Biokatalyse en bio-energetica
DEEL 1
H1 De enzymatische katalyse
1.1 Inleiding: rol van enzymen
Enzymen = biologische katalysatoren
Bijna alle biochemische reacties worden gekatalyseerd door enzymen
Gelijkenis met chemische katalysatoren
▪ Enzymen verhogen de snelheid v/d reactie
▪ Blijven onveranderd na de reactie
Verschillen met chemische katalysatoren
▪ Enzymen werken onder mildere condities
▪ Hoge specificiteit voor het binden van substraat
▪ Mogelijkheid tot regulatie
1.2 Herhaling: begrippen van de thermodynamica
Energie uit zonlicht of chemische bindingen (zoals suiker) uit katabole reacties wordt gekoppeld aan anabole
processen die energie vereisen: katabolisme + anabolisme = metabolisme
Katabolisme en anabolisme gaan gepaard met energieverandering → Gibbs vrije energie
∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆
G = Gibbs vrije energie-inhoud
H = enthalpie
S = entropie
T = absolute temperatuur (Kelvin)
A.d.h.v. deze formule weten we of een reactie spontaan zal verlopen:
▪ ∆𝐺 < 0 = exergonisch
o Spontaan verloop
o Er komt energie/warmte vrij
▪ ∆𝐺 > 0 = endergonisch
o Niet spontaan
o Energie nodig om de reactie te laten doorgaan
! Evenwicht: ∆𝐺 = 0
Chemische reactie: ∆𝑮 en Keq
Keq heeft géén eenheden
aA + bB → cC + dD
1
,Hoe GROTER K → hoe MEER reagentia zullen omgezet naar producten tijdens chemisch evenwicht (reactie meer
naar rechts)
Hoe KLEINER K → hoe MINDER reagentia zullen omgezet naar producten tijdens chemische evenwicht (reactie
meer naar links)
Chemische reactie: verband tussen ∆𝑮 en Keq
∆𝐺 v/e chemische reactie is afhankelijk v/d initiële concentraties van reagentia en producten
∆G0 = standaard vrije energie verandering (standaard condities: alle concentraties 1M, 25°C en 101,3 kPa)
Chemisch evenwicht
! ∆𝐺 is gelijk aan ‘0’ bij evenwicht
∆G0’ = een constante voor elke chemische reactie
K’eq = een constante voor elke chemische reactie
∆G = variabele en afhankelijk van concentraties reagentia en producten, doorgaan v/e reactie hangt af van
∆G
DUS ∆G0’ is een functie v/d verhouding v/d concentraties producten en reagentia bij evenwicht!
Conclusie: hoe groter K’eq, hoe negatiever ∆G0’ → een exergonische reactie zal een grote K’eq hebben en een
sterk negatieve ∆G0’
1.3 Herhaling: chemische reactiesnelheden
Reactiesnelheid V
De reactiesnelheid hangt af v/e groot aantal factoren:
▪ De concentratie v/d reactanten
▪ Temperatuur
▪ Druk
▪ Aanwezigheid v/e katalysator
▪ Aanwezigheid van straling, vb.: fotokatalyse
Hoe bepalen?
rR + sS → pP + qQ
We kunnen de verandering van concentratie van reagentia of producten meten over een tijdsinterval:
2
, Gemiddelde snelheid
Unieke gemiddelde reactiesnelheid
Onmiddellijke reactiesnelheid
o Tijd wordt steeds korter en korter genomen
o ∆𝑡 → 0
Eerste 2 gaan we eigenlijk niet gebruiken WANT zijn geïnteresseerd in de snelheid op een bepaald moment i.p.v. het
gemiddelde
De reactiesnelheid in functie v/d concentraties van reagentia Afgeleide =
richtingscoëfficiënt/raaklijn aan
De onmiddellijke reactiesnelheid: de curve op een bepaald punt
Verandert over tijd
Is afhankelijk v/d concentraties v/d reagentia
Wordt bepaald door volgende afgeleide:
Snelheidswet
= ogenblikkelijke reactiesnelheid recht evenredig met het product v/d concentraties v/d reagerende stoffen
Orde v/e reactie
Verwijst naar de afhankelijkheid v/d snelheid in functie v/d reactant concentratie
▪ 0de orde: géén afhankelijkheid
▪ 1ste orde: lineaire afhankelijkheid
▪ 2de orde: parabolische afhankelijkheid
▪ 3de orde: kubieke afhankelijkheid
De totale orde v/e reactie hangt af v/d afhankelijkheden v/d snelheid in functie van concentraties van elk v/d
reagentia, vb.: met reagentia A, B en/of C & V wordt uitgedrukt in M/s DUS de eenheid van de snelheidscte k hangt
af v/d orde v/e reactie
3
, Bepalen v/d orde en snelheidscte k
Stel de volgende irreversibele 1ste orde reactie: A → B
𝑑[𝐴] 𝑑[𝐵]
Onmiddellijke reactiesnelheid 𝑉 = − 𝑑𝑡
= 𝑑𝑡
MAAR: zo goed als alle reacties zijn reversibel → rekening houden met de terugkerende reactie
Bij evenwicht (en dus evenwichtsconcentraties) is de snelheid gelijk aan 0
4
DEEL 1
H1 De enzymatische katalyse
1.1 Inleiding: rol van enzymen
Enzymen = biologische katalysatoren
Bijna alle biochemische reacties worden gekatalyseerd door enzymen
Gelijkenis met chemische katalysatoren
▪ Enzymen verhogen de snelheid v/d reactie
▪ Blijven onveranderd na de reactie
Verschillen met chemische katalysatoren
▪ Enzymen werken onder mildere condities
▪ Hoge specificiteit voor het binden van substraat
▪ Mogelijkheid tot regulatie
1.2 Herhaling: begrippen van de thermodynamica
Energie uit zonlicht of chemische bindingen (zoals suiker) uit katabole reacties wordt gekoppeld aan anabole
processen die energie vereisen: katabolisme + anabolisme = metabolisme
Katabolisme en anabolisme gaan gepaard met energieverandering → Gibbs vrije energie
∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆
G = Gibbs vrije energie-inhoud
H = enthalpie
S = entropie
T = absolute temperatuur (Kelvin)
A.d.h.v. deze formule weten we of een reactie spontaan zal verlopen:
▪ ∆𝐺 < 0 = exergonisch
o Spontaan verloop
o Er komt energie/warmte vrij
▪ ∆𝐺 > 0 = endergonisch
o Niet spontaan
o Energie nodig om de reactie te laten doorgaan
! Evenwicht: ∆𝐺 = 0
Chemische reactie: ∆𝑮 en Keq
Keq heeft géén eenheden
aA + bB → cC + dD
1
,Hoe GROTER K → hoe MEER reagentia zullen omgezet naar producten tijdens chemisch evenwicht (reactie meer
naar rechts)
Hoe KLEINER K → hoe MINDER reagentia zullen omgezet naar producten tijdens chemische evenwicht (reactie
meer naar links)
Chemische reactie: verband tussen ∆𝑮 en Keq
∆𝐺 v/e chemische reactie is afhankelijk v/d initiële concentraties van reagentia en producten
∆G0 = standaard vrije energie verandering (standaard condities: alle concentraties 1M, 25°C en 101,3 kPa)
Chemisch evenwicht
! ∆𝐺 is gelijk aan ‘0’ bij evenwicht
∆G0’ = een constante voor elke chemische reactie
K’eq = een constante voor elke chemische reactie
∆G = variabele en afhankelijk van concentraties reagentia en producten, doorgaan v/e reactie hangt af van
∆G
DUS ∆G0’ is een functie v/d verhouding v/d concentraties producten en reagentia bij evenwicht!
Conclusie: hoe groter K’eq, hoe negatiever ∆G0’ → een exergonische reactie zal een grote K’eq hebben en een
sterk negatieve ∆G0’
1.3 Herhaling: chemische reactiesnelheden
Reactiesnelheid V
De reactiesnelheid hangt af v/e groot aantal factoren:
▪ De concentratie v/d reactanten
▪ Temperatuur
▪ Druk
▪ Aanwezigheid v/e katalysator
▪ Aanwezigheid van straling, vb.: fotokatalyse
Hoe bepalen?
rR + sS → pP + qQ
We kunnen de verandering van concentratie van reagentia of producten meten over een tijdsinterval:
2
, Gemiddelde snelheid
Unieke gemiddelde reactiesnelheid
Onmiddellijke reactiesnelheid
o Tijd wordt steeds korter en korter genomen
o ∆𝑡 → 0
Eerste 2 gaan we eigenlijk niet gebruiken WANT zijn geïnteresseerd in de snelheid op een bepaald moment i.p.v. het
gemiddelde
De reactiesnelheid in functie v/d concentraties van reagentia Afgeleide =
richtingscoëfficiënt/raaklijn aan
De onmiddellijke reactiesnelheid: de curve op een bepaald punt
Verandert over tijd
Is afhankelijk v/d concentraties v/d reagentia
Wordt bepaald door volgende afgeleide:
Snelheidswet
= ogenblikkelijke reactiesnelheid recht evenredig met het product v/d concentraties v/d reagerende stoffen
Orde v/e reactie
Verwijst naar de afhankelijkheid v/d snelheid in functie v/d reactant concentratie
▪ 0de orde: géén afhankelijkheid
▪ 1ste orde: lineaire afhankelijkheid
▪ 2de orde: parabolische afhankelijkheid
▪ 3de orde: kubieke afhankelijkheid
De totale orde v/e reactie hangt af v/d afhankelijkheden v/d snelheid in functie van concentraties van elk v/d
reagentia, vb.: met reagentia A, B en/of C & V wordt uitgedrukt in M/s DUS de eenheid van de snelheidscte k hangt
af v/d orde v/e reactie
3
, Bepalen v/d orde en snelheidscte k
Stel de volgende irreversibele 1ste orde reactie: A → B
𝑑[𝐴] 𝑑[𝐵]
Onmiddellijke reactiesnelheid 𝑉 = − 𝑑𝑡
= 𝑑𝑡
MAAR: zo goed als alle reacties zijn reversibel → rekening houden met de terugkerende reactie
Bij evenwicht (en dus evenwichtsconcentraties) is de snelheid gelijk aan 0
4
