BIOREAKTOROK és a MÉRNÖKI GYAKORLAT
Előadás:
•tanári
•hallgatói ea (Hallg(50%).+tanári értékelés(50%).
(benne javasolt vizsgakérdés!)
•70% jelenlét, katalógus
Labor: 1 hetes (50%)+1napos(50%)
Előadások
MSc
ENZIMES ÖSSZEFOGLALÓ 2012
Egy egység az az enzim mennyiség, amely 1 mol szubsztrátot alakít át vagy 1 mol terméket képez 1 perc alatt adott reakció
körülmények között.
E + S P + E mol/dm3!!!!
E/tf E/mg fajlagos aktivitás
MIÉRT NEM MÉRHETŐ MIÉRT NEM MÉRHETŐ ? ?
Michaelis és Menten SI rendszerben: 1 Katal: 1 mol szubsztrátot alakít át 1 s alatt.
hatalmas enzim mennyiség nKat = 10-9 Kat
1 Kat = 6*107 U, 1U =1.6*10-8 Kat, 1U= 1/60 Kat
Michaelis-Menten kinetika
E + S ES E + Pk1
k-1
k2 k-2
(ES) S.E k
K k
1 s 1 feltételezések: *k-2 =0
*első lépés gyorsan egyensúlyra jut= RAPID EKVILIBRIUM
*stabil ES komplex, EP komplex elhanyagolható
*egy aktiv centrum, egy szubsztrát aktivitás helyett cc használható
S E0 vagyis E0 / S < <1 k1SE = k-1 (ES)
az (ES) disszociációs állandója
V dP
dt k (ES)2
E (ES) E
oa „minket érdeklő” reakciósebesség:
anyagmérleg osszuk el ezt a kettőt egymással
Michaelis-Menten kinetika
(ES) S.E k
K k
1 s 1
V E
k (ES) E (ES)
o
2
V E
k S
K E
E S
K E
o
2 s
s
S K
S K
1 S K
S E
k V
s s
s o
2
Vmax k E2 o
V dP
dt k (ES)2
Rendezzük át!
BRIGGS-HALDANE KINETIKA
ESdt k dP
ES k
ES k
ES dt k
ES d
ES k
ES dt k
dS
2
2 1
1
1 1
S Eo
pre-st.st.
S
P (ES)
E S0
E0
0 idõ
kvázi st.st.
d(ES)/dt =0 steady state
E + S ES E + Pk1
k-1
k2 k-2
NAGYON RÖVID IDŐ HOSSZÚ IDŐ
PRE-STEADY STATE
BRIGGS-HALDANE KINETIKA
k ES k
ES k
ES 0dt ES d
2 1
1
Km=(k-1 + k2) / k1
E (ES) E o
11 2
2 1
1
k k
ES ES k
ES k
k ES
k
Michaelis állandó
S K
V S S
K
S E V k
m max
m o 2
DISZKUSSZIÓ
Michaelis -Menten Briggs-Haldane
V V S
K S
max s
V V
S
K S
max
m
K k k
k
k k
k
k K k
m 1 2 k
1
1 1
2 1
s 2
1
ha num(k1)> >num(k2) a két konst. azonos!
V=(Vmax/KS)*S
1.rendû tartomány
0.
rendű
tartomány Vmax= k2EO
V
Km ; KS S
DISZKUSSZIÓ
V=(Vmax/KS)*S
1.rendû tartomány
0.
rendû
tartomány Vmax= k2EO
V
Km ; KS S
S Ks
Ha S Ks derékszögű hiperbola
látszólagos elsőrendű sebességi állandó
S E k S K E
V k 0 0
S
2
katalitikus effektivitás= specfi(ci)tás állandó
V V S K S
max
s
Km/Vmax= specfi(ci)tás idő
L-B, L-H, E-H ábrázolások
-1/K
m1/S
tg=Km/Vmax
1/V
Vmax
1 1 1
V V Km
V S
max max*
tg=1/Vmax
S/V
S K
m/V
maxK
mS
V Km
V V S
max max 1 *
V
V/S Vmax
tg=-Km
Vmax/Km
S m V max K
V
V
V
0értelmezése
V0=
( dS/dt )
t=0S
t
P
t
V0=
( dP/dt )
t=0A M-M és B-H egyenletekben A M-M és B-H egyenletekben
V kezdeti reakciósebességet jelent!!!
V kezdeti reakciósebességet jelent!!!
