Chemická kinetika Dominik Heger Masaryk University hegerdQchemi. muni, cz C4020 Pokročilá fyz. chem Dominik Heger (MU) Chemická kinetika □ S1 ► < -E ► < = C4020 Pokročilá fyz. chem. Kinetika 4, osnova Unimolekulární rozklad • Katalýza (Enzymová katalýza a inhibice) • Autokatalytické reakce a oscilující reakce ■v • Řetězové reakce • Exploze Literatura: Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, and Lubert Stryer: Biochemistry Paul Houston: Chemical Kinetics and Reaction Dynamics Anslyn, Dougherty: Modrn Physical Organic Chemistry Dominik Heger (MU) Chemická kinetika □ S1 ► < -E ► < = C4020 Pokročilá fyz. chem. Unimolekulární rozklad Při vysokých tlacích bylo pozorováno, že molekula A přechází na Produkt podle rychlostní rovnice: A^P dř kap je pozorovaná rychlostní konstanta Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. Lindemannův mechanismus unimolekulárního rozkladu (1922) A + M ===== A* + M A* -Ä- P přiblížení ustáleného stavu: _dc^* _ klCf^Cu _ k2CA*Cy\ — k3CA* = 0 pro cA*: a /c2cm + /C3 dosadíme pro cp: —^ = k^C/\* ^3^1 ca cm /c2Cm + /í3 Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. Jak zvýšit rychlost reakce? Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. 5/28 Jak zvýšit rychlost reakce? Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. 5/28 Katalytické reakce unoriginal path) Products Progress of reaction-^ Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. 6/28 Katalyzátory(?) Binding the ground stale .\G°* cat \G 1 cat uncai Binding the ground State iGot B. .i\G"r cat AG"4 u neat Reaction coordinate Reaction coordinate Binding the ground state Binding the transition state uneai Binding the ground state Binding the transition state cal AG01 cat AG05 u neat Reaction coordinate Reaction coordinate Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. Biologické katalyzátory: enzymy Př. Tyrosináza (enzym nutný pro syntézu melaninu), při normální teplotě těla siamské kočky degraduje. i Temperature-► Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. 8/28 Biologické katalyzátory: enzymy Lock and key (Emil Fisher, 1890) Substrat« Enzyme ES complex Induced fit (Daniel Koschlandjr. 1958) Substrate ES complex Enzyme Dominik Heger (MU) Chemická kinetika □ S1 ► < -E ► < = C4020 Pokročilá fyz. ehem. Enzymová kinetika: rychlost v čase v závislosti na koncentraci substrátu Enzymová kinetika: mechanismus Michaelis-Mentenové (1914) Enzym se může reverzibilně navázat na substrát, a když už je navázán, může substrát přeměnit na produkt. V biochemii jsou reakce téměř vždy v rovnovážném stavu, enzymatickou kinetiku můžeme řešit, buď exaktně, nebo za předpokladu předřazené rovnováhy nebo podmínky ustáleného stavu. kl k3 pro reakci: E + S - X -—* P předřazená rovnováha: Kdis = = 7^ celková koncentrace enzymu: ce(0) = ce + cx rv - ce(0)cs C* - cs+Kdi maximální rychlost (když jsou všechna aktivní místa obsazena): vm = k3cE(0) číslo přeměny (turnover number):/c3 [typické hodnoty: (102 — 103)s_1] Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. 11 / 28 Enzymová kinetika: mechanismus Michaelis-Mentenové (1914) /cl pro reakci: E + S - X k3 k2 - P předřazená rovnováha: Kdis = = 7^ celková koncentrace enzymu: ce(0) = ce + cx rv - ce(°)cS C* - cs+Kdi Vm = /C3CE(0) CS + ^dis 1 + Km CS Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. Enzymová kinetika: mechanismus Michaelis-Mentenové (1914) V — — 1+ Km CS Počáteční rychlost: v(0) = ^|t->o dt 1.2 i—i-1-ľ—i—1-1-i—I-1-1-1—I I I I I I T 1.0 v(0) = 1 + <5(0) Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. 13 / 28 Enzymová kinetika: mechanismus Michaelis-Mentenové (1914) Mechanismus Michaelis-Mentenové, vynesení podle Lineweaver-Burka (1934) Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. 15 / 28 Mechanismus Michaelis-Mentenové, číslo přeměny k3 = kcat Table 7.2 Turnover numbers of some enzymes Enzyme Turnover number (per second) Carbonic anhydrase 600,000 3-Ketosteroid isomerase 280,000 Acetylcholinesterase 25F000 Penicillinase 2,000 Lactate dehydrogenase 1,000 Chymotrypsin DNA polymerase 1 15 Tryptophan synthetase 2 Lysozyme 0.5 Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. 16 / 28 Mechanismus Michaelis-Mentenové, km Table 7.1 KM values of some enzymes Enzyme Substrate *M (MM) Chymotrypsin Acetyk-try ptop h anamide 5000 Lysozyme H exa-Nacety I g I u cosa m i n e 6 ß-Galactosidase Lactose 4000 Carbonic anhydrase 8000 Penicillinase Benzylpenicillin 50 Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. 17 / 28 Mechanismus Michaelis-Mentenové, konstanta specificity Table 73 Substrate preferences of chymotrypsin Amino acid in ester Amino acid side chain WÍMÍs ]M ]) Glycine — H 1.3 X TO-1 Valine CH 2.0 Norvaline — CH2CH2CH3 36 X 102 Norleucine —CH2CH2CH2CH3 3,0 X 103 Phenylalanine -CH2-^ 1.0 X 105 Source: After A. Fersht, Structure and Mechanism m Protein Science: A Guide to Enzyme Catalysis and Protein Folding (W. H. Freeman and Company, 1999), Table 6.3. Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. 18 / 28 Michaelis-Mentenové: kompetitivní inhibice Substrate Competitive inhibitor Inhibitor se váže na stejné místo, jako by se mohl vázat substrát. Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. Michaelis-Mentenové: kompetitivní inhibice Inhibitor se váže na stejné místo, jako by se mohl vázat substrát Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. 19 / 28 Michaelis-Mentenové: kompetitivní inhibice Substrate Competitive inhibitor kl E + S X k2 - P Inhibitor se váže na stejné místo, jako by se mo kil E + I - El k2l \ CEl Přes přiblížení ustáleného stavu v0 = 1+ m [1+^1 K, Vynesení Lineweaver-Burk: _L — _JL _L_ [1 I Cl 1 \/n _ \/m ' L"1 ' ACi J K|J vmcs(0) vázat substrát. Dominik Heger (MU) Chemická kinetika □ rS1 ► •<-=:► < = C4020 Pokročilá fyz. chem. ^ c^ o Michaelis-Mentenové: kompetitivní inhibice /cl E + S X k2 k3 - P Uv0 ------SV ^--l/Km _____ l/So Vynesení Lineweaver-Burk: £ = é + [i + ä] \/0 Um ' L " K\ J VmCs(0) Mění se směrnice, průsečík zůstává. Maximální rychlost se nezmění, když je přítomno hodně substrátu, všechen inhibitor vytlačí. Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. Michaelis-Mentenové: nekompetitivní inhibice Nejčastěji se inhibitor váže na jiné místo než substrát a ovlivní enzym změnou konformace (allostericky). [Substrate] < □ ► < rS? ► < ► < -ž ► -š •O Q, O Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. 22 / 28 Michaelis-Mentenové: nekompetitivní inhibice Substrate Substrate Nonco mpetitive inhibitor kl E + S X k2 - P Inhibitor se váže na enzym, ale ne na aktivní místo, přesto inhibuje reakci E + I — El X + I — XI Předpokládá se, že komplex s inhibitorem není ovlivněn substrátem u _j_ cEg _ cxq Přes přiblížení ustáleného stavu: _ VmCs(O) V° ~ [Cs(0)+Km][l+^] Vynesení Lineweaver-Burk: - = [- + VQ L Vm Vm CS < l/So Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. 23 / 28 Michaelis-Mentenové: akompetitivnř inhibice Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. 24 / 28 Michaelis-Mentenové: akompetitivní inhibice Inhibitor se váže, až když je navázán substrát. e +1 s > es + i A Dominik Heger (MU) ■> e + p esi-X-^ Chemická kinetika □ [Substrate] —-KM for uninhibited enzyme 4 rS ► < 1 ► < C4020 Pokročilá fyz. chem. Autokatalytické reakce A^P v = kc^cp <□► < rS? ► < ► < -Ž ► -Š 'O O, O Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. 25 / 28 Oscilující reakce: Alfred J. Lotka (1910) https: //www.youtube.com/watch?v=IBa4kgXI4Cg □ ö ► < s ► Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. 26 / 28 Řetězové reakce H2 + Br2-> 2 HBr ^ = «obsCH2CBr2 O Iniciace - fotoiniciace, termická či chemická iniciace Br2 + M -^=~ 2Br- + M o Propagace - kinetická délka řetězce Br- + H2 -J^=~ HBr + H-H- + Br2 ~^=- HBr + Br- Q Terminace 2Br- + M -^=~ Br2 + M Dominik Heger (MU) Chemická kinetika □ S1 C4020 Pokročilá fyz. chem. 27 / 28 Exploze: rozvětvené řetězové reakce Dominik Heger (MU) Chemická kinetika C4020 Pokročilá fyz. chem. 28 / 28