Enzymologie 2024
H1: DE ENZYMATISCHE KATALYSE
1. ROL VAN ENZYMEN
Enzymen = biologische katalysatoren
• Meestal proteïnen (+ cofactor), soms RNA moleculen
• Eiwitconformatie bepaalt katalytische activiteit
• Meestal door stabiliteit zeer trage biologische reacties dus enzymen nodig (bv. verteren,
spiercontracties)
→ Ze katalyseren bijna alle biochemische reacties en bijna alle enzymen zijn eiwitten (+cofactor).
Soms kunnen RNA moleculen fungeren als enzymen.
Gelijkenis met chemische katalysatoren Verschillen met chemische katalysatoren
Enzymen verhogen snelheid van de reactie door Enzymen werken onder mildere condities (37°C, pH
verlaging activeringsenergie om spontaan te starten 7)
Ze blijven onveranderd na de reactie (worden niet Hoge specificiteit voor binden aan bepaald substraat
verbruikt)
---------------------------------------------------------------- Mogelijkheid tot regulatie door externe factoren
(meer/minder actief)
2. KINETIEK VAN CHEMISCHE REACTIES: EEN HERHALING
BEGRIPPEN UIT DE THERMODYNAMI CA
Alles draait om energie → koppeling katabolisme (afbraak) en anabolisme (opbouw) ⇒ metabolisme
vb. ATP en NAD(P)H in exergonische (productie) en endergonische (consumatie) reacties
GIBBS VRIJE ENERGIE
∆G = ∆ H – T ∆ S (bij constante T)
Met G = Gibbs vrije energie inhoud, H= enthalpie (interne energie= afhankelijk van aantal en soort bindingen
i.e. molecule), S = entropie (graad van wanorde/chaos, ∆S pos als wandorde hoog) en T = absolute temp
(Kelvin)
Reacties zijn spontaan als ∆G < 0 (exergonisch; energie komt vrij) en niet spontaan als ∆G > 0 (endergonisch;
gebruikt energie) dus energie nodig
∆G geeft aan hoe makkelijk/moeilijk een chemische reactie zal plaatsvinden.
Energieniveau eindproducten ligt lager → ∆G negatief dus
exergonisch.
Energieniveau eindproducten ligt hoger → ∆G positief dus
endergonisch.
1
,Enzymologie 2024
EVENWICHTSCONSTANTE K EQ
[𝑪] [𝑫]
Als aA + bB ⇔ cC + dD en ∆G = 0 dan evenwicht dus: 𝑲𝒆𝒒 = [𝑨]𝒆𝒒 [𝑩]𝒆𝒒 (geen eenheid)
𝒆𝒒 𝒆𝒒
Hoe > K, hoe meer reagentia zijn omgezet naar producten ⇒ evenwicht rechts
Hoe < K, hoe minder reagentia omgezet naar producten ⇒ evenwicht links
VERBAND ∆G EN K EQ
∆G van een chemische reactie is afhankelijk van de initiële concentraties van reagentia en producten:
met ∆G0 = verandering in Gibss vrije energie onder de standaardcondities (alle concentraties =
[𝐶]𝑐𝑖 [𝐷]𝑑
∆G = ∆G0 + 𝑅. 𝑇 ln [𝐴]𝑎[𝐵]𝑏 𝑖
1M, temperatuur = 25°C en P=101,3 kPa).
𝑖 𝑖
In de biochemie gebruikt men ∆G0’ = ∆G gemeten bij pH7, 25°C en 101,3 kPa.