A k
2meghatározása és V
maxE
0-függése
Vmax3=k2EO3 Vmax2=k2EO2 Vmax1=k2EO1
Km S EO1 EO2 EO3 EO
V
tg = k
2A kinetikai paraméterek értelmezése 1 Vmax IUBMB:nem max, hanem limit!!! HATÁRSEBESSÉG
kcat: [ s-1 ]
Egy enzimmolekula átalakítási frekvenciája S-telítés esetén
NEM ENZIMTULAJDONSÁG Vmax= k2 . E0 = AKTIVITÁS k2 [s-1]
ENZIMTULAJDONSÁG = turnover number, váltásszám
Vmax= kcat . E0
Kiterjesztés minden enzimre és minden kinetikára
Km , KS
-Közelítőleg az S az élő sejtben - az enzim affinitása
- A = B ???
-Változott a KS Inhibitor?Aktivátor?
-Enzimanalitika S>>KS
Túl érzékeny
érzéketlen
A kinetikai paraméterek értelmezése 2
k1 107-1010 dm3mol-1min-1
max. érték(1011) kis molekulák diffúzió-sebessége k-1 102-106 min-1
k2 50-107 min-1
Km 10-6 - 10-2 mol/dm3
katalitikus effektivitás= specfi(ci)tás állandó
M 10
1s 1M
s M 10
s K 10
k
7 1 1
7 1
1 7 m
cat
Legtöbb enzim e két szélső eset között
kcat alsó határa metabolikus enzimeknél
Természetes enzimeknél: >105
Mesterséges e-nél (DNA-zyme, abzyme:<103
<108-109 M-1s-1
diffúziókontrollált bimolekuláris reakció
ENZIM MODULÁCIÓ
INHIBÍCIÓ
Vmax
EO
REVERZIBILIS IRREVERZIBILIS
E + S ES E + P +
I E I
DINAMIKUS EI KOMPLEX
LINEÁRIS INHIBÍCIÓ komplett kP
NEMLINEÁRIS INHIBÍCIÓ (HIPERBOLIKUS)
részleges βkP „csökkent, maradék aktivitás”
1/V - I
ábrázolás
DIXON ábrázolás
KOMPETITÍV INHIBÍCIÓ
VERSENGÉS S ÉS I KÖZÖTT AZ E AKTÍV HELYÉÉRT, VAGY...
KÖLCSÖNÖS KIZÁRÁS I szubsztrát analóg alternatív szubsztrát termék
MODELLEK
1. MODELL: Klasszikus kompetitív inhibíció
Az I verseng S-sel ugyanazon aktív hely elfoglalásáért 2.-3 MODELL: sztérikus GÁTLÁS
4. MODELL: átlapoló helyek esete :1 és 3 kötő hely képes az i, a 2 és 4 kötő hely pedig az S megkötésére, de egymást kölcsönösen
kizárják
5. MODELL: I kötõdése az enzimhez konformáció változást okoz az enzimen és ez megakadályozza S-nek az aktív centrumhoz kötődését. Ilyen a végtermék gátlás (feed back inhibíció) is.
1. KOMPETITÍV INHIBÍCIÓ 5.
1. KOMPETITÍV INHIBÍCIÓ 6.
S 1 K 1 I V
K V
1 V
1
I max
S
max
K S 1 I
K V S
V
i s
max
K S 1 P
K V S
V
P s
max
2 1 S 1 2
S 1max 1
1
K S 1 S
K V S
V
kompetitiv inhibició
k. termék inhibició
alternativ v. versengő szubsztrátok
1 2 S 2 1
S 2max 2
2
K S 1 S
K V S
V
ANALÓGIÁK
NEMKOMPETITÍV INHIBÍCIÓ
Ks
kp
E + S ES E + P
+ +
I I
Ki Ks
EI + S ESI
Ki
KS
KS KI
KI
V V
ES
E ES EI ESI
max
2. NEMKOMPETITÍV INHIBÍCIÓ
V V
S K
1 S
K
I K
S.I K K vagy
V V
S
K 1 I
K S 1 I
K illetve
V = V 1
1 I
K
S
K S
max
s
s i s i
max
s
i i
max
i
s
Az inhibitor a látszólagos Vmax értéket változtatja meg, Ks (illetve Km) értékét nem befolyásolja.
V 1/V
0 1/S
1
Vmax 1
Vmaxi 1 I
Ki Vmax
K
V 1 I K
m
max i
K V
m max
I
Vmax Vmaxi
I
Km S
3. UNKOMPETITÍV INHIBÍCIÓ 1
Ks kp
E + S ES
Ks kp
E + P +
I
ESI
I csak az ES-hez kötődik
I kötő hely
„nem kész”
I kötő hely
„ kész”
S kötő hely eltorzult
3. UNKOMPETITÍV INHIBÍCIÓ 2
V V
S K 1 S
K
SI
max K K
s
s s i
V V S
K S 1 I K
max
s i
mi változott?
