K - Unibas Chemie

Katalyse
Ein Katalysator setzt Aktivierungsenergie einer Reaktion herab, indem er einen
anderen Reaktionsweg ermöglicht, so dass der geschwindigkeitsbestimmende Schritt
der nicht-katalysierten Reaktion vermieden wird.
höhere Reaktionsgeschwindigkeit bei derselben Temperatur!
Achtung:
Gleichgewicht der chemischen Reaktion wird nicht verschoben
Hin- und Rückreaktion werden um den gleichen Faktor beschleunigt!
Hin
Homogener Katalysator
Heterogener Katalysator
befindet sich in der gleichen Phase
befindet sich in einer anderen Phase
wie die Reaktionsmischung
wie die Reaktionsmischung
(z B : fester Katalysator in Gasphasenreaktion)
(z.B.:
Spezialfall: Enzyme
Enzyme = biochemische Katalysatoren
• mit
it hoher
h h katalytischer
k t l ti h Aktivität
Akti ität
z.B.: Rohrzucker-Hydrolyse Ea = 107 kJ/mol
in Gegenwart
g
von Saccharase Ea = 36 kJ/mol
d.h. Reaktionsbeschleunigung um einen Faktor 1012 bei Körpertemperatur
• mit hoher Spezifität
Enzyme katalysieren nur eine einzige oder eine Serie eng verknüpfter
Reaktionen
kaum Nebenprodukte!
• mit regulierbarer Aktivität
Stichworte:
- Feedback-Hemmung
- Regulatorproteine
- kovalente Modifikation
- proteolytische Aktivierung
Spezialfall: Enzyme
Katalytische Aktivität
Bildung von Enzym-Substrat (ES)
-Komplexen
p
Substrat wird hochselektiv an das aktive Zentrum des Enzyms
gebunden!
- nicht-kovalente Wechselwirkungen
- Schlüssel-Schloss-Prinzip
Schlüssel Schloss Prinzip (E.Fischer,
(E Fischer 1890)
Adsorption des Substrates
charakteristische Kinetik
((Reaktion mit vorgelagertem
g g
Gleichgewicht)
g
)
v
Vmax
[S]
Michaelis-Menten-Modell
Hypothese: Enzym E und Substrat S stehen mit Enzym-Substrat(ES) Komplex
K
l im
i Gleichgewicht
Gl i h
i h
k1
E + S
k2
ES
E + P
k-1
Annahme: Produkt P wird nicht in ursprüngliches Substrat zurückverwandelt
Gesucht: Ausdruck der Katalysegeschwindigkeit mit Enzym- und
Substratkonzentration, sowie den Geschwindigkeiten der
Einzelschritte verknüpft
v = k2[ES]
[ES]??
Bildungg des ES-Komplexes:
p
vf = k1[E][S]
Zerfall des ES-Komplexes:
vd = k-1[ES] + k2[ES]
Stationärer Zustand (Fliessgleichgewicht, ´steady state´)
Bildungs und Zerfallsgeschwindigkeit des ES-Komplexes
BildungsES Komplexes sind gleich
vf = vd
d.h.
k1[E][S] = (k-1 + k2)[ES]
[ ES] =
[ E ][ S ]
( k−11 + k2 ) /k1
k −1 + k 2
KM =
k1
Def.: Michaelis-Menten-Konstante KM:
[ ES ] =
[ E ][
][ S ]
KM
Konzentration an freiem Enzym:
[E] = [E]0 - [ES]
Konzentration an freiem Substrat:
[S] ≈ [S]0
(Annahme: [E]0<<[S]0 !)
[E]
(
[ ES ] =
oder:
0
)
− [ ES ] [ S ]
KM
[ E ] 0 [ S]
[ ES ] =
[ S] + K M
Reaktionsgeschwindigkeit:
Für [E] << [S]:
[S]
v = k2 [ ES ] = k 2 [ E ] 0
[S] + K M
- gesamtes Enzym im ES
ES-Komplex
Komplex gebunden
- alle Bindungsstellen mit Substrat gesättigt
maximale Reaktionsgeschwindigkeit :
Vmax = k2[E]0
(d h
(d.h.
Michaelis-Menten-Gleichung:
[S]
v = Vmax
[S] + K M
(bei [S] = KM
v = Vmax/2!)
)
Bestimmung von Vmax und KM:
Linearisierung!
v = Vmax
v
− KM
[ S]
1
1
KM 1
=
+
v Vmax Vmax [ S]
Bsp:
(Eadie Hofstee)
(Eadie-Hofstee)
(Lineweaver-Burk)
Lineweaver-Burk Diagramm
1
v
1
Vmax
−
1
KM
KM
Vmax
1
[S]
Bedeutung von KM und Vmax:
• KM = [S]
• k2 << k-11:
Substratkonzentration,
S
b
k
i bei
b i der
d die
di Hälfte
Hälf der
d aktiven
ki
Zentren besetzt ist
KM = Gleichgewichtskonstante
g
der Dissoziation des
ES-Komplex
typische Werte für KM: 10-1 - 10-7 M
• Vmax = k2 [E]0
kcat
Wechselzahl (turnover number)
typische Werte für kcat: 1 - 105 s-1
(Zahl der Katalysevorgänge pro sec)
Beispiel: Carboanhydrase
CO2 + H2O
HCO3- + H+
KM = 8 mM
kcat = 6*105 s-1
Hemmung von Enzymen
- Kontrollmechanismus in biologischen Systemen
- Wirkung von Medikamenten und Toxinen
irreversible Hemmung
reversible Hemmung
Inhibtor ist sehr fest an Enzym gebunden
schnelle Dissoziation des Enzym-Inhibitor
z.B.
B Wirkung
Wi k
von Nervengasen
N
auff AChE
K
Komplexes
l
a. kompetitive Hemmung:
Substrat und Inhibitor werden vom
aktiven Zentrum des Enzyms gebunden
Enzym kann Substrat oder Inhibitor
binden, aber nicht beide
[ES] verringert!
Kompetitive Hemmung
Substrat
kompetitiver Inhibitor
Enzym
Enzym
Kinetik:
1
v
1
Vmax
mit Inhibitor
ohne Inhibitor
1
1
K M ⎛ [I] ⎞ 1
=
+
⎜1+ ⎟
v Vmax Vmax ⎝ K i ⎠ [ S ]
Ki =
1
[S]
[ E ][ I ]
[ EI ]
b. nicht-kompetitive Hemmung:
Inhibitor und Substrat können
gleichzeitig vom selben Enzymmolekül gebunden werden
verschiedene Bindungsstellen
Substrat
Enzym
nicht-kompetitiver
Inhibitor
Nicht-kompetitive Hemmung
Kinetik:
1
v
mit Inhibitor
ohne Inhibitor
−
1
KM
1
[S]
I
Vmax
=
Vmax
[I]
1+
Ki