background image

Kinetyka reakcji enzymatycznych

Teoria Michaelisa-Menten i Briggsa-

Haldane’a

Kinetyka reakcji z jednym i z dwoma 

substratami

Kinetyka enzymów allosterycznych

Stałe kinetyczne reakcji

Stała wydajności (specyficzności) 

katalitycznej

Inhibicja enzymów i jej kinetyka

Kinetyka enzymów immobilizowanych

background image

Cele badań kinetyki reakcji 
enzymatycznych:

uzyskanie informacji o przebiegu reakcji w czasie,

                                a więc o:

szybkości zaniku substratów i powstawania 

produktów

liczby i kolejności przyłączania cząsteczek 

substratów do enzymu i odłączania cząsteczek 

produktów z kompleksu aktywnego

liczby kompleksów pośrednich i izomeryzujących 

form enzymu 

o efektach czynników modyfikujących przebieg 

reakcji – inhibitorów i aktywatorów

background image

Energia aktywacji

Jest to energia, którą muszą mieć cząsteczki (jony, atomy), aby były zdolne do 
określonej reakcji chemicznej. Energię aktywacji wyraża się zwykle w kJ/mol 
reagujących cząsteczek. Im mniejsza jest energia aktywacji, tym reakcja zachodzi 
szybciej. (Energia aktywacji, najmniejsza 

energia

, jaką muszą posiadać cząsteczki 

substratów, by wskutek zderzenia tych cząsteczek, mogła zajść 

reakcja chemiczna

.; 

różnica energii swobodnej między stanem  przejściowym a substratem. )

background image

Szybkość reakcji jest miara ilości zużywanych substratów lub 

powstających produktów w jednostce czasu. Opisujemy ją wzorem:

Gdzie:               - współczynniki stechiometryczne reagentów

A- substraty
B- produkty

Doświadczalnie wyznaczone równanie tego typu nosi nazwę równania 

kinetycznego, przyjmuje ono postać:

Współczynnik k nosi nazwę stałej szybkości reakcji, jest niezależna od 

stężeń reagentów, a zależna m.in. od temperatury. Wykładniki 
potęgowe nie wynikają z równania sumarycznego, a jedynie z 
mechanizmu reakcji. Wykładniki te mogą mieć zarówno wartości 
całkowite jak i ułamkowe. 

dt

v

dc

dt

v

dc

r

B

B

A

A

B

A

v

,

   

...

b

a

B

A

k

background image

Jednostki enzymatyczne:

Najpowszechniejsza- podawana jako wartość 

w czasie zerowym- czyli jako początkową 
szybkość reakcji Vo, jednostka: µmol/min

2 standardowe jednostki aktywności 

enzymatycznej:

Jednostka enzymatyczna (U)

Katal (kat)

background image

Jednostka enzymatyczna-czyli taka ilość 

enzymu, która katalizuje przemianę 1 μmola 
substratu w ciągi 1 minuty w temperaturze 
30°C i określonym pH 

katal (kat), czyli ilość enzymu katalizująca 

przemianę 1 mola substratu w ciągu 1 
sekundy. 

1 µmol/min=1U=16.67 nanokat

background image

Aktywność:

Całkowita- odnosi się do całkowitej liczby 
jednostek enzymatycznych w próbce

Specyficzna- liczba jednostek enzymatycznych 
na miligram białka, miara czystości enzymu

background image

Model Michaelisa-Menten
model oparty na założeniu o nieodwracalnym 
mechanizmie reakcji

background image
background image
background image

Stała Michaelisa:

jest wyrazem powinowactwa enzymu do substratu

enzymy o niskiej wartości stałej Michaelisa działają 

znacznie sprawniej niż enzymy o wysokiej jej wartości

szybkość tworzenia produktu zależy od [ES], a więc im 

wartość [ES] jest większa, a tym samym stała 

Michaelisa mniejsza, tym szybsze powstawanie 

produktu.

dla większości enzymów  stała Michaelisa mieści się w 

       przedziale od 10

-1

 do 10

-7

 M

zależy ona od substratu, a także warunków 

zewnętrznych takich jak: temperatura i siła jonowa

oznacza ona takie stężenie substratu, w którym połowa 

miejsc aktywnych jest obsadzona

kiedy znamy jej wartość możemy obliczyć ułamek 

obsadzonych miejsc dla każdego stężenia substratu

background image

Model Briggsa Haldane

a

Model oparty o założenie obecności stanu 

stacjonarnego w układzie nieodwracalnym

background image

Porównanie modeli:

1

1

'

k

k

m

K

]

[

]

[

S

m

K

S

m

V

v

]

0

[

2

E

k

m

1

2

1

k

k

k

m

K

Michaelis-Menten 

kiedy k

2

 << k-1,

1

2

1

'

k

k

k

m

K

m

K

]

[

'

]

[

S

m

K

S

m

V

v

]

0

[

2

E

k

m

Briggs-Haldane 

d[ES]/dt ≈ 
0

]

[

1

]

][

[

1

ES

k

S

E

k

założenie:

równanie:

Prędkość 
maksymalna:

Stała:

background image

Kinetyka reakcji z wieloma 
substratami

Reakcje z kilkoma substratami można podzielić na dwie 
klasy:

 Przeniesienie sekwencyjne

 Przeniesienie podwójne (reakcje ping-pong)

Reakcje z kilkoma substratami można podzielić na dwie 
klasy:

 Przeniesienie sekwencyjne

 Przeniesienie podwójne (reakcje ping-pong)

Q

P

B

A



background image

Przeniesienie sekwencyjne

W tej grupie wszystkie substraty muszą się 

związać z enzymem. Jeżeli są dwa substraty to 
powstaje trójskładnikowy kompleks enzymu z 
obydwoma Substra- tami. Kolejność wiązania 
substratów z enzymem może być uporządkowana 
– czyli substraty wiążą się w ściśle określonej 
kolejności lub przypadkowa.

background image

Przykładem reakcji uporządkowanej jest przekształcenie 

pirogronianu w mleczan

Pirogronian + NADH + H+ ↔ mleczan + NAD+

W uporządkowanym mechanizmie sekwencyjnym koenzym 

zawsze wiąże 

   się jako pierwszy i dysocjuje od enzymu jako ostatni. 

Diagram Clelanda:

background image

W mechanizmie przypadkowym kolejność jest 

dowolna:

Kreatyna  + ATP ↔ fosfokreatyna + ADP

background image

W reakcjach podwójnego przeniesienia jeden z 
substratów jest uwalniany przed związaniem wszystkich 
substratów przez enzym.

Cechą charakterystyczną jest związanie przenoszonej grupy 
przez enzym i późniejsze przeniesienie jej na drugi substrat

Asparaginian + ketoglutaran ↔ glutaminian + szczawiooctan

Sekwencje zdarzeń opisuje diagram:

background image

Enzymy allosteryczne- zbudowane z kilku  podjednostek,  
mające najczęściej dwa rodzaje centrów: 

• Centra aktywne- decydujące o właściwościach 
katalitycznych

• Centra regulatorowe (miejsca allosteryczne, efektorowe)- 
zostają w nich związane związki niskocząsteczkowe zwane 
efektorami lub ligandami allosterycznymi. 

background image

Przyłączenie  efektora  powoduje  modyfikację  działania  enzymu. 
Jest  to  tzw.  kooperacja,  będąca  jedną  z  głównych  cech 
zjawiska allosterii.

Kooperacja  dodatnia  powoduje,  że  związanie  jednego 
reagenta  zwiększa  siłę  wiązania  następnego  i  w  rezultacie 
otrzymujemy krzywą sigmoidalną a nie hiperboliczną. 

Właściwości  katalityczne  enzymów  allosterycznych,  w  których 
występują  efekty  kooperacyjne,  opisuje  się  za  pomocą  dwóch 
podstawowych modeli:

• sprzężonego czyli jednoprzejściowego

• sekwencyjnego

background image
background image

Model  sprzężony-  zakłada,  że  enzym  istnieje  w  dwóch 
stanach znajdujących się w równowadze:

•  w  stanie  rozluźnionym  R  (ang.  relaxed)-  o  silnym 
powinowactwie do reagentów

•  w  stanie  napiętym  T  (ang.  tense)-  o  słabym 
powinowactwie

Przejście  konformacyjne  pomiędzy  stanami  T  i  R  zachodzi 
jednocześnie  we  wszystkich  protomerach 

danej 

cząsteczki  enzymu  i  ma  charakter  sprzężony.  Ligandy 
przesuwają stan równowagi enzymu w jedną lub drugą stronę 
i konformacja podjednostek zmienia się w tym samym czasie 
symetrycznie- nie ma stanów hybrydowych.

background image

Powinowactwo  miejsca  wiążącego  dany  ligand  zależy  od 
konformacji  protomeru.  Pewne  ligandy  wiążą  się 
preferencyjnie     z jedną konformacją oligomeru, podczas, 
gdy inne ligandy-            z drugą.

Związanie  ligandu  z  jedną  poszczególną  konformacją 
powoduje przesunięcie równowagi na korzyść konformacji, 
z którą związany jest dany ligand. 

W formie wolnej przeważa stan T. Równowaga R

 T

0

 jest 

więc  przesunięta  w  prawo  w  kierunku  formy  o  słabym 
powinowactwie do ligandu.

background image

L=T

0

/R

0    

stała równowagi 

sprzężonej

Powinowactwo reagenta A do 
protomerów w stanie R i T określone 
jest przez dwie stałe dysocjacji K

R

 i K

T

:

[R

0

]

[A]

[R

1

]

K

R

=

[T

0

]

[A]

K

T

=

[T

1

]

background image

K

R

/K

= c   współczynnik 

wiązania

Kooperatywność 

wiązania 

substratu 

zależy  od  wartości  L  i  c.  Krzywa 
szybkości  reakcji  staje  się  bardziej 
sigmoidalna,  gdy  wzrasta  L,  tj.  gdy 
równowaga  przesunięta  jest  na  korzyść 
T          i  kiedy  zmniejsza  się  wartość  c
czyli wtedy, gdy powinowactwo formy  T 
do  substratu  zmniejsza  się  w  stosunku 
do formy R.

background image

Model 

sekwencyjny- 

zakłada, 

że 

związanie substratu (lub innego ligandu) 
z jedną             z podjednostek indukuje 
powstawanie  zmian  konformacyjnych  w 
tej 

podjednostce, 

które 

zmieniają 

powinowactwo  do  substratu  innych 
wolnych  miejsc  wiążących.  W  efekcie 
tego, 

każda 

związana 

cząsteczka 

substratu ułatwia wiązanie następnej.

background image

Na 

podstawie 

właściwości 

wiązania 

substratów, 

które 

uwzględnia 

model 

sekwencyjny można wyprowadzić równanie: 

v

0

V

max

[S]

n

K’ + [S]

n

=

Równanie to znane jest jako równanie Hilla, 
gdzie:

n-  liczba  miejsc  wiążących  substrat  w 
cząsteczce  enzymu,  czyli  tzw.  współczynnik 
interakcji Hilla; 
 
K’- 

stała 

uwzględniająca 

czynniki 

współdziałania           i stałą dysocjacji K

s

background image

Wartość  K’  jest  w  pewnym  sensie 
odpowiednikiem 

Km, 

ponieważ 

również odnosi się ona do [S], przy 
którym                  v  =  Vmax/2,  ale  nie 
jest  równa  temu  stężeniu  (w 
przeciwieństwie do Km).

background image
background image

k

A

= k

kat

/K

m

Stała katalityczna 
enzymu k

3

, liczba obrotów 

enzymu

Stała wydajności (specyficzności)- 
sprawność katalityczna

Porównanie stałych specyficzności enzymu dla dwóch 
różnych substratów jest miarą selektywności enzymu 
wobec jednego substratu w stosunku do innego 
substratu.

Dla reakcji gdzie [S]>>K

m

,  k

3

 jest stałą reakcji I rz.

Dla reakcji gdzie [S]<<K

m

 , k

A  

jest stałą reakcji II rz.

V

max

 = k

3

[E

T

]

background image

„Biochemia” J.M. Berg; J.L. Tymoczko; L. Stryer Wyd. 

Naukowe PWN W-wa 2005

„Biochemia Tom I Wprowadzające wiadomości z 

chemii ogólnej, składniki chemiczne ustrojów 

metabolizmu (enzymy)” B. Filipowski; W.Więchowski 

PWN wyd. V W-wa – Łódź 1983

„Biochemia ilustrowany przewodnik” J. Koolman; 
K.H.Rochm Wyd.Lekarskie PZWL W-wa 2005

 „ Chemia bioorganiczna”, P. Kafarski, B. Lejczak.

„Chemia fizyczna dla biologów. Termodynamika i 
kinetyka”-   G. Bartosz, Wydawnictwo Uniwersytetu 
Rzeszowskiego, Rzeszów 2005

„Obliczenia biochemiczne”- A. Zgirski, R. Gondko, 
PWN W-wa 1998


Document Outline