S K
1 I K
S K
1 I V 1 V
i S i
max
l.nemkomp.inh.
a komp forditottja, KS csökken
Egy unkompetitiv
I
KS és Vmax értékét ugyanolyan mértékben csökkenti3. UNKOMPETITÍV INHIBÍCIÓ 3
1 V
K V
1 S
1
V 1 I K
m
max max i
V V 1
1 I K
S K 1 I
K
max S
i
m
i
Vmax/2 Vmaxi/2
Vmax Vmaxi
I
V V
1 I K
maxi
max
i
K K
1 I K
mi
m
i
Km V
S
I
nem inhibeált
1/S 1/V
I
Km/Vmax
1/Vmax
1 1
V
I K
i V
i
max max
1 I
K K
i m
1/Km
LINEÁRIS KEVERT TIP. INHIBICIÓ
K 1
K K
1
K K
eq
s i i s
I JELENLÉTE MÓDOSITJA S-NEK ES-RŐL TÖRTÉNŐ DISSZOCIÁCIÓJÁT
l. nemkomp!!!
DE
E + S ES E + P + +
I I
EI + S ESI KS
KS
KI KI
kP
ahol KS=E.S/ES,
KS=EI.S/ESI KI=E.I/EI
KI=ES.I/ESI
E ES ESI E EI ESI
LINEÁRIS KEVERT TIP. INHIBICIÓ 2
V V
S K 1 S
K
I K
S.I K K
vagy kissé átalakítva
V V S
K 1 I
K S 1 I
K
vagy
V =V 1
1 I K
S
K
1 I K 1 I K
S
max
s
s i s i
max
s i i
max
I s I
I
L. NEMKOMP!!!
nemkomp
unkomp komp
LINEÁRIS KEVERT TIP. INHIBICIÓ 3
Vmax/2 Vmaxi/2
Vmax Vmaxi
I
V V
1 I K
maxi max
i
Kmi
V
S
I
nem inhibeált
1/S 1/V
I
1 1
V
I K
i V
i
max max
1
1 I K
K I
K
i m
i
-1/Km
Km -1/Km
K V
I K
m
i max
1
1 1
Vmax
1 I K V
i max
INHIBICIÓK ÖSSZEFOGLALÁSA
S és I kölcsönösen kizárják egymást az enzimről KOMPETITIV
S és I egymástól függetlenül kötődnek az enzimre NEMKOMPETITIV
mint előző, de az I megváltoztatja az enzim affinitását KEVERT TIPUSÚ I csak a S után kötődik UNKOMPETITIV
SZUBSZTRÁT INHIBICIÓ
• -- A szubsztrátnak ahhoz, hogy termékképző átmeneti komplex jöjjön létre, két vagy több helyen kell, hogy az enzimhez kötődjék.
Sok S molekula → egy S molekula az egyik,
másik S molekula pedig egy másik
kötőhelyhez kapcsolódik s így inaktív komplexek jönnek létre (ez is reverzibilis inhibíció).
E
-OOC
CH2 CH2
-OOC
E
-OOC
CH CH
-OOC
Succinate Malonate
E
-OOCCH2CH2COO-
-OOCCH2CH2COO-
Normal S inhibition
■■-- Nagy S koncentrációnál egy S molekula olyan köt-- Nagy S koncentrációnál egy S molekula olyan kötőőhelyhez is kapcsolódhat az helyhez is kapcsolódhat az enzimen, amely nem az aktív centrum része, az ilyen köt
enzimen, amely nem az aktív centrum része, az ilyen kötődés mintegy ődés mintegy NEMKOMPETITIV
NEMKOMPETITIV (v. unkompetitiv) (v. unkompetitiv) módon megakadályozza a normális S módon megakadályozza a normális S kötkötőődést.dést.
■■--Az enzim m--Az enzim műűködéshez szükség lehet egy aktivátor molekulára. Ha ez kapcsolódni ködéshez szükség lehet egy aktivátor molekulára. Ha ez kapcsolódni képes a szubsztráttal, sok S molekula
képes a szubsztráttal, sok S molekula "elvonja" az enzimtő"elvonja" az enzimtől az aktivátortl az aktivátort, így , így csökkentve annak tényleges aktivitását.
csökkentve annak tényleges aktivitását.
■--Két (vagy több) szubsztrátos re■--Két (vagy több) szubsztrátos reakciók esetén az egyik szubsztrát feleslege lekötheti akciók esetén az egyik szubsztrát feleslege lekötheti a másik szubsztrát köt
a másik szubsztrát kötőő helyeit, megakadályozva a szükséges második szubsztrát helyeit, megakadályozva a szükséges második szubsztrát kapcsolódását, így megintcsak inaktív komplexek jönnek létre.
kapcsolódását, így megintcsak inaktív komplexek jönnek létre.
■-- ■-- NNagy S koncentráció aspecifikus módon is gátolhatja a reakciót, például az agy S koncentráció aspecifikus módon is gátolhatja a reakciót, például az ioner
ionerősség megnövekedése miatt.ősség megnövekedése miatt.
SZUBSZTRÁT INHIBICIÓ
K a
S S
1 K V 1
= V
s max s
SZUBSZTRÁT INHIBICIÓ
V
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
0 50 100 150 200 250 300
Vmax=0.9,Ks=50,Ki=10 Vmax=0.9,Ks=50,Ki=50
Vmax=0.9,Ks=50,Ki=100
Szubsztrát koncentráció (mg/L)
A.)Termékképzéshez egyszerre több különbözõ szubsztrát kell, hexokináz
glükóz + (Mg)ATP Glükóz-6-foszfát + (Mg)ADP foszforilezés
két termék
B.) A másik esetben a reakció keverékben egy enzim és több különböző, lényegében alternatív szubsztrát.
példák: a legtöbb biopolimer hidrolizáló enzim
amiláz, amilo-glikozidázok, cellulázok
proteinázok.
Függetlenül attól, hogy ezekben az esetekben exo- vagy endo-enzimekről van-e szó, a reakció-keverékben egyidejűleg több, különböző polimerizációs fokú szubsztrát van (lesz) jelen.
TÖBB SZUBSZTRÁTOS REAKCIÓK
MSc 2009
Két tipus
EGYÉB HATÁSOK AZ ENZIMAKTIVITÁSRA Ionerősség
pH
Hőmérséklet Nyírás
Nyomás (hidrosztatikai) Felületi feszültség
Kémiai szerek (alkohol, urea, H2O2...) Fény, hang, ionizáló sugárzások
REVERZIBILIS
VÁLTOZÁSOK IRREVERZIBILIS
Yi
pH 1
Y
Y-
Y2-
Y 1
1 H / K1 K / H2
Y= Y2-= pH hatása 2
optimum
1 2
2 1 optimum
pK 2 pK
pH 1
K K H
!
1 H /K K /H
E 1 k Y
E k V
2 1
0 2 0
2 max
pH hatása 2
Hőmérséklet hatása
R
exp S RT
exp H RT
exp G E K
E d d d
d a
i
E E
1 K é s V k T E ahol
k T k T
h e e
a 0
d max 2 a
B S /R* E/RT
2
Kettős hatás Reakciósebesség nő
Csökken: denaturálódás
irreverzibilis reverzibilis
Ea Ei Kd
Mivel E0 = Ea + Ei
V Te
1 e e
max
E/RT
S / R* H /RTd
= kombináció (β,kB,h,E0,S*) Km is függ T-től!
1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6
2,9 3,1 3,3 3,5 3,7 V
Oxigén képzõdési sebesség cm3/min
1/T*103
Hőmérséklet hatása
a
kE
adt
dE
Időtől is függ!
a0 kt
a t E e
E
a0 kta
t E e
E
β
R E tg Hd
R tg E
REVERZIBILIS REAKCIÓK 1
Sok enzim katalizálta reakció - főként a biopolimer hidrolízisek - nagymértékben a jobboldali irányba eltolt egyensúllyal rendelkeznek,
→
gyakorlatilag k-2 valóban elhanyagolható.De például a glükóz fruktóz (glükóz izomeráz)gyakorlatban is egyensúlyi reakcióként viselkedik
E + S ES E + P k1
k-1
k2 k-2
K k k
k
K k k
k
ms 2 1
1
mp 2 1
2
V k E V k E
maxs 2 o
maxp 1 o
2 1
2 1 2
1 um)
eq(uilibri
2 2 2
1 1 1
k k
k K k
K K
k K k
k
K k
1/KS KP
REVERZIBILIS REAKCIÓK 2
Végezzük el a következő osztásokat:
V K
k k E
k k és V K
k k E k k
maxs ms
1 2 o
2 1
maxp mp
2 1 o
2 1
V K V
K
V K V K
k k
k k K
maxs ms maxp
mp
maxs mp maxp ms
1 2
1 2
eq
HALDANE összefüggés
REVERZIBILIS REAKCIÓK 3
E
MI TÖRTÉNIK?
S → P vagy P → S
?
S
P MITŐL FÜGG? K
eq, S , P értéke
V
V S P
K
K 1 P
K S
V S
K V P
K
1 S
K
P K
netto
maxs
eq
ms
mp
maxs
ms
maxP
mP
ms mP
V
netto= V
előre- V
vissza= k
2(ES) - k
-2(EP)
mP mS
0 P 0
s
K P K
1 S
P E k
S E k
Ahol:
a
2 1
2 1 P
2 1
2 1 S
k
k k
k k k
k és k
k k k
mP mS
0 P 0
A
K p K
1 a
p E k
a E k
MCA