Projektowanie Procesów Biotechnologicznych

Transkrypt

1 Projektowanie Procesów Biotechnologicznych wykład 14 styczeń 2014 Kinetyka prostych reakcji enzymatycznych Kinetyka hamowania reakcji enzymatycznych 1

2 Enzymy - substancje białkowe katalizujące przemiany biochemiczne Biokatalizatory białkowe. Kinetyka reakcji enzymatycznych Procesy enzymatyczne Wytwarzane przez żywe komórki organizmów Procesy z zastosowaniem enzymów, zalety: - zwiększają szybkość przemian wielokrotnie o rzędy wielkości. - pozwalają na duże wydajności produktu - nie katalizująreakcji ubocznych - specyficzność substratowa (określony substrat lub grupa substratów wykorzystana w przemianie) - specyficzność funkcyjna, zdolność katalizowania tylko określonej przemiany - reakcje enzymatyczne zachodzą w łagodnych warunkach, ciśnienie atmosferyczne, temperatura C, ph neutralne, środowisko wodne. 2

3 Wady procesów enzymatycznych: - wymagana wysoka czystość substratów, pewne zanieczyszczenia mogą nawet w niewielkich ilościach powodować inhibicję enzymów. - wysoka cena enzymów, ich wydzielanie jest pracochłonne i kosztowne. - mała skala (mikroskala) procesu Kinetyka reakcji enzymatycznych Procesy enzymatyczne Przykłady procesów: 1) produkcja serów - podpuszczka, Christian Hansen (1874), uzyskana z żołądków cieląt. 2) przemysł piwowarski i spirytusowy - amylazy do hydrolizy skrobi na cukry proste. 3

4 Kinetyka reakcji enzymatycznych Prosta reakcja enzymatyczna Prosta reakcja enzymatyczna, zapisana: gdzie: S - substrat P - produkt E - enzym ES - kompleks aktywny substrat-enzym Dwie przemiany: 1 --> tworzenie kompleksu aktywnego 2 --> rozpad kompleksu na produkt i enzym Dwie przemiany odwrotne: -1 --> rozpad kompleksu na substrat i enzym -2 --> tworzenie kompleksu z produktu i enzymu 4

5 Kinetyka reakcji enzymatycznych Prosta reakcja enzymatyczna Szybkości reakcji (z lewej na prawą stronę, czyli "dodatnie" 1 i 2): Stała równowagi dla całej przemiany: 5

6 Stan pseudoustalony zakłada się, Kinetyka reakcji enzymatycznych Prosta reakcja enzymatyczna aby znaleźć rozwiązanie dla r 1 i r 2 wówczas stężenie kompleksu aktywnego przyjmuje się za stałe w czasie, a obie szybkości są sobie równe. Stężenie kompleksu wyrażone jako funkcja całkowitego stężenia enzymu: C E,0 - całkowite stężenie enzymu 6

7 ogólna szybkość przemiany: Kinetyka reakcji enzymatycznych Prosta reakcja enzymatyczna w wielu przypadkach można uprościć proces, przyjmując, że kompleks nie tworzy się z produktu i enzymu, tzn. proces rozpadu kompleksu na produkt i enzym jest nieodwracalny. Eliminujemy k -2 : 7

8 mechanizm Michaelis-Menten: Kinetyka reakcji enzymatycznych Mechanizm Michaelis-Menten szybkość przemiany: gdzie: 8

9 Kinetyka reakcji enzymatycznych Mechanizm Michaelis-Menten zależność szybkości reakcji enzymatycznej od stężenia substratu: 9

10 Kinetyka hamowania reakcji enzymatycznych Hamowanie współzawodniczące hamowanie współzawodniczące (competitive inhibition) - substrat i inhibitor na jedno miejsce C EI - stężenie kompleksu enzymu z inhibitorem 10

11 Stan pseudoustalony: Kinetyka hamowania reakcji enzymatycznych Hamowanie współzawodniczące - przyjęte, że zmiana stężenia kompleksu EI w czasie jest zerowa. C E,0 = C E + C ES + C EI 11

12 Kinetyka hamowania reakcji enzymatycznych Hamowanie niewspółzawodniczące hamowanie niewspółzawodniczące (noncompetitive inhibition) - brak powinowactwa do miejsca aktywnego - przyłączanie się do kompleksu aktywnego szybkość przemiany (stan pseudoustalony): 12

13 Projektowanie Procesów Biotechnologicznych Kartkówka Kartkówka 13

14 Imię Nazwisko! Nr albumu! Pytanie: Dla punktu A (kolor czerwony) na wykresie, który przedstawia w jakim miejscu znajduje się rozpatrywany proces, podaj: a) wydajność biomasy w % b) co jest wybranym produktem procesu? c) wydajność wybranego produktu w % d) które ograniczenie spośród trzech jest w tym procesie decydujące? e) Czy podane w (a) i (c) wydajności są: - masowe? - molowe? - węglo-molowe? Projektowanie Procesów Biotechnologicznych Kartkówka 14