Eq = evenwicht en dus einde reactie
[𝐶]𝑐 [𝐷]𝑑 [𝐶]𝑐 [𝐷]𝑑
Bij het bereiken van een (bio)chemisch evenwicht zal ∆G=0 zijn dus [𝐴]𝑎𝑖 [𝐵]𝑖𝑏 = [𝐴]𝑒𝑞 𝑒𝑞
𝑎 [𝐵]𝑏 = 𝐾′𝑒𝑞
𝑖 𝑖 𝑒𝑞 𝑒𝑞
[𝐶]𝑐𝑒𝑞 [𝐷]𝑑
𝑒𝑞
en dus ∆G′0 = −R. T ln [𝐴]𝑎 𝑏
′
= −𝑅. 𝑇 ln 𝐾𝑒𝑞
𝑒𝑞 [𝐵]𝑒𝑞
∆G0’ = een constante voor elke chemische reactie
K’eq = een constante voor elke chemische reactie
! ∆G = variabel en afhankelijk van concentraties reagentia en producten !
Hoe groter K’eq hoe negatiever ∆G’0 zal zijn ⇒ sterk exergonische reactie zal K’eq ↑ hebben en sterk ↓ ∆G’0
Dan volgt ∆G’0 = -RT lnK’eq of ook K’eq = e-∆G’0/RT als:
K’eq > 1 ⇒ ∆G’0 < 0 en reactie gaat spontaan verder (voorwaarts) = exergonische reactie
K’eq = 1 ⇒ ∆G’0 = 0 en reactie is in evenwicht
K’eq < 1 ⇒ ∆G’0 > 0 en reactie gaat niet spontaan verder, er is energie nodig (achterwaarts) =
endergonische reactie
Opmerking: K’eq en ∆G’0 (thermodyn. Cten) laten zien waar het uiteindelijke evenwicht ligt, maar zegt niets over
de snelheid vd reactie!
CHEMISCHE REACTIESNEL HEDEN
De reactiesnelheid hangt af van een groot aantal factoren, waaronder:
Concentratie (of activiteit) van de reactanten
De temperatuur
De druk
Aanwezigheid van een katalysator
Aanwezigheid van straling (fotokatalyse, -chemie)
...
2
,Enzymologie 2024
De reactiesnelheid kan gemeten worden via concentratieverschil volgens stoichiometrie: rR + sS → pP + qQ
De onmiddelijke reactiesnelheid verandert over tijd en is afhankelijk van de concentraties van de reagentia.
Definitie van een snelheidwet:
Bijvoorbeeld: V = k . [R]ρ [S]σ
Waarbij k = snelheidsconstante
ρ en σ bepalen de orde van de reactie (≠ r en s, niets te maken met de stoichiometrie)
De orde verwijst naar de afhankelijkheid van de snelheid in functie van de reactant concentratie
De eenheid van de snelheidscte k is afhankelijk van de orde:
0e orde: v = kA0 = k
1e orde: v = kA1 = kA
2e orde: v = kA2 of kAB
3e orde: v = kA3 of kA2B of kABC
0e orde: k = M.s-1/M0 = M.s-1 = geen verband
1e orde: k = M.s-1/M1 = s -1 = lineair verband
2e orde: k = M.s-1/M2 = M-1.s-1 = parabolisch verband
3e orde: k = M.s-1/M3 = M-2.s-1 = kubiek verband
Experimentele bepaling orde en k
𝑑[𝐴] 𝑑[𝐵] 𝑑[𝐴]
Eerste orde reactie A → B dus 𝑉 = − = ⇒ 𝑘[𝐴] = −
𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝑑𝑡
𝑡 [𝐴]𝑡 𝑑[𝐴]
De snelheid is proportioneel tot [A] dus V = k. [A] ⇒ −𝑘 ∫𝑡0 𝑑𝑡 = ∫[𝐴]0
[𝐴]
Wanneer we de verandering van [A] in functie van de tijd willen uitdrukken kunnen we bovenstaande functie
integreren. Dan bekomen we onderstaande vergelijking:
[𝐴] [𝐴]𝑡
ln [𝐴 𝑡] = −𝑘𝑡 (rechte curve) of [𝐴]0
= 𝑒 −𝑘𝑡 (hyperbolische curve)
0
(= ln[A]t – ln[A]0) = -kt
3
, Enzymologie 2024
Zo goed als alle reacties zijn echter reversibel dus moet je rekening houden met de terugkeer reactie.
Bij evenwicht (en dus evenwichtsconcentraties) is de snelheid gelijk aan 0
De evenwichtsconstante Keq is dus niet alleen een verhouding van de concentraties bij evenwicht maar ook een
verhouding van de snelheidsconstantes!
3. TRANSITIESTAAT EN HET EFFECT VA N KATALYSE
TRANSITIESTAAT VAN EEN CHEMISCHE REACTIE
Voor een reactie tussen moleculen A en B moeten deze een voldoende energie hebben om bij een botsing de
atomen van A en B binnen de Van der Waalse afstand te brengen. Er wordt een hoog-energetische tussenvorm
gevormd = de transitietoestand of het geactiveerd complex. De vereiste minimumenergie om deze
transitietoestand te bereiken is de activeringsenergie van de reactie (uitgedrukt als G’0ǂ). De
activeringsenergie die nodig is om de transitietoestand te bereiken heeft een effect op de snelheid van de
omzetting van A naar B. Om dit uit te drukken in een functie kan men de vorming van de transitietoestand
opvatten als een chemisch evenwicht:
𝐴 + 𝐵 ↔ 𝐴𝐵ǂ→ P + Q
[𝐴𝐵]ǂ Δ𝐻ǂ Δ𝑆ǂ
Met evenwichtsconstante 𝐾 ǂ = [𝐴][𝐵] 𝑒𝑛 ΔG′0ǂ = −𝑅𝑇 ln 𝐾 ǂ = Δ𝐻ǂ − 𝑇Δ𝑆 ǂ en dus 𝐾 ǂ = 𝑒 − 𝑅𝑇 . 𝑒 𝑅
Bij de reactie tussen moleculen A en B wordt er een transitietoestand gevormd: AB ǂ
4
H1: DE ENZYMATISCHE KATALYSE
1. ROL VAN ENZYMEN
Enzymen = biologische katalysatoren
• Meestal proteïnen (+ cofactor), soms RNA moleculen
• Eiwitconformatie bepaalt katalytische activiteit
• Meestal door stabiliteit zeer trage biologische reacties dus enzymen nodig (bv. verteren,
spiercontracties)
→ Ze katalyseren bijna alle biochemische reacties en bijna alle enzymen zijn eiwitten (+cofactor).
Soms kunnen RNA moleculen fungeren als enzymen.
Gelijkenis met chemische katalysatoren Verschillen met chemische katalysatoren
Enzymen verhogen snelheid van de reactie door Enzymen werken onder mildere condities (37°C, pH
verlaging activeringsenergie om spontaan te starten 7)
Ze blijven onveranderd na de reactie (worden niet Hoge specificiteit voor binden aan bepaald substraat
verbruikt)
---------------------------------------------------------------- Mogelijkheid tot regulatie door externe factoren
(meer/minder actief)
2. KINETIEK VAN CHEMISCHE REACTIES: EEN HERHALING
BEGRIPPEN UIT DE THERMODYNAMI CA
Alles draait om energie → koppeling katabolisme (afbraak) en anabolisme (opbouw) ⇒ metabolisme
vb. ATP en NAD(P)H in exergonische (productie) en endergonische (consumatie) reacties
GIBBS VRIJE ENERGIE
∆G = ∆ H – T ∆ S (bij constante T)
Met G = Gibbs vrije energie inhoud, H= enthalpie (interne energie= afhankelijk van aantal en soort bindingen
i.e. molecule), S = entropie (graad van wanorde/chaos, ∆S pos als wandorde hoog) en T = absolute temp
(Kelvin)
Reacties zijn spontaan als ∆G < 0 (exergonisch; energie komt vrij) en niet spontaan als ∆G > 0 (endergonisch;
gebruikt energie) dus energie nodig
∆G geeft aan hoe makkelijk/moeilijk een chemische reactie zal plaatsvinden.
Energieniveau eindproducten ligt lager → ∆G negatief dus
exergonisch.
Energieniveau eindproducten ligt hoger → ∆G positief dus
endergonisch.
1
,Enzymologie 2024
EVENWICHTSCONSTANTE K EQ
[𝑪] [𝑫]
Als aA + bB ⇔ cC + dD en ∆G = 0 dan evenwicht dus: 𝑲𝒆𝒒 = [𝑨]𝒆𝒒 [𝑩]𝒆𝒒 (geen eenheid)
𝒆𝒒 𝒆𝒒
Hoe > K, hoe meer reagentia zijn omgezet naar producten ⇒ evenwicht rechts
Hoe < K, hoe minder reagentia omgezet naar producten ⇒ evenwicht links
VERBAND ∆G EN K EQ
∆G van een chemische reactie is afhankelijk van de initiële concentraties van reagentia en producten:
met ∆G0 = verandering in Gibss vrije energie onder de standaardcondities (alle concentraties =
[𝐶]𝑐𝑖 [𝐷]𝑑
∆G = ∆G0 + 𝑅. 𝑇 ln [𝐴]𝑎[𝐵]𝑏 𝑖
1M, temperatuur = 25°C en P=101,3 kPa).
𝑖 𝑖
In de biochemie gebruikt men ∆G0’ = ∆G gemeten bij pH7, 25°C en 101,3 kPa.
Eq = evenwicht en dus einde reactie
[𝐶]𝑐 [𝐷]𝑑 [𝐶]𝑐 [𝐷]𝑑
Bij het bereiken van een (bio)chemisch evenwicht zal ∆G=0 zijn dus [𝐴]𝑎𝑖 [𝐵]𝑖𝑏 = [𝐴]𝑒𝑞 𝑒𝑞
𝑎 [𝐵]𝑏 = 𝐾′𝑒𝑞
𝑖 𝑖 𝑒𝑞 𝑒𝑞
[𝐶]𝑐𝑒𝑞 [𝐷]𝑑
𝑒𝑞
en dus ∆G′0 = −R. T ln [𝐴]𝑎 𝑏
′
= −𝑅. 𝑇 ln 𝐾𝑒𝑞
𝑒𝑞 [𝐵]𝑒𝑞
∆G0’ = een constante voor elke chemische reactie
K’eq = een constante voor elke chemische reactie
! ∆G = variabel en afhankelijk van concentraties reagentia en producten !
Hoe groter K’eq hoe negatiever ∆G’0 zal zijn ⇒ sterk exergonische reactie zal K’eq ↑ hebben en sterk ↓ ∆G’0
Dan volgt ∆G’0 = -RT lnK’eq of ook K’eq = e-∆G’0/RT als:
K’eq > 1 ⇒ ∆G’0 < 0 en reactie gaat spontaan verder (voorwaarts) = exergonische reactie
K’eq = 1 ⇒ ∆G’0 = 0 en reactie is in evenwicht
K’eq < 1 ⇒ ∆G’0 > 0 en reactie gaat niet spontaan verder, er is energie nodig (achterwaarts) =
endergonische reactie
Opmerking: K’eq en ∆G’0 (thermodyn. Cten) laten zien waar het uiteindelijke evenwicht ligt, maar zegt niets over
de snelheid vd reactie!
CHEMISCHE REACTIESNEL HEDEN
De reactiesnelheid hangt af van een groot aantal factoren, waaronder:
Concentratie (of activiteit) van de reactanten
De temperatuur
De druk
Aanwezigheid van een katalysator
Aanwezigheid van straling (fotokatalyse, -chemie)
...
2
,Enzymologie 2024
De reactiesnelheid kan gemeten worden via concentratieverschil volgens stoichiometrie: rR + sS → pP + qQ
De onmiddelijke reactiesnelheid verandert over tijd en is afhankelijk van de concentraties van de reagentia.
Definitie van een snelheidwet:
Bijvoorbeeld: V = k . [R]ρ [S]σ
Waarbij k = snelheidsconstante
ρ en σ bepalen de orde van de reactie (≠ r en s, niets te maken met de stoichiometrie)
De orde verwijst naar de afhankelijkheid van de snelheid in functie van de reactant concentratie
De eenheid van de snelheidscte k is afhankelijk van de orde:
0e orde: v = kA0 = k
1e orde: v = kA1 = kA
2e orde: v = kA2 of kAB
3e orde: v = kA3 of kA2B of kABC
0e orde: k = M.s-1/M0 = M.s-1 = geen verband
1e orde: k = M.s-1/M1 = s -1 = lineair verband
2e orde: k = M.s-1/M2 = M-1.s-1 = parabolisch verband
3e orde: k = M.s-1/M3 = M-2.s-1 = kubiek verband
Experimentele bepaling orde en k
𝑑[𝐴] 𝑑[𝐵] 𝑑[𝐴]
Eerste orde reactie A → B dus 𝑉 = − = ⇒ 𝑘[𝐴] = −
𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝑑𝑡
𝑡 [𝐴]𝑡 𝑑[𝐴]
De snelheid is proportioneel tot [A] dus V = k. [A] ⇒ −𝑘 ∫𝑡0 𝑑𝑡 = ∫[𝐴]0
[𝐴]
Wanneer we de verandering van [A] in functie van de tijd willen uitdrukken kunnen we bovenstaande functie
integreren. Dan bekomen we onderstaande vergelijking:
[𝐴] [𝐴]𝑡
ln [𝐴 𝑡] = −𝑘𝑡 (rechte curve) of [𝐴]0
= 𝑒 −𝑘𝑡 (hyperbolische curve)
0
(= ln[A]t – ln[A]0) = -kt
3
, Enzymologie 2024
Zo goed als alle reacties zijn echter reversibel dus moet je rekening houden met de terugkeer reactie.
Bij evenwicht (en dus evenwichtsconcentraties) is de snelheid gelijk aan 0
De evenwichtsconstante Keq is dus niet alleen een verhouding van de concentraties bij evenwicht maar ook een
verhouding van de snelheidsconstantes!
3. TRANSITIESTAAT EN HET EFFECT VA N KATALYSE
TRANSITIESTAAT VAN EEN CHEMISCHE REACTIE
Voor een reactie tussen moleculen A en B moeten deze een voldoende energie hebben om bij een botsing de
atomen van A en B binnen de Van der Waalse afstand te brengen. Er wordt een hoog-energetische tussenvorm
gevormd = de transitietoestand of het geactiveerd complex. De vereiste minimumenergie om deze
transitietoestand te bereiken is de activeringsenergie van de reactie (uitgedrukt als G’0ǂ). De
activeringsenergie die nodig is om de transitietoestand te bereiken heeft een effect op de snelheid van de
omzetting van A naar B. Om dit uit te drukken in een functie kan men de vorming van de transitietoestand
opvatten als een chemisch evenwicht:
𝐴 + 𝐵 ↔ 𝐴𝐵ǂ→ P + Q
[𝐴𝐵]ǂ Δ𝐻ǂ Δ𝑆ǂ
Met evenwichtsconstante 𝐾 ǂ = [𝐴][𝐵] 𝑒𝑛 ΔG′0ǂ = −𝑅𝑇 ln 𝐾 ǂ = Δ𝐻ǂ − 𝑇Δ𝑆 ǂ en dus 𝐾 ǂ = 𝑒 − 𝑅𝑇 . 𝑒 𝑅
Bij de reactie tussen moleculen A en B wordt er een transitietoestand gevormd: AB ǂ
4
