- substancja, której mała ilość przyspiesza reakcję chemiczną i która nie ulega przy tym zużyciu

Podobne dokumenty
Ćwiczenie nr 3 Kinetyka enzymatyczna

Sprawozdzanie z ćwiczenia nr 3 - Kinetyka enzymatyczna

Biochemia Ćwiczenie 4

KINETYKA REAKCJI ENZYMATYCZNYCH

data ĆWICZENIE 8 KINETYKA RERAKCJI ENZYMATYCZNEJ Wstęp merytoryczny

3. Badanie kinetyki enzymów

Właściwości kinetyczne fosfatazy kwaśnej z ziemniaka

Laboratorium 5. Wpływ temperatury na aktywność enzymów. Inaktywacja termiczna

Ćwiczenie 14. Maria Bełtowska-Brzezinska KINETYKA REAKCJI ENZYMATYCZNYCH

BADANIE WŁASNOŚCI KOENZYMÓW OKSYDOREDUKTAZ

Kinetyka reakcji hydrolizy sacharozy katalizowanej przez inwertazę

Przemiana materii i energii - Biologia.net.pl

KREW: 1. Oznaczenie stężenia Hb. Metoda cyjanmethemoglobinowa: Zasada metody:

Imię i nazwisko studenta... nr grupy..

Ćwiczenie IX KATALITYCZNY ROZKŁAD WODY UTLENIONEJ

Odczynniki. dzieląc zmierzoną absorbancję przez współczynnik absorbancji dla 1µg p-nitrofenolu

KINETYKA HYDROLIZY SACHAROZY

Repetytorium z wybranych zagadnień z chemii

Ćwiczenie 8 Wyznaczanie stałej szybkości reakcji utleniania jonów tiosiarczanowych

Kinetyka chemiczna jest działem fizykochemii zajmującym się szybkością i mechanizmem reakcji chemicznych w różnych warunkach. a RT.

Reakcje enzymatyczne. Co to jest enzym? Grupy katalityczne enzymu. Model Michaelisa-Mentena. Hamowanie reakcji enzymatycznych. Reakcje enzymatyczne

1 Kinetyka reakcji chemicznych

Enzymologia I. Kinetyka - program Gepasi. Uniwersytet Warszawski Wydział Biologii Zakład Regulacji Metabolizmu

KINETYKA REAKCJI ENZYMATYCZNYCH Wyznaczenie stałej Michaelisa i maksymalnej szybkości reakcji hydrolizy sacharozy katalizowanej przez inwertazę.

KINETYKA HYDROLIZY SACHAROZY (REAKCJA ENZYMATYCZNA I CHEMICZNA)

ĆWICZENIE 3. Farmakokinetyka nieliniowa i jej konsekwencje terapeutyczne na podstawie zmian stężenia fenytoiny w osoczu krwi

Laboratorium 4. Określenie aktywności katalitycznej enzymu. Wprowadzenie do metod analitycznych. 1. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

Mechanizmy działania i regulacji enzymów

Ćwiczenie 7. Wyznaczanie stałej szybkości oraz parametrów termodynamicznych reakcji hydrolizy aspiryny.

1. Oznaczanie aktywności lipazy trzustkowej i jej zależności od stężenia enzymu oraz żółci jako modulatora reakcji enzymatycznej.

KINETYKA INWERSJI SACHAROZY

Odwracalność przemiany chemicznej

Przedmiot: Chemia budowlana Zakład Materiałoznawstwa i Technologii Betonu

KI + Pb(NO 3 ) 2 PbI 2 + KNO 3. fermentacja alkoholowa

d[a] = dt gdzie: [A] - stężenie aspiryny [OH - ] - stężenie jonów hydroksylowych - ] K[A][OH

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNYCH. ILOŚCIOWE ZBADANIE SZYBKOŚCI ROZPADU NADTLENKU WODORU.

Biochemia Ćwiczenie 7 O R O P

PRACOWNIA CHEMII. Kinetyka reakcji chemicznych (Fiz1)

Projektowanie Procesów Biotechnologicznych

1. Zaproponuj doświadczenie pozwalające oszacować szybkość reakcji hydrolizy octanu etylu w środowisku obojętnym

Enzymy katalizatory biologiczne

OZNACZANIE ŻELAZA METODĄ SPEKTROFOTOMETRII UV/VIS

Kinetyka reakcji chemicznych. Dr Mariola Samsonowicz

LABORATORIUM Z KATALIZY HOMOGENICZNEJ I HETEROGENICZNEJ WYZNACZANIE STAŁEJ SZYBKOŚCI REAKCJI UTLENIANIA POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY

KI + Pb(NO 3 ) 2 PbI 2 + KNO 3. fermentacja alkoholowa

fermentacja alkoholowa erozja skał lata dni KI + Pb(NO 3 ) 2 PbI 2 + KNO 3 min Karkonosze Pielgrzymy (1204 m n.p.m.)

Materiał powtórzeniowy do sprawdzianu - reakcje egzoenergetyczne i endoenergetyczne, szybkość reakcji chemicznych

Badanie aktywności enzymów z klasy oksydoreduktaz. Oznaczenie witaminy C

Krew należy poddać hemolizie, która zachodzi pod wpływem izotonicznego odczynnika Drabkina.

X / \ Y Y Y Z / \ W W ... imię i nazwisko,nazwa szkoły, miasto

data ĆWICZENIE 7 DYSTRYBUCJA TKANKOWA AMIDOHYDROLAZ

EFEKT SOLNY BRÖNSTEDA

Spektroskopia molekularna. Ćwiczenie nr 1. Widma absorpcyjne błękitu tymolowego

Badanie kinetyki katalitycznego rozkładu H 2 O 2

Oznaczanie mocznika w płynach ustrojowych metodą hydrolizy enzymatycznej

TEST PRZYROSTU KOMPETENCJI Z CHEMII DLA KLAS II

relacje ilościowe ( masowe,objętościowe i molowe ) dotyczące połączeń 1. pierwiastków w związkach chemicznych 2. związków chemicznych w reakcjach

Wykład 2. Kinetyka reakcji enzymatycznych.

Bliskie spotkania z biologią METABOLIZM. dr hab. Joanna Moraczewska, prof. UKW. Instytut Biologii Eksperymetalnej, Zakład Biochemii i Biologii Komórki

erozja skał lata KI + Pb(NO 3 ) 2 PbI 2 + KNO 3 min Karkonosze Pielgrzymy (1204 m n.p.m.)

Ćwiczenie nr 5 - Reaktywne formy tlenu

CHEMIA. Wymagania szczegółowe. Wymagania ogólne

Bliskie spotkania z biologią METABOLIZM. dr hab. Joanna Moraczewska, prof. UKW. Instytut Biologii Eksperymetalnej, Zakład Biochemii i Biologii Komórki

VI Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2013/2014

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

Zagadnienia do pracy klasowej: Kinetyka, równowaga, termochemia, chemia roztworów wodnych

1. Stechiometria 1.1. Obliczenia składu substancji na podstawie wzoru

Kinetyka. Kinetyka. Stawia dwa pytania: 1)Jak szybko biegną reakcje? 2) W jaki sposób przebiegają reakcje? energia swobodna, G. postęp reakcji.

Enzymologia SYLABUS A. Informacje ogólne

KATALITYCZNY ROZKŁAD WODY UTLENIONEJ

Kinetyka. energia swobodna, G. postęp reakcji. stan 1 stan 2. kinetyka

Zadanie 2. (1 pkt) Uzupełnij tabelę, wpisując wzory sumaryczne tlenków w odpowiednie kolumny. CrO CO 2 Fe 2 O 3 BaO SO 3 NO Cu 2 O

Węglowodory poziom podstawowy

VIII Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2015/2016

Inżynieria Środowiska

Wydział Chemiczny Politechniki Gdańskiej Katedra Technologii Leków i Biochemii

a) hydroliza octanu n-butylu b) hydroliza maślanu p-nitrofenylu 4/7 O O PLE bufor ph 7,20 OH H 2 aceton O PLE O N O N O bufor ph 7,20 acetonitryl

SZYBKOŚĆ REAKCJI JONOWYCH W ZALEŻNOŚCI OD SIŁY JONOWEJ ROZTWORU

Laboratorium 8. Badanie stresu oksydacyjnego jako efektu działania czynników toksycznych

Ćwiczenie 14 i 15. zjazd 2 ćwiczenie nr 2 dla e-rolnictwa

Zadanie 2. [2 pkt.] Podaj symbole dwóch kationów i dwóch anionów, dobierając wszystkie jony tak, aby zawierały taką samą liczbę elektronów.

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Wpływ stężenia kwasu na szybkość hydrolizy estru

Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak

RÓWNOWAGI REAKCJI KOMPLEKSOWANIA

WŁASNOŚCI SPEKTRALNE NUKLEOTYDÓW PIRYDYNOWYCH (NAD +, NADP + ) OZNACZANIE AKTYWNOŚCI TRANSAMINAZY ALANINOWEJ

Podstawowe prawa opisujące właściwości gazów zostały wyprowadzone dla gazu modelowego, nazywanego gazem doskonałym (idealnym).

Procentowa zawartość sodu (w molu tej soli są dwa mole sodu) wynosi:

Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

Temat 7. Równowagi jonowe w roztworach słabych elektrolitów, stała dysocjacji, ph

data ĆWICZENIE 12 BIOCHEMIA MOCZU Doświadczenie 1

imię i nazwisko, nazwa szkoły, miejscowość Zadania I etapu Konkursu Chemicznego Trzech Wydziałów PŁ V edycja

Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej Uniwersytet Łódzki ul.tamka 12, Łódź

Oznaczanie aktywności proteolitycznej trypsyny metodą Ansona

Kwas HA i odpowiadająca mu zasada A stanowią sprzężoną parę (podobnie zasada B i kwas BH + ):

CEL ĆWICZENIA: Zapoznanie się z przykładową procedurą odsalania oczyszczanych preparatów enzymatycznych w procesie klasycznej filtracji żelowej.

HODOWLA PERIODYCZNA DROBNOUSTROJÓW

CHARAKTERYSTYKI SPEKTRALNE UTLENIONEJ I ZREDUKOWANEJ FORMY CYTOCHROMU C

a) jeżeli przedstawiona reakcja jest reakcją egzotermiczną, to jej prawidłowy przebieg jest przedstawiony na wykresie za pomocą linii...

Transkrypt:

Ćwiczenie nr 3 Enzymy klasyfikacja; peroksydaza, reakcja katalizowana; peroksydaza chrzanowa; oznaczanie katalitycznej aktywności; denaturacja/renaturacja, kinetyka reakcji 0- i I- rzędu oraz obliczanie szybkości początkowej (v0) reakcji; kataliza i katalizatory; kinetyka reakcji katalizowanej działaniem enzymów; równanie i wykres Michaelisa- Menten; równanie i wykres Lineweavera-Burka; obliczanie stałych szybkości reakcji oraz stałych katalitycznych: (Km dla nadtlenku wodoru), kkat=vmax/[e], katalityczna skuteczność enzymu=kkat/km); aktywatory i inhibitory enzymów; regulacja katalitycznej aktywności enzymów (kowalencyjna i niekowalencyjna). Celem ćwiczenia jest: omówienie peroksydaz i metod oznaczania katalitycznej aktywności peroksydaz omówienie procesu odwracalnej i nieodwracalnej denaturacji i renaturacji białek analiza kinetyki reakcji katalizowanej działaniem peroksydazy chrzanowej o o o obliczanie szybkości początkowej (v 0) reakcji I rzędu z parametrów stycznej do krzywej kinetycznej (krzywej postępu reakcji, krzywej progresji) dla kilku stężeń nadtlenku wodoru ([H 2O 2] 0), przy stałym stężeniu gwajakolu (drugiego substratu reakcji), przy stałym stężeniu enzymu oraz w stałych warunkach reakcji (temperatura, ph i skład buforu) model Michaelisa-Menten i równanie hiperboli; stała powinowactwa enzymsubstrat Michaelisa (K m) dla nadtlenku wodoru, przy stałym stężeniu gwajakolu i enzymu oraz szybkość maksymalna reakcji (V max) w danych warunkach obliczanie stałych katalitycznych z równania Lineweavera-Burka: K m i V max oraz liczby obrotów (k kat = V max/[e] o) i katalitycznej skuteczności enzymu (k kat/k m), przy znanym stężeniu peroksydazy 1. Definicja katalizatora IUPAC, 1972 - substancja, której mała ilość przyspiesza reakcję chemiczną i która nie ulega przy tym zużyciu - substancję, która z substratami tworzy kompleks aktywny o niższej energii aktywacji niż kompleks bez tej substancji Katalizator bierze udział w reakcji katalizowanej, tworząc kompleks typu kowalencyjnego lub niekowalencyjnego, o niższej energii aktywacji dla reakcji bez katalizatora nie zużywa się w trakcie reakcji katalizowanej nie może przeprowadzić reakcji termodynamicznie niemożliwej nie zaburza równowagi reakcji katalizowanej (nie zmienia stałej równowagi reakcji, K) skraca czas osiągnięcia równowagi reakcji 2. Biokatalizatory a. Enzymy białka naturalne lub modyfikowane b. Rybozymy RNA i DNA (kw. rybo- i dezoksyrybonukleinowy) c. Abzymy przeciwciała posiadające aktywność katalityczną 1

d. Synzymy związki syntetyczne (takie biopolimery jak: oligonukleotydy i oligopeptydy, syntetyczne makrocząsteczki) 3. Enzymy, czyli białkowe biokatalizatory Enzymy są białkami zdolnymi do katalizowania reakcji chemicznych. Miarą katalitycznej aktywności enzymu jest szybkość reakcji katalizowanej. Możliwości katalityczne enzymów wynikają ze zdolności do specyficznego wiązania cząsteczki substratu i stabilizacji stanu przejściowego. Enzymy mogą być zbudowane z pojedyńczego łańcucha polipeptydowego (np. rybonukleaza) lub z kilku łańcuchów polipeptydowych (chymotrypsyna, fosforylaza glikogenowa), połączonych kowalencyjnie lub niekowalencyjnie. Mogą wymagać obecności koenzymów, tak jak aminotransferazy wymagają obecności fosforanu pirydoksalu, dehydrogenazy NAD + lub FAD, zaś kinazy - cząsteczki ATP. Niekiedy powstaje multienzymatyczny kompleks zbudowany z wielu enzymów i ich koenzymów, wspólnie katalizujących reakcję (np. kompleks dehydrogenazy pirogronianowej zbudowany z trzech rodzajów białek, każdy ze swoim koenzymem, z dwoma dodatkowymi koenzymami i dwoma białkami enzymatycznymi regulującymi katalityczną aktywność kompleksu). Enzym może mieć kilka centrów aktywnych w jednym łańcuchu polipeptydowym (polimeraza DNA z E. coli, syntetaza kwasów tłuszczowych ssaków). Centrum aktywne enzymu to fragment powierzchni zbudowany z kilku reszt aminokwasowych. Związany może być w tym miejscu koenzym lub inny niebiałkowy kofaktor współpracujący z częścią białkową, np. jon metalu. Enzymy są niezwykle skutecznymi katalizatorami, w porównaniu do katalizatorow niebiałkowych: katalizują w warunkach umiarkowanych (ciśnienie atmosferyczne, temperatura umiarkowana poniżej 473 K, obojętne ph) i przyspieszają reakcję 10 6 do 10 18 razy! Wykazują specyficzność względem substratu reakcji, specyficzność geometryczną oraz stereospecyficzność (wybierają tylko jeden ze stereoizomerów substratu/produktu). Nie powstają produkty uboczne. Katalityczna aktywność enzymów może być hamowana działaniem inhibitorów lub aktywowana działaniem aktywatorów. Aktywatory i inhibitory dzielimy na odwracalne i nieodwracalne. Inhibitory odwracalne dzielimy na kompetycyjne, niekompetycyjne i analogi stanu pośredniego. Inhibitory nieodwracalne dzielimy na niespecyficzne i specyficzne, a te ostatnie na skierowane na centrum aktywne i substraty-samobojcy. Katalityczna aktywność niektórych enzymów może być regulowana w wyniku modyfikacji kowalencyjnej (np. fosforylacja/defosforylacja) lub niekowalencyjnej (kooperacja i allosteria). 4. Denaturacja Denaturacja białka to obniżenie właściwości biologicznych białka. Proces odwrotny, czyli odzyskanie/zwiekszenie właściwości biologicznych nazywamy renaturacją. Denaturacja, jak i renaturacja, mogą być procesami odwracalnymi, jak i nieodwracalnymi. Czynniki powodujące denaturację to czynniki denaturujące. Do czynników denaturujących należą czynniki chemiczne: środowisko kwaśne lub środowisko alkaliczne (denaturacja kwaśna lub alkaliczna), mocznik i chlorowodorek guanidyny, detergenty, sole metali ciężkich, alkohol, aceton oraz czynniki fizyczne: wysoka temperatura (denaturacja termiczna), promieniowanie, ultradźwięki. Na aktywność enzymu (czyli szybkość reakcji katalizowanej) mają wpływ czynniki: temperatura, ph i skład buforu, siła jonowa roztworu, obecność aktywatorów i inhibitorów. 2

5. Peroksydazy Peroksydazy (EC 1.11.1.1-14) to grupa enzymów należących do klasy oksydoreduktaz (klasa 1) przenoszących 2 atomy wodoru, czyli katalizujących utlenianie (odwodorowanie) niektórych związków organicznych (AH 2), takich jak aminy aromatyczne, fenole, indol i kwas moczowy, z równoczesną redukcją nadtlenku wodoru do wody, według schematu: A H 2 +H 2 O 2 A + 2 H 2 O Donorem wodoru (elektronów) jest cząsteczka substratu (AH 2), zaś akceptorem wodoru (elektronów) - cząsteczka nadtlenku wodoru (H 2O 2). Peroksydazy niespecyficzne (np. HRP - ang. horseradish peroxidase - peroksydaza chrzanowa - o masie cząsteczkowej 44 kda) są hemoproteinami z jonem Fe +3 hemu, nie zmieniającym stopnia utlenienia. Peroksydazy specyficzne wybierają donor wodoru (np. peroksydaza cytochromowa, glutationowa, NADH, NADPH). Roślinnym źródłem peroksydazy jest sok chrzanowy, natomiast u zwierząt, enzym ten występuje w wątrobie oraz w krwinkach białych. 6. Peroksydaza chrzanowa Podczas ćwiczeń, peroksydaza chrzanowa katalizuje reakcję utleniania bezbarwnego gwajakolu do barwnego tetragwajakolu (λ max = 470 nm), z równoczesną redukcją nadtlenku wodoru do wody: OCH 3 OCH 3 OCH 3 OH O O 4 + 4 H 2 O 2 + 8 H 2 O O O OCH 3 OCH 3 gwajakol tetragwajakol (TG) Obecność katalitycznej aktywności peroksydazy chrzanowej w badanej próbie wykazuje się jakościowo poprzez obserwację pojawienia się produktu reakcji, tetragwajakolu (TG) o barwie ciemnowiśniowej, zgodnie z powyższą reakcją. 7. Denaturacja peroksydazy soku chrzanowego Katalityczną aktywność peroksydazy znajdującej się w soku chrzanowym można obniżyć działaniem czynników chemicznych i fizycznych. Wynik jakościowego testu aktywności peroksydazowej (powstanie barwnego TG) pozwoli określić czy dany czynnik powoduje częściową, czy też całkowitą utratę zdolności katalitycznych enzymu. 8. Oznaczania katalitycznej aktywności peroksydazy Miarą katalitycznej aktywności enzymów jest prędkość reakcji katalizowanej 3

Pomiar katalitycznej aktywności peroksydazy chrzanowej opiera się na ciągłym (kinetycznym) spektrofotometrycznym pomiarze absorbancji powstającego TG przy długości fali 470 nm. Stężenie utworzonego barwnego tetragwajakolu (TG) oblicza się w oparciu o prawo Lamberta-Beera. Współczynnik absorbancji milimolowej tetragwajakolu (ε) przy długości fali 470 nm wynosi 26,6 mm -1 cm -1. 9. Prawo Lamberta-Beera A = ε c l gdzie: ε - współczynnik absorbancji molowej (M -1 cm -1 ), A - absorbancja próby, c - stężenie próby (M), l - grubość kuwety (1 = 1 cm) 10. Reakcja chemiczna i jej prędkość k+1 dla reakcji A P prędkość reakcji (v) - zmiana stężenia reagentów (substratów lub produktów) w czasie, wyrażona w [M s -1 ]; k +1 stała szybkości reakcji (s -1 )) v = d[p]/dt = - d[a]/dt = - k +1 [A] 11. Prędkość reakcji chemicznej zależy od: A k+1 P - temperatury T (k - stała szybkości reakcji, zależy od temperatury zgodnie z równaniem Arrheniusa: k = B e Ea/RT ; E a - energia aktywacji; B współczynnik proporcjonalności) - stężenia reagujących substancji (c) v = k(t) f(c) W warunkach izotermicznych (T=const), prędkość reakcji chemicznej, jest jedynie funkcją stężenia substratów: v = k f(c) Prędkość reakcji jest proporcjonalna do iloczynu stężeń substratów, podniesionych do odpowiednich potęg (n), wynikających z liczby cząsteczek danego związku biorących udział w tym procesie: v = k c n (n - rząd reakcji) Dla reakcji 0-go rzędu obserwuje się poziomą krzywą zależności prędkości początkowej reakcji v o od początkowego stężenia substratu [A] o: v = k c 0 = k Dla reakcji I rzędu zależność prędkości początkowej reakcji v 0 od początkowego stężenia substratu reakcji [A] 0 jest wprost proporcjonalna: v = k c A 4

12. Obliczanie prędkości początkowej (v o) reakcji I-rzędu Prędkość reakcji I rzędu zmienia się w czasie przebiegu reakcji: prędkość spada w trakcie przebiegu reakcji, na skutek zużywania się reagentów. Najwyższa prędkość, nazywana prędkością początkową (v o), jest w czasie t =0. Prędkość początkowa reakcji I rzędu (v o) jest obliczana jest matematycznie z parametrów stycznej do krzywej kinetycznej (progresji, postępu reakcji) w punkcie, gdy gdy t = 0. Jest równa tangensowi kąta między styczną a osią czasu (y/x) w tym punkcie. Jedynie w czasie t=0 znamy stężenia substratów reakcji ([A] o). Prędkość ta jest różna od wyznaczonej wprost z krzywej kinetycznej i dlatego nie powinno się jej tak wyznaczać. Procedura obliczeń v o dla każdej mieszaniny inkubacyjnej, z użyciem kalkulatora (z logarytmami naturalnymi, ln) lub w programie Excel, przygotowana jest w tabelach. Krzywe kinetyczne zmian stężeń produktu P ([P]) w funkcji czasu reakcji I rzedu, dla 4 stężeń początkowych substratu ([S1] do [S4]). Widoczna jest styczna do krzywej 4-tej, pozwalająca na obliczenie vo, przy tym stężeniu substratu. 13. Kinetyka reakcji katalizowanej enzymatycznie Poniższy schemat opisuje reakcję zachodzącą pomiędzy 1 cząsteczką enzymu i 1 cząsteczką substratu, z utworzeniem kompleksu ES, który następnie rozpada się z utworzeniem cząsteczki produktu i odtworzeniem cząsteczki enzymu: E + S ES E + P k +1 k +2 k -1 (1.1) gdzie S, E, P i ES oznaczają kolejno reagenty reakcji: substrat, enzym, produkt i kompleks enzym-substrat (kompleks przejściowy lub aktywny), zaś k +1, k -1 i k +2 to stałe szybkości reakcji w prawo lub w lewo. Enzym jest zdolny do specyficznego wiązania reagentów (substratów) w centrum aktywnym. Umożliwia on substratom zbliżenie i ułożenie się w optymalnej orientacji, zwiększając prawdopodobieństwo utworzenia stabilnego, kowalencyjnego lub niekowalencyjnego, kompleksu pośredniego ES (stanu przejściowego). Leonor Michaelis i Maude Menten (1913) założyli, że reakcja enzymatyczna przebiega z utworzeniem kompleksu pośredniego enzym-substrat ES, który znajduje się w stanie szybko ustalającej się równowagi z substratem. Ten stan równowagi nie jest zaburzany przez dużo powolniejszy rozpad kompleksu ES na enzym i produkt. W warunkach początkowych reakcji enzymatycznej, gdy stężenie produktu jest niewielkie, można pominąć odtwarzanie kompleksu ES z produktu, i uważać reakcję za nieodwracalną. 5

Rozwiązując układ równań różniczkowych, określających szybkość zmian stężenia reagentów i wszystkich form enzymu, uzyskujemy wzór na szybkość początkową reakcji (v o) w prawo w stanie stacjonarnym (gdy ubywa S, przybywa P. przy zachowaniu [ES] = const.), nazywane równaniem Michaelisa-Menten (1.2), opisujące hiperboliczną krzywą wysycenia enzym-substrat, która jest przedstawiona graficznie na rysunku poniżej. Równanie Michaelisa-Menten (1.2) wyraża zależność między prędkością początkową reakcji katalizowanej enzymatycznie (v 0), a początkowymi stężeniami reagentów: substratu [S] 0 oraz enzymu [E] 0: Vmax [S] 0 v0= [S] 0 + Km kkat [E] 0 [S] Km +[S] 0 0 (1.2) A. Prędkość początkowa reakcji katalizowanej enzymatycznie (v 0) jest wprost proporcjonalna (reakcja I-rzędu) do stężenia enzymu, przy wysokim stężeniu substratu (czyli gdy stężenie substratu jest co najmniej 5 razy wyższe niż K m): v 0 k [E] 0 B. Prędkość początkowa reakcji katalizowanej (v 0) zależy hiperbolicznie od początkowego stężenia substratu ([S] o), przy stałym stężeniu enzymu. Hiperbola Michaelisa-Menten lub krzywa wysycenia enzymu-substratem (izoterma sorpcji Langmuira) przedstawia graficznie równanie Michaelisa-Menten (poniżej). Krzywa Michaelisa-Menten lub krzywa wysycenia enzymu-substratem Wartości prędkości początkowych reakcji (v o) wzrastają asymptotycznie do wartości V max, gdy początkowe stężenie substratu ([S] o) zmierza do nieskończoności; równocześnie rząd reakcji zmienia się z I-go (gdy [S] 0 0) do 0-go (gdy [S]o ). W równaniu Michaelisa-Menten (1.2) występują dwie stałe katalityczne reakcji: - stała Michaelisa K m k + 2 k - 1 K = (1.3) m k + 1 - stała katalityczna k kat(liczba obrotów) k kat = k +2 Stała Michaelisa K m jest miarą powinowactwa enzymu do substratu. Wartość liczbowa stałej Michaelisa (K m) odpowiada takiemu stężeniu substratu (M), przy którym początkowa szybkość reakcji katalizowanej jest równa połowie szybkości maksymalnej, v o = ½ V max. Stała Michaelisa K m wyrażana jest w M, czyli mol/l. 6

Wartość stałej Michaelisa (K m) obliczamy matematycznie z parametrów hiperboli Michaelisa-Menten (1.2), lub z parametrów prostej Lineawevera-Burka. Stała katalityczna k kat (liczba obrotów) określa maksymalną reaktywność enzymu, czyli określa ilość cząsteczek substratu przetwarzanych przez 1 cząsteczkę enzymu (lub 1 centrum aktywne enzymu) w ciągu 1 sekundy, w warunkach gdy enzym jest całkowicie wysycony substratem (czyli, gdy stężenie substratu ([S] o) jest co najmniej pięciokrotnie wyższe niż wartość stałej Michaelisa (K m)). Stała katalityczna (k kat) wyrażona jest w s -1 dla czystych homogennych enzymów, o znanym stężeniu molowym. Wartość stałej katalitycznej (k kat), liczby obrotów, obliczamy ze wzoru (1.4), jako iloraz wyznaczonej wartości prędkości maksymalnej reakcji V max wyrażoną w M s -1 (która nie jest stałą, gdyż jest proporcjonalna do stężenia enzymu w próbie) i molowego stężenia enzymu [E] 0 V [E] max k kat = = k (1.4) + 2 0 Katalityczna skuteczność enzymu (wyrażona w M -1 s -1 ), lub wydajność katalityczna enzymu (enzyme catalytic efficiency - ang.) określa perfekcję katalityczną enzymu i oblicza przez podzielenie obu stałych: k kat i K m: Katalityczna skuteczność = k kat/k m Perfekcję kinetyczną osiągają enzymy, gdy wartość skuteczności mieści się w granicach od 10 8 do 10 9 M -1 s -1. Wielkość ta ograniczona jest jedynie szybkością dyfuzji cząsteczek substratu do cząsteczek enzymu. Katalityczna aktywność enzymu przy danym stężeniu substratu zależy zatem od: powinowactwa enzymu do substratu, które liczbowo określa stała Michaelisa K m reaktywności, którą liczbowo wyraża liczba obrotów, stała katalityczna k kat 14. Obliczanie stałych katalitycznych reakcji katalizowanej działaniem enzymów Z hiperbolicznego wykresu Michaelisa-Menten nie można graficznie wyznaczyć wartości stałej Michaelisa K m oraz prędkości maksymalnej reakcji enzymatycznej V max, a z nich k kat i katalitycznej skuteczności enzymu. Należy natomiast zastosować jedną z metod obliczeń matematycznych: dopasowanie hiperboli do punktów eksperymentalnych (par wartości v o i [S] 0), z użyciem programu komputerowego (SigmaPlot, Simfit, EzFit i inne) matematyczne obliczanie parametrów prostej metodą najmniejszych kwadratów (z użyciem kalkulatora lub programu Excel) po linearyzacji równania hiperboli (metodą Lineweavera-Burka, Eadie-Hofstee, Haynesa, Scatcharda lub Hilla) Najczęściej stosowaną w enzymologii metodą linearyzacji równania Michaelisa- Menten, pozwalającą na wyznaczenie V max oraz stałych K m, k kat i katalitycznej skuteczności, jest metoda Lineweavera-Burka. Metoda polega na matematycznym przekształceniu (odwróceniu) równania hiperboli Michaelisa Menten (1.2) z utworzeniem równania Lineweavera-Burka (1.5), opisującego linię prostą y = a x + b. 1 1 Km 1 (1.5) Vmax Vmax [ S] 0 v0 7

Wykres prostej Lineweavera-Burka PROCEDURA 1. Denaturacja peroksydazy soku chrzanowego Przygotuj 6 małych probówek szklanych, podpisz (1-6) i napełnij według tabeli poniżej. Nr próby Nazwa próby Sok chrzanowy 0,9% NaCl 2M NaOH 2M HCl 8M mocznik [mg] 1 Ślepa 0 1 0 0 0 2 Kontrolna 0.5 0.5 0 0 0 3 Działanie temperatury 0.5 0.5 0 0 0 4 Działanie zasady 0.5 0 0.5 0 0 5 Działanie kwasu 0.5 0 0 0.5 0 6 Działanie 8 M mocznika 0.5 0 0 0 600 Probówkę nr 3 umieść na ok. 10 min we wrzącej łaźni wodnej. Doprowadź, lekko ogrzewając (maksymalne do ok. 30 o C), do rozpuszczenia mocznika w próbówce nr 6 i pozostaw w temperaturze pokojowej na 30 min. Sprawdź aktywność katalityczną roztworów (1-6), wykonując dla każdego z nich (1-6 ) test na aktywność peroksydazową: Próba 3% H2O2 0,02 M guajakol Objętość próby 1 Obj. próby 2 Obj. próby 3 [cm] Obj. próby 4 Obj. próby 5 Obj. próby 6 1 0,5 0,1 0,1 2 0,5 0,1 0,1 3 0,5 0,1 0,1 4 0,5 0,1 0,1 5 0,5 0,1 0,1 6 0,5 0,1 0,1 8

W sprawozdaniu przedstaw wyniki i ich interpretacje. Jakie czynniki denaturujące znalazłeś? 2. Wyznaczenie stałych katalitycznych reakcji katalizowanej działaniem peroksydazy chrzanowej A. Przygotowanie mieszanin inkubacyjnych Tabela A Mieszanina inkubacyjna 0.01 M bufor fosforanowy ph 6.5 [ml] 0.02 M gwajakol w buforze [ml] 1 mm H 2O 2 w buforze [ml] M1 2.4 3 0.6 M2 1.8 3 1.2 3M 1.2 3 1.8 M4 0.6 3 2.4 M5 0.0 3 3 Stężenie H 2O 2 w mieszaninie [mm] a. W 5 probówkach przygotuj mieszaniny inkubacyjne M1 do M5, według tabeli A (i podpisz je) o identycznym stężeniu gwajakolu oraz enzymu, ale różniące się początkowym stężeniem H 2O 2 ([H 2O 2] o). Będziemy wyznaczać v o reakcji mieszanin M1 do M5, przy różnym stężeniu [H 2O 2] o, celem uzyskaniu zależności Michaelisa- Menten oraz wyznaczenia stałej powinowactwa peroksydazy do nadtlenku wodoru, Km. b. Uzupełnij tabelę A wpisując w ostatniej kolumnie obliczone stężenie nadtlenku wodoru w każdej z mieszanin inkubacyjnych, czyli początkowe stężenie tego substratu reakcji katalizowanej ([H 2O 2] o). c. Odpipetuj po 2.5 ml każdej mieszaniny inkubacyjnej M5 do M1 do dwu kuwet, dla pomiaru absorbancji tetragwajakolu (TG) powstającego w czasie reakcji katalizowanej, w spektrofotometrze dwuwiązkowym. B. Spektrofotometryczny pomiar stężenia produktu reakcji, tetragwajakolu (TG) przeprowadzony podczas reakcji katalizowanej enzymatycznie, kolejno w mieszaninach M5 do M1 (w tej kolejności!) a. Przygotuj spektrofotometr do pomiarów kinetyki reakcji (przez 3 minuty, przy długości fali 470 nm i odczycie co 30 sekund) b. Do spektrofotometru wstaw parę kuwet ( pomiarową i ślepą ) z jedną z mieszanin inkubacyjnych (zacznij od M5!) i wyzeruj spektrofotometr c. Aby rozpocząć reakcję enzymatyczną, do mieszaniny w kuwecie dodaj 50 µl roztworu enzymu (peroksydazy chrzanowej), NATYCHMIAST wymieszaj mieszadełkiem, zamknij klapę aparatu i przyciskiem START rozpocznij pomiar absorbancji (staraj się te czynności wykonać jak najszybciej) d. Po zakończeniu pomiaru, odczytane wartości absorbancji TG dla próby M5 wpisz na brudno do tabeli w zeszycie, a następnie po odjęciu wartości próby o czasie 0 : - wpisz do Tabeli 1 w sprawozdaniu 9

(gdy parametry stycznej do krzywej kinetycznej dla obliczenia prędkość początkową reakcji dla kolejnych prób będziesz obliczał z użyciem programu komputerowego Excel) - lub wpisz do Tabel 1A do 1E w sprawozdaniu (gdy parametry stycznej do krzywej kinetycznej dla obliczenia prędkość początkową reakcji dla kolejnych prób będziesz obliczał z użyciem przygotowanych tablic) e. Przeprowadź reakcję z pozostałymi 4 mieszaninami inkubacyjnymi (M4, M3, M2, M1) i wpisz odczytane wartości absorbancji najpierw na brudno, a następnie po odjęciu wartości próby w czasie 0, postępuj jak z próbą M5 C. Wykonaj obliczenia prędkości początkowej reakcji katalizowanej (v o) dla 5 mieszanin inkubacyjnych M1 do M5, o różnym stężeniu nadtlenku wodoru, ale stałym stężeniu gwajakolu i enzymu (Tabela 1 lub 1A do 1E) i wpisz do tabeli Michaelisa-Menten, a następnie przelicz je i wpisz do Tabeli Linaewevera-Burka. D. Oblicz stałe katalityczne reakcji katalizowanej, metodą najmniejszych kwadratów, z równania prostej Linaewevera-Burka: stałą Michaelisa K m dla H 2O 2 oraz stałą k kat i katalityczną skuteczność peroksydazy, przy stałym stężeniu gwajakolu oraz enzymu. Sposoby wyrażania katalitycznej aktywności enzymu 1961: U (jednostka standardowa aktywności) to taka ilość enzymu, która katalizuje przemianę 1 mikromola substratu w temperaturze 30 o C w ciągu 1 minuty w warunkach optymalnych (ph, skład buforu) przy wysyceniu enzymu substratem 1972: katal to aktywność enzymu przekształcająca 1 mol substratu w temp 30 o C w ciągu 1 sekundy w warunkach optymalnych (ph, skład buforu) przy wysyceniu enzymu substratem Stężenie enzymu dla enzymów czystych: dla enzymów nieoczyszczonych: Aktywność właściwa stężenie molowe (M = mol/l) U/l lub katal/l U/mg lub katal/kg 10