Katalüüs (1)

Katalüüsi mehhanismid
Katalüsaatori roll
Valdav enamus biokeemilisi reaktsioone on aeglased ­ ei vasta metabolismi nõuetele
Katalüsaator on substants, mis kiirendab keemiliste reaktsioonide toimumist jäädes
ise reaktsiooni lõpuks muutumata kujule
Katalüsaator
· kiirendab reaktsiooni toimumist
· ei muuda tasakaaluolekut
· ei muuda termodünaamiliselt mittesoodsat reaktsiooni isevooluliseks
· võimaldab metabolismi regulatsiooni
Biokatalüsaatorid
· valgud ­ ensüümid
· katalüütiline RNA ­ ribosüümid
Biokatalüsaatoreid iseloomustab
· kõrge spetsiifilisus
· kõrge efektiivsus
Biokatalüsaatorid on efektiivsed
Vesinikperoksiidi lagunemine veeks ja molekulaarseks hapnikuks:
2H2O2 2H2O + O2
· reaktsioon on termodünaamiliselt soodne
· katalüsaatori puudumisel ­ aeglane (stabiilne mitu kuud)
· rauaioonide (Fe3+) juuresolekul ­ kiireneb 1000 korda
· hemoglobiini juuresolekul ­ kiireneb 1 000 000 korda
· katalaasi juuresolekul ­ kiireneb 1 000 000 000 korda
Keemilise kineetika alused
Keemiline kineetika uurib keemiliste reaktsioonide toimumist ajas
Mis on keemilise reaktsiooni kiirus?
Kiirus on millegi muutumine ajas t
Keemilise reaktsiooni kiirus V ­ reagentide kontsentratsioonide muutumine ajas
AB A ­ lähteaine
B ­ produkt
V = d[B]/dt = - d[A]/dt
Keskmine kiirus
Vkeskm = [B]/t
Algkiirus ­ biokeemias kõige olulisem
V = (d[B]/dt)t 0
Kiiruse ühik ­ M/s (molaarsust sekundis)
Massitoimeseadus ­ reaktsioonikiiruse avaldise koostamine
Massitoimeseadus - keemilise reaktsiooni kiirus on võrdeline reaktsioonist
osavõtvate ainete molaarsete kontsentratsioonide korrutisega, milles
kontsentratsioonide astmenäitajaiks on vastavad stöhhiomeetriakordajad
Vaatame pöörduvat reaktsiooni üldkujul
aA + bB cC + dD
Pärisuunaline reaktsioon ­ paremalt vasakule
V+ = k+ [A]a [B]b
Vastassuunaline reaktsioon ­ vasakult paremale
V- = k- [C]c [D]d
k+ ja k- ­ pärisuunalise ja vastassuunalise reaktsiooni kiiruskonstant
Reaktsiooni järk võrdub kontsentratsioonide astmenäitajate summaga
reaktsioonikiiruse avaldises
· pärisuunaline ­ a + b järku
· vastassuunaline ­ c + d järku
Kiiruskonstandi järk = reaktsiooni järk
Esimest järku pöördumatu reaktsioon
k1
AB Esimest järku reaktsioon
Kiiruse avaldis vastavalt massitoimeseadusele: · ei nõua kokkupõrget
V = d[B]/dt = k1[A] · on molekuli sisemine omadus
k1 ­ kiiruskonstant:
· mida suurem, seda kiirem reaktsioon
· sõltub - temperatuurist ja teistest keskonnatingimustest
· ei sõltu ­ reageerivate ainete kontsentratsioonidest
· ühik ­ sõltub kiiruskonstandi järgust
esimest järku ­ aja pöördväärtus (s-1)
teist järku ­ aja pöördväärtus korda kontsentratsiooni pöördväärtus (s -1M-1)
Produkti moodustumine esimest järku pöördumatus reaktsioonis
k1
AB
Otsime ­ lähteaine või produkti kontsentratsiooni sõltuvust ajast, [A] versus t
V = d[B]/dt = - d[A]/dt
d[A]/[A] = - k1 dt ja ln[A] = - k1 t +
ln([A]/[A]0)= - k1 t
[A] = [A]0 e-kt
Poolestusaeg t1/2 on aeg mille jooksul on pool algsest ainest ära reageerinud
t1/2 = ln2/ k1 = 0,69/k1
Näiteks radioaktiivne lagunemine
· 14
C ­ 5470 aastat
· 32
P ­ 14,3 päeva
Esimest järku pöördumatu reaktsiooni A B analüüs
Teist järku reaktsioon
2A A2
Nõuab kahe molekuli kokkupõrget
V = d[A2]/dt = k2[A]2
k2 - teist järku kiiruskonstant (M-1 s-1)
· Enamik keerulistest biokeemilistest reaktsioonidest toimub läbi
erinevate vaheetappide
· Vaheetapid on vaadeldavad kui esimest või teist järku
reaktsioonid
· Jadareaktsiooni kiiruse määrab kõige aeglasem etapp -
pudelikael
Esimest järku pöörduv reaktsioon - tasakaaluolek
k1
AB
k-1
Saab toimuda ka vastassuunaline reaktsioon (kiiruskonstant k-1)
Pärisuunalise reaktsiooni kiirus:
V = d[B]/dt = k1[A] ­ k-1[B]
Tasakaaluolek on olek, kus pärisuunalise ja vastassuunalise reaktsiooni kiirused
on võrdsed ­ dünaamiline tasakaal
0 = k1[A]eq ­ k-1[B]eq ehk k1[A]eq = k-1[B]eq
[B]eq/[A]eq = k1/k-1 = K
K ­ pärisuunalise reaktsiooni tasakaalukonstant
Vastasuunalise reaktsiooni tasakaalukonstant on alati pärisuunalise reaktsiooni
tasakaalukonstandi pöördväärtuseks
Tasakaaluolek ­ valgu seostumine ligandiga
k1
E + L EL Tasakaalukonstant K = [produktid]/[lähteained]
k-1
Tasakaalukonstant kehtib alati näidatud või nimetatud reaktsiooniskeemi jaoks
Pärisuunaline reaktsioon on ühinemisreaktsioon:
Kass = k1/k-1 = [EL]/[E] [L] ühik ­ M-1
k1
EL E + L Tasakaalukonstant K = [produktid]/[lähteained]
k-1
Pärisuunaline reaktsioon on dissotsiatsioon:
Kd = k-1/k1 = [E] [L]/[EL] ühik ­ M
Kui [L] = Kd (dissotsiatsioonikonstant), siis on pool valku ligandiga kompleksis
Mida väiksem on Kd seda tugevam on seostumine
Tasakaalukonstant K
· Sõltub temperatuurist jt keskonnatingimustest
· Ei sõltu reaktsioonist osavõttvate ainete kontsentratsioonidest
· Kehtib näidatud või nimetatud reaktsiooni suunal ­ päri- ja vastassuunaline
peab olema defineeritud
K = [produktid]/[lähteained], (lähteained all produktid peal)
· Ühik sõltub reaktsiooniskeemist
· Mida suurem, seda suhteliselt kiirem on pärisuunaline reaktsioon
· On kiiruskonstantide suhe
· Ei ütle midagi üksikute kiiruskonstantide väärtuse kohta
· Ei ütle midagi reaktsiooni toimumise kiiruse kohta
· On määratud reaktsiooni lõpp- ja algoleku energeetilise erinevusega (Gº)
Mis määrab kiiruskonstandi
k väärtuse?
· Termodünaamika vastust ei anna ­
käsitleb ainult lõpp- ja algoleku
energeetilist erinevust
· Reaktsiooni tee ­ reaktsiooni kulgu
kirjeldav üldistatud esitusviis
· Üleminekuolek ­ maksimaalse
energiaga olek reaktsiooni teel ­ on
hüpoteetiline olek
· Aktivatsioonienergia (Gº) ­
minimaalne energia, mida molekul peab
omama reaktsiooni läbimiseks ­ on alati
positiivne
· Aktivatsioonienergiat omavate
molekulide kontsentratsioon sõltub Gº
väärtusest
[A] = [A]0 e-Gº/RT
Mida kõrgem aktivatsioonienergia seda väiksem kiiruskonstant
Kiiruskonstant on aktivatsioonienergiaga
seotud
k = Q e-Gº/RT
k = Q eSº/R e-Hº/RT = Q`e-Hº/RT
Q - konstant (s-1)
Aktivatsioonientalpia (Hº)
Aktivatsioonientroopia (Sº)
Aktivatsioonienergiat on võimalik määrata
kiiruskonstandi temperatuurisõltuvusest
ln k = ln Q` - Hº/RT
Arrheniuse teljestik ­ ln k versus 1/T
Joonisel on andmed fumaraadi hüdrataasi
katalüüsitava reaktsiooni kohta
Malaat Fumaraat + H2O
Mida teeb katalüsaator?
Katalüsaator alandab reaktsiooni teel esinevat energeetilist barjääri ­ alandab
aktivatsioonienergiat
Kuidas?
· üleminekuoleku stabiliseerimine
· erinev reaktsiooni tee ­ vaheühend lokaalses energia miinimumis
Tulemus ­ kiiruskonstant kasvab
Katalüsaator ei mõjuta tasakaaluolekut ­ kiireb nii päri- kui vastassuunaline reaktsioon
Katalüüsi mehhanismid
Kuidas ensüüm aktivatsioonienergiat alandab?
1. Üleminekuoleku stabiliseerimine
· elektrostaatiline katalüüs ­ (Arg jt laenguga grupid, kofaktorid)
· üldine happe-aluse katalüüs ­ (His, Asp, Glu jt)
2. Kovalentne katalüüs ­ vaheühendid
· üks kõrge energiabarjäär on asendunud mitme madalamaga (Ser, Cys, His)
· redoksreaktsioonid (kofaktorid s.h. metallid)
3. Substraatide toomine teineteisega "kokku" ­ ensüüm-substraat kompleksi
moodustumine
· üleminekuoleku tekkega ei lähe kaduma liikumisvabadust
· reageerivate molekulide täpne orienteeritus
Katalüüsi mehhanismid
Aktiivtsenter ­ substraatide/produktide sidumise ja katalüüsi toimumise
koht ensüümis
1. Emil Fischer 1894 ­ ensüümi aktiivtsenter on komplementaarne
substraadiga
ensüüm on lukk ja substraat võti ­ seletas ära ensüümide kõrge
spetsiifilisuse
Paraku ei tee lukk võtmega midagi
2. Tänapäeval ­ aktiivtsenter on komplementaarne üleminekuolekuga
Seostumisenergia saab realiseeruda alles pärast üleminekuoleku
moodustumist
Substraat "surutakse" aktiveeritud olekusse
Tõestus ­ ensüümid seovad tugevalt üleminekuoleku analooge
Indutseeritud sobivuse mehhanism
Daniel Koshland 1958 ­ ensüümi aktiivtsenter ei ole algselt
komplementaarne üleminekuolekuga
Substraadi seostumisega indutseeritakse ensüümis
konformatsioonilised muutused ­ tekib komplementaarsus
üleminekuolekuga
Glükoos indutseerib heksokinaasis ulatuslikud
konformatsioonilised muutused
Heksokinaas katalüüsib glükoosi fosforüleerimist
Glükoos + ATP Glükoos-6-fosfaat + ADP
Trioosfosfaadi isomeraas (TPI, TIM)
· glükolüüsiraja ensüüm
· üks perfektsemaid
ensüüme
kcat = 4,3 x 103 s-1
KM(G3P) = 1,8 x 10-5 M
kcat /KM = 2,4 x 108 s-1 M-1
· Reaktsiooni teel esineb
ebastabiilne eenediool
vaheühend
· -tünn struktuuriga
· Katalüütiliselt olulised
His95 ja Glu165
· Aktiivtsentrit katab
mobiilne "kaas"
Trioosfosfaadi isomeraas
His 95 ja Glu 165 ­ üldine happe-aluse katalüüs
Vajalik katalüütiliste gruppide täpne orienteeritus ­ insenergeneetiliselt
muudetud valk Glu165Asp (eemaldus 0,1 nm võrra), on 1000 korda väiksema
aktiivsusega
11 ah jäägi (166 ­ 176) pikkuse "kaane" eemaldamisel langeb aktiivsus 105
korda ­ lekib eenediool vaheühendit (tekib mürgine metüülglüoksaal)
Trioosfosfaadi isomeraas
Lihtsaim reaktsiooniskeem:
Vabaenergia reaktsiooni teel
Seriin proteaasid
Katalüüsivad peptiidsideme hüdrolüüsi valkudes
Suur grupp ensüüme kuhu kuuluvad ka seedensüümid trüpsiin ja kümotrüpsiin
Kõigil seriin proteaasidel on evolutsioonis konserveerunud:
· katalüütiliselt oluline seriinijääk
· katalüütiline triaad ­ Asp-His-Ser
Kümotrüpsiini katalüütiline triaad ­ Asp 102, His 57 ja Ser 195
Seriin proteaasid erinevad substraadi spetsiifilisuse poolest
· trüpsiin ­ positiivse laenguga aminohappejääkide (Arg, Lys) kõrvalt
· kümotrüpsiin ­ hüdrofoobsete aromaatsete aminohappejääkide (Phe) kõrvalt
Kümotrüpsiin
Substraadi polüpeptiidahel seostub vao kujulisse
aktiivtsentrisse ­ järjestusest mittesõltuvalt
Spetsiifilisuse määrab aktiivtsentris paiknev õnarus ehk
"tasku"
· Trüpsiin ­ kitsas ja pikk, põhjas paikneb negatiivne
laeng
· Kümotrüpsiin ­ lühike, lai, hüdrofoobne
Kümotrüpsiin ­ ensüümid kasutavad mitut katalüüsi
mehhanismi korraga
Ser 195 ­ nukleofiil
His 57 ­ üldine
happe-aluse
katalüüs
Asp 102 ­
assisteerib
Esineb ebastabiilne
tetraeedriline
vaheühend
Esineb kovalentne
atsüülensüüm
vaheühend
Ensüümide aktiivsust mõjutavad keskkonnatingimused
aktiivsus
Temperatuur Temperatuuri
optimum on
pH tavaliselt 2540oC
Ioonne jõud
Temperatuuri optimumi kujundab
toopt to
· kiiruskonstandi kasv temperatuuri
tõustes
· ensüümi denaturatsioon
Mõnede ensüümide pH optimumid
koliinesteraas
aktiivsus
pepsiin
Pepsiin magu 1.5
Sahharaas soolestik 6.2
trüpsiin Katalaas maks 7.3
Ribonukleaas pankreas 7.8
Arginaas maks 9.7
Aluseline fosfataas E. coli 9.8
1.5 7.5
pH