Hoofdstuk 1: De enzymatische katalyse
Leerdoelen
- Begrijpen hoe basiswetten van de thermodynamica biochemische reacties beïnvloeden
- Begrijpen van de effecten van chemische evenwichten en reactiesnelheden op biochemische
reacties
- Begrijpen van het effect van de transitiestaat van een biochemische reactie op
bovenstaande parameters van een biochemische reactie
- Begrijpen hoe enzymen biochemische reacties katalyseren door hun effect op de
transitiestaat
- Begrijpen van de substraat interacties die plaatsvinden in het actieve centrum van een
enzym en hoe die de katalyse bewerkstelligen
Inleiding: rol van enzymen
Enzymen = biologische katalysatoren
Enzymen beïnvloeden de reactiesnelheid, niet de richting van het evenwicht!
Bijna alle biochemische reacties worden gekatalyseerd door enzymen.
Deze reactie zou niet kunnen doorgaan zonder enzym. Bijna
alle enzymen zijn eiwitten (+ cofactor). Soms zijn het RNA-
moleculen, maar in deze cursus beperken we ons tot de
eiwitten.
Gelijkenis met chemische katalysatoren:
- Enzymen verhogen de snelheid van de reactie
- Ze blijven onveranderd na de reactie (worden niet verbruikt) -> enzymen veranderen wel
van structuur tijdens de reactie, maar komen terug naar hun oorspronkelijke staat als de
reactie gedaan is
Verschillen met chemische katalysatoren:
- Enzymen werken onder mildere condities
- Hoge specificiteit voor het binden van substraat
- Mogelijkheid tot regulatie
Herhaling: begrippen van de thermodynamica
Alles draait om energie -> cellulaire energieconversies kunnen bekeken worden in de context van de
‘wetten 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
Gibbs vrije energie
Theorie over energieveranderingen tijdens een chemische reactie:
Δ𝐺 = Δ𝐻 − 𝑇Δ𝑆
G = Gibbs vrije energie inhoud
H = enthalpie (interne energie, ΔH is een maat voor de veranderingen in aantal en soort bindingen
bij een reactie)
S = entropie (graad van wanorde, ΔS is positief als wanorde stijgt)
T = absolute temperatuur (Kelvin)
,Een reactie gebeurt enkel spontaan wanneer ΔG negatief is.
- Reacties met negatieve ΔG = exergonisch proces -> reactie zal spontaan verlopen, er komt
energie/warmte vrij
- Reacties met positieve ΔG = endergonisch proces -> reactie zal niet spontaan verlopen, er is
energie nodig om deze reactie door te laten gaan
Bij evenwicht ->
Reactie in evenwicht is ΔG = -> evenwichtsconstante K
Rekening houden met de stoichiometrie -> aA + bB ↔ cC + dD
[𝐶]𝑐𝑒𝑞 [𝐷]𝑑
𝑒𝑞 10 𝑀∗10𝑀
𝐾𝑒𝑞 = = = 100
[𝐴]𝑎 𝑏
𝑒𝑞 [𝐵]𝑒𝑞 1𝑀∗1𝑀
Keq heeft geen eenheden, hoe groter K is hoe meer het evenwicht naar rechts ligt -> grote K is veel C
en D. Hoe kleiner K is hoe meer het evenwicht naar links ligt -> kleine K is veel A en B.
Chemische reactie: verband tussen ΔG en Keq
ΔG van een chemische reactie is afhankelijk van de initiële concentraties van reagentia en
producten.
[𝐶]𝑐𝑖 [𝐷]𝑑
Δ𝐺 = Δ𝐺 0 + 𝑅 ∗ 𝑇 ∗ 𝑙𝑛 𝑖
-> 2x een ΔG -> ΔG0 is de standaard ΔG.
[𝐴]𝑎 𝑏
𝑖 [𝐵]𝑖
ΔG0 = standaard vrije energie verandering (standaard condities: alle concentraties 1M, 25°C en 101,3
kPa), in biochemie wordt ΔG0’ gebruikt = ΔG gemeten bij pH7, alle concentraties 1M, 25°C en 101,3
kPa.
Wanneer chemisch evenwicht bereikt is zal ΔG = 0 zijn.
[𝐶]𝑐 [𝐷]𝑑
Δ𝐺 = Δ𝐺 0 + 𝑅 ∗ 𝑇 ∗ 𝑙𝑛 [𝐴]𝑎𝑖 [𝐵]𝑖𝑏 = 0
𝑖 𝑖
0′ [𝐶]𝑐 [𝐷]𝑑
hieruit volgt dat: Δ𝐺 = −𝑅 ∗ 𝑇 ∗ 𝑙𝑛 [𝐴]𝑒𝑞 𝑒𝑞 ′
𝑎 [𝐵]𝑏 = −𝑅 ∗ 𝑇 ∗ ln (𝐾 𝑒𝑞 )
𝑒𝑞 𝑒𝑞
Evenwichtsconstante met accent -> evenwichtsconstante met standaardcondities.
ΔG0’ = een constante voor elke chemische reactie
ΔK’eq = een constante voor elke chemische reactie
! ΔG = variabel en afhankelijk van concentraties reagentia en producten, doorgaan van een reactie
hangt af van ΔG !
De ΔG0’ is dus een functie van de verhouding van de concentraties producten en reagentia bij
evenwicht! Hoe groter K’eq, hoe negatiever ΔG0’ zal zijn. een exergonische reactie zal een grote K’eq
hebben en een sterk negatieve ΔG0’.
,Herhaling: chemische reactiesnelheden
De reactiesnelheid hangt af van een groot aantal factoren, waaronder:
- De concentratie (of activiteit) van de reactanten
- De temperatuur
- De druk
- De aanwezigheid van een katalysator
- De aanwezigheid van straling, bijvoorbeeld fotokatalyse
De reactiesnelheid V: hoe bepalen we die?
rR + sS pP + qQ
-> je kan de verandering van concentratie van reagentia of producten meten over een tijdsinterval:
Δ[𝑃] Δ[𝑄] Δ[R] Δ[𝑆]
- De gemiddelde snelheid V = Δ𝑡 𝑜𝑓 Δ𝑡 𝑜𝑓 − Δ𝑡 𝑜𝑓 − Δ𝑡
- De unieke gemiddelde reactiesnelheid houdt rekening met de
1 Δ[𝑃] 1 Δ[𝑄] 1 Δ[𝑅] 1 Δ[𝑆]
stoichiometrie van de reactie: V = = =− =−
𝑝 Δ𝑡 𝑞 Δ𝑡 𝑟 Δ𝑡 𝑠 Δ𝑡
- De onmiddellijke reactiesnelheid (op een welbepaald moment) wordt dan
1 d[𝑃] 1 d[𝑄] 1 d[𝑅] 1 d[𝑆]
bepaald door de afgeleide hiervan: V = 𝑝 d𝑡
=𝑞 d𝑡
= −𝑟 d𝑡
= −𝑠 d𝑡
De onmiddellijke reactiesnelheid verandert over tijd en is afhankelijk van de
concentraties van de reagentia. De afgeleide is de
richtingscoëfficiënt/raaklijn aan de curve op een bepaald punt.
De definitie van een snelheidswet:
𝑉 = 𝑘 ∗ [𝑅]𝜌 [𝑆]𝜎
- k = snelheidsconstante
- ρ en σ bepalen de orde van de reactie -> deze tonen aan hoe de
verhouding is tussen snelheid en de concentratie van de reagentia
- Nulde orde: geen afhankelijkheid
- Eerste orde: lineaire afhankelijkheid
- Tweede orde: parabolische afhankelijkheid
- Derde orde: kubieke afhankelijkheid
De totale orde van een reactie hangt af van de afhankelijkheden van de
snelheid in functie van concentraties van elk van de reagentia, bijvoorbeeld
met reagentia A, B, en/of C:
Verschillende ordes geven ook
veschillende eenheden -> dus moet je
snelheidsconstante in verschillende
eenheden uitdrukken. Je kan zien aan de
hand van de eenheid van de constante
wat de orde is van de reactie.
Hoe bepalen we de orde en de snelheidsconstante k van een reactie experimenteel?
, Snelheid is afhankelijk van de
beginconcentratie. Je ziet linksonder
3 verschillende startconcentraties ->
je ziet heir dat de initiële snelheden
verschillend zijn. Deze snelheden
kan je uitzetten t.o.v. concentratie
van A -> op de x-as staat de initiële
concentratie en y-as is de
onmiddellijke reactiesnelheid
(afgeleide van de curve) -> je krijgt
een lineair verband tussen
concentratie en snelheid.
Zo goed als alle reacties zijn echter reversibel, dus moet je rekening houden met de
terugkeerreactie:
Je moet de reactie compenseren, want de reactie kan ook de andere kant op dus –[B]
Bij evenwicht (en dus evenwichtsconcentraties) is de snelheid gelijk aan 0.
Verhouding van de productconcentratie en reagensconcentratie is de evenwichtsconstante.
De evenwichtsconstante Keq is dus niet alleen een verhouding van de concentraties bij evenwicht
maar ook een verhouding van de snelheidsconstantes!
Transitiestaat en het effect van katalyse
Enzymen volgen de wetten van de chemische katalyse
- Enzymen blijven onveranderd na de reactie
- Enzymen wijzigen de natuur van de reactie niet (geen effect op K’eq of ΔG0’)
- Enzymen verhogen de snelheid van de reactie
Bij de reactie tussen moleculen A en B wordt er een transitietoestand ABǂ gevormd:
A+B ↔ ABǂ P+Q
- Deze transitietoestