Cinetica reactiilor enzimatice

7/26/2019 Cinetica reactiilor enzimatice

1/14

Univerditatea Ovidius din Constanta Facultatea de Farmacie

Cinetica reaciilor enzimatice

Coordonator :Profesor Universitar Doctor Rodica Srbu Indrumtor:Asistent Universitar Doctorand Iuliana Stoicescu

Student :Laura Diana Sandu

2013 grupa 4 Semestrul II


2/14


Generaliti despre enzime

Reaciile din organismele vii sunt catalizate de enzime (sau ermeni!" care sunt su#stanemacromoleculare" proteine" cu masa molecular cuprins $ntre 104 %i 10&' Reaciile enzimatice poti reacii de o)idare" reducere" transer de grupe sau atomi" reacii de *idroliz" etc'

+ protein este rezultatul unei aran,ri" dup un anumit cod" a resturilor de amino-acizi'.e suportul proteic sunt i)ate grupe prostetice" cu rol de centri activi" grupe de natur amino-acid" ce au rol determinant $n aciunea catalitic a enzimei %i care nu pot i separate prin simpldializ /1'

n reaciile catalizate enzimatic" moleculele reactanilor sunt denumite su#strat' nzimase com#in cu su#stratul care apoi se descompune $n produ%i de reacie cu eli#erareacatalizatorului enzimatic'

Cinetica reaciilor catalizate enzimatic este comple)'a decurge printr-un numr de etape elementare" iecare implicnd interaciuni comple)e

$ntre mai multe grupri uncionale ale enzimei %i moleculele de su#strat'nzimele pot prezenta" /1- Speciicitate a#solut de e)emplu ureaz catalizeaz numai cataliza ureei5- Speciicitate de grup de e)emplu enzimele proteolitice catalizeaz *idroliza

peptidelor5- Speciicitate stereospeciic cnd sunt catalizate numai anumite orme ale

moleculelor reactante de e)emplu enzimele proteolitice catalizeaz numai *idrolizapeptidelor ormate din aminoacizi $n coniguraia 6 (levogir!

Caracteristicile unei ezime sunt cele speciice unui catalizator %i anume" /3- n urma unei reacii enzimatice" enzima nu suer o modiicare c*imic net5- +rice enzim prezint o anumit speciicitate" ea se leag de su#strat prin centri activi

$n uncie de ainitatea sa a de acea poziie a su#stratului'

- nzima cre%te viteza anumitor reacii c*imice numai dac acele reacii sunt posi#iletermodinamic5

- n cazul unui ec*ili#ru" enzima cre%te numai viteza de atingere a ec*ili#rului" dar eacatalizeaz att reacia direct ct %i reacia invers5

- + enzim mic%oreaz energia de activare r a modiica #ilanul energetic al reacieiglo#ale'

n catalizele enzimatice" $n a#sena unor mici cantiti din anumite su#stane numite7Coactori8" anumite enzime sunt inactive' Ionii metalici 9e2:" ;n2:" Cu2:" Co2:sunt cunoscuidrept coactori" /1"2'


3/14


=%a cum am artat mai sus enzimele prezint o mare speciicitate' =ctivitatea lor $ncondiii optime se e)prim ie prin viteza de reacie" ie prin numrul >+' iciena mare aenzimei implic olosirea acesteia $n cantiti oarte mici comparativ cu cantitile de su#strat'

=stel" $n tratrile cinetice" se poate aplica apro)imaia staionaritii enunat de ?riggs @aldane $n 1A2B" /4"B'

Conorm postulatului strii staionare $n aara unei oarte scurte aze iniiale (de ordinul acteva secunde!" necesar amestecrii enzimei cu su#stratul" concentraia comple)ului enzim su#strat rmne constant pn ce su#stratul rmne aproape $n $ntregime epuizat'

Cel mai simplu sistem enzimatic uncioneaz dup sc*ema /3

>ratarea cinetic conduce la viteza iniial a ormrii produsului de reacie v0" dat deecuaia

v0=(d [P]dt )t=0=k2[ES] (A'2!

Comple)ul enzim su#strat /S poate i determinat din ecuaia de vitez pentruprocesul su de apariie

d [ES ]

dt =k

1[E ] [S ]k1 [ES ]k2[ES ] (A'3!

n accepia lui ic*aelis enten /4'D" ec*ili#rul din prima etap a procesului glo#aldin ecuaia (A"3! se poate produce numai dac E1FFE2'


4/14


nde / este concentraia enzimei li#ere /S concentraia enzimei legat $n comple)"iar /tot este concentraia total a enzimei'

Hiteza de apariie a comple)ului su#strat-enzim este

d [ES ]dt

=k1[E ] [ S ]k1 [ES ]k2 [ES ]=0 (A'&!

Concentraia comple)ului su#strat-enzim este

[ES ]= k

1[S ] [E

tot]

k1+k2+k1[S] (A'!

cuaia cinetic a reaciei red viteza su# orma

v0=(d [P ]dt)t=o=

ks[ S ] [E tot]k1+k2

k1+[S ]

=ks[ S ] [E tot]

kM+[S] (A'A!

unde Ese nume%te constanta lui ic*aelis

kM=k1+k2

k1 (A'10!

-


5/14


v0=(

d [P]dt

)t=0

=vmax

2 (A'14!

Constanta E - constanta lui ic*aelis are semniicaia constantei de disociere acomple)ului enzim-su#strat" iind o msur a sta#ilitii comple)ului

kM=k1+k2

k1=ks+

k2

k1 (A'1B!

Cu ct E are o valoare mai mica (%i deci %i E! cu att ainitatea enzimei pentru su#strateste mai mare'

cuaia de vitez $n cinetica enzimatic $n prezena unui

in*i#ator

Reaciile enzimatice pot i in*i#ate de anumite su#stane" $n principal prin doumecanisme competitiv %i necompetitiv' n cazul in*i#iiei competitive" in*i#itorul se com#in cuenzime la centrul activ la care acioneaz su#stratul" #locndu-l prin urmtoarea reacie cedecurge $n paralel cu ecuaia (A'1a!

(A'1D!

Hiteza iniial de reacie" $n aceste condiii" devine

v0,I0

= v

0,max

1+ k

[S ] (1+[I

0]

k1) (A'1&!

Haloriicarea ecuaiei (A'1&! prin reciproca sa reprezentat graic $n sistemul1

v0I0

uncie de1

[S ](pentru o concentraie constant de in*i#itor!" permite calcularea constantei de

ec*ili#ru KI


6/14


com#in cu enzima $n alt parte dect centrul activ" rmas li#er pentru su#strat" dar comple)ultrimolecular care se ormeaza SI este nereactiv'Sistemul de reacie $n acest caz este

(A'1!

>ratearea cinetic conduce la viteza iniial su# orma

V0,Inc

= k2 [Etot]

(1+kM[S ])(1+[I

0]

k1)=

v0,max , Inc

1+kM

[S ] '1A!


7/14


- Cnd p@-ul mediului se modiic" viteza reaciei catalizate enzimatic trece printr-unma)im" ig' A'1 numit p@ optim' +rice enzim prezint o activitate optim la unanumit p@ relativ mic $n ,urul celui optim" pentru care orma activ a enzimei nu estedistrus

(A'21!

9ig' A'1 Hariaia vitezei de reacie cup@-ul mediului $n cataliza enzimatic

6a un p@ dat cantitile relatice din cele trei orme" depind de valorile constantelor de disociereEaale ormei acide @2%i E#ale ormei neutre @' Se regsesc dou soluii

- 6a un LpE mare domeniul de p@ este larg" iar enzima acioneaz $n orma sa neutr@5

- 6a un LpE mic domeniul de p@ este oarte $ngust'

9iecare dintre cele trei orme pot interaciona cu su#stratul ormnd un comple) enzim-su#stratconorm sc*emei

uler" Mosep*son %i Nrr#acE" /10" au propus o sc*em $n care orma @ este singura ormactiv %i este implicat $n ec*ili#rul de ormare a comple)ului enzim-su#strat


8/14


predomina ormele %i S" iar viteza va i din nou mic' 6a un p@ intermediar" p@-ul optim"concentraia @S %i viteza vor avea valoarea ma)im' n ma,oritatea cazurilor valoarea ma)ima p@-ului este $n apropiere de domeniul neutru p@J&' Sc*ema de reacie conduce la ecuaiavitezei

+H

+H

+H

H

+

1+ka'

+[S ]

1+ka

k

v0H=k2[E tot] [S]

(A'23!

.entru valori mai mici ale lui /S se pot determina constantele de disociere Ea%i E#" iar $ncondiiile unei concentraii mari de su#strat" cnd enzima este saturat" se determin EOa %i EO#'=ceste valori sugereaz natura grupelor din comple) %i din enzima li#er" dnd inormaii despregrupele active'

n alt actor care inlueneaz cataliza enzimatic este temperatura')periena arat c viteza de reacie trece printr-un ma)im cnd temperatura cre%te" aceasta senume%te temperatura optim' 6a temperaturi $n ,ur de 3BoC sau mai mari" de o#icei enzima suero dezactivare rapid $n timpul determinrilor cinetice' .rocesul inactivrii enzimei se datoreazdenaturrii proteinei'


9/14


v=k2[Etot] (A'24!

nde E2depinde de >" dup ecuaia lui =rr*enius (k2=AeEIRT) , cnd se lucreaz la

concentraie constant de enzim'Reprezentarea v J (1P>! este o dreapt" ceea ce se veriic $n multe cazuri' 6a concentraii micide su#strat

v=k

2

kM[E tot] [S] (A'2B!

cuaia (A'2B! nu d o dependen simpl a vitezei de temperatur' Sunt dou cazuri limit1' Cnd E 2 FF E-1viteza va avea ecuaia vJE1/tot/S5 reprezentarea v J (1P>! este o dreapt

%i energia de activare calculat din pant va corespunde lui E152' Cnd E -1 FF E2 viteza va avea ecuaia v=

k1

ks

k1[Etot] [S ] " iar energia de activare

o#inut din panta dreptei v J (1P>! va i

Ea=E1+E2E1 (A'2D!

nde cele trei energii de activare corespund celor trei procese elementare" iar aesteenergia glo#al de activare'

Sisteme armaceutice o#inute prin reacii $n cataliza enzimatic

Obinerea prin biosintez a penicilinelor G i V



10/14


.enicilina G (#enzil-penicilina! olosit $n practica terapeutic su# orm de sarede Qa sau " %i penicilina H (eno)imetil-penicilin! olosit su# orm de acid li#er sausare Qa %i " sunt anti#iotice de #iosintez larg utilizate" /11'

?enzoil-penicilina (penicilina G!" este o su#stan al#" cristalin" cu punct detopire 00C" solu#il $n ap %i solveni organici" avnd trei atomi de car#on asimetrici (C3"CB" C&! %i este optic activ" D

20 J:2410' ste activ #acteriostatic %i #actericid a de#acilii %i cocii gram pozitivi'

9eno)imetil-penicilina (penicilina H! este o su#stan al#" insolu#il $n apmsolu#il $n solveni cu punct de topire $ntre 110C %i 1200C %i are activitatea optic"

D20 J:1A30'

>e*nologia de o#inere este comun tuturor ati#ioticilor de #iosintez %i cuprindeurmtoarele aze

o .regtirea mediilor de cultur %i sterilizarea lor5o 9ermentaia #ioc*imic5o 9iltrarea soluiilor native5o Separarea %i puriicarea penicilinelor'9iecare az din procesul de a#ricaie necesit studii cinetice" termote*nice" de

#ilan de materiale %i de control a parametrilor de compoziie (temperatura" p@-ulmediului" etc'! pentru proiectarea %i realizarea lor $n ideea o#inerii unor procese curandamentul dorit'

n e)empliicarea ce ne intereseaz" ermentaia #ioc*imic pentru procesul de#iosintez enzimatic se realizeaz cu participarea unor specii de microorganisme dinclasa .enicillium %i =spergillus %i anume tulpina .' CrNsogenum 1&D'

Compoziia mediului de cultur are un rol *otrtor pentru procesul de #iosintez"

$ntruct microorganismele au nevoie pentru dezvoltarea lor de surse de *idrani de car#on(glucoz %i lactoz!" surse de azot" su#stane minerale ( CaC+3" Q@4Q+3" Qa2S+4"gS+4" @2.+4" ;nS+4! %i precursori'

.recursorii sunt su#stane care diri,eaz procesul de #iosintez ctre o anumepenicilin" constituind catena lateral a penicilinei respective' .entru penicilina G seutilizeaz ca precursori enilacetamida sau acidul enilacetic" iar pentru penicilina H seutilizeaz acidul eo)iacetic'

p@-ul mediului inlueneaz viteza reaciilor enzimatice" permea#ilitateamem#ranelor celulare %i gradul de ionizare a srurilor'

Haloarea optim a p@-ului este cuprins $ntre D"4 T &'?iosinteza unor molecule a%a de comple)e" cum sunt penicilinele" necesit un lu)

de energie din e)terior" procesul iind endoterm" #iosinteza propriu-zis nu se poaterealiza dect dac se des%oar simultan %i procese de o)idare a *idranilor de car#on"care constituie principala surs de energie'

Cum viteza de utilizare a *idranilor de car#on respect ordinea glucoz F acidlactic F lactoz" $nseamn c $n aza de cre%tere a masei celulare se consum glucoz" iar$n perioada de ormare a penicilinei se consum lactoz'

n concluzie" mediul de cultur tre#uie s asigure necesarul de glucoz %i lactozpentru des%urarea normal a #iosintezei'



11/14


Cinetic" viteza procesului de #iosintez enzimatic a penicilinei este descris deecuaia ic*aelis enten

v=dCp

d=

vmax Cs

kM+Cs (A'2&!

nde v este viteza de acumulare a penicilinei vma)este viteza ma)im de ormarea penicilinei" E - constanta ic*aelis enten" Cs concentraia su#stratului %i deecuaia onod" /11

=maxCs

ks+Cs(A'2!

nde U este viteza speciic de cre%tere a masei celulare" Uma)este viteza ma)imde cre%tere a masei celulare iar Es" reprezint constanta de saturaie onod'


12/14


agitatorului mecanic care disperseaz #ulele de aer %i intensiic transerul $n mas alo)igenului" dar aceasta nu poate dep%i anumite limite deoarece a,unge la deteriorareamecanic a #iomasei'

>emperatura este un parametru care intervine mult $n aceast #iosintez' 6a

pregtirea mediilor de cultur" care se ace $n instalaii prevzute cu serpentine de$nclzire-rcire" se asigur la $nceput o temperatur de B0 T D00C" apoi se adauge)tractul de porum#" su#stanele minerale %i *idraii de car#on (glucoza %i lactoza!'=desea glucoza %i lactoza se dizolv $n ap %i se sterilizeaz separat pentru evitarea#azelor Sc*i" care sunt nedorite'

ediul de cultur astel pregtit se sterilizeaz prin $nclzirea $n coloan la124T12D0C care se menine 10 T 12 minute %i apoi se rce%te la D0 T DB0C' 6a aceastultim temperatur amestecul este trimis $n ermentatorul intermediar %i cel de regim'Relaia timp temperatur se poate regsi $n igura A'2'


13/14


Se conirm astel c reducerea vitezei de inactivare $n mediul acid al penicilineiH $n comparaie cu penicilina G este determinat de scderea actorului pree)ponenialdin ecuaia lui =rr*enius %i nu de valoarea energiei de activare'

n mediu #azic" la p@ J AT10" +niscu arat c viteza de inactivare a penicilinei H

este de 2"2 mai mare dect a penicilinei G' =ceste aspecte sunt importante la separareacelor dou peniciline din soluiile apoase o#inute la ermentaie

=lte e)emple de procese enzimatice sunt- Sinteza unor anti#iotice cu aciune citostatic cum sunt Ru#omNcina %i itomicina C

Ru#omNicina (


14/14


Hitamina ?2(1!" este un derivat de izoalo)azin" la#il la lumin att $n mediu #azic cnd se ormeaz lumilavin "(2! ct %i acid cnd se ormeaz lumicrom" (3!'Ri#olavina are proprietatea de a se reduce reversi#il ormnd un leucoderivat' Hitamina?2este o component a coenzimei lavoproteinelor e)istente $n toate celulele' a are un

rol oarte important $n procesele enzimatice din organism" uncia sa #iologic decatalizator #azndu-se pe transerul de *idrogen $ntre sistemele enzimatice donor-acceptor" conorm sc*emei


Cinetica reactiilor enzimatice

Documents

Transcript of Cinetica reactiilor enzimatice