steczek enzymu z substratem, zmniejsza w ten sposób st enie

cz steczek enzymu zdolnych do przeprowadzenia reakcji, a zatem zmniejsza te szybko

reakcji. Inhibicji niekompetycyjnej nie mo na przezwyci y przez zwi kszenie st enia

substratu. Nie zmienia si natomiast w obecno ci inhibitora niekompetycyjnego

powinowactwo enzymu do substratu, czyli nie ulega zmianie warto K m .

Inhibicja akompetycyjna

- inhibitor wi e si odwracalnie z kompleksem ES, tworz c nieaktywny katalitycznie

kompleks ESI.

- inhibitor nie wi e si z wolnym enzymem.

- przy ka dym st eniu inhibitora, nawet przy du ym st eniu substratu nie jest mo liwe

przeprowadzenie wszystkich cz steczek enzymu w aktywny kompleks ES. Pewna cz

nieaktywnego katalitycznie kompleksu ESI b dzie zawsze obecna i w konsekwencji V max

zawsze jest mniejsze w obecno ci inhibitora akompetycyjnego ni V max w jego

nieobecno ci (podobnie jak to miało miejsce w obecno ci inhibitora niekompetycyjnego).

- przy inhibicji akompetycyjnej zmniejsza si równie warto K m .

- inhibitor wpływa jednocze nie na wi zanie substratu i liczb obrotów enzymu.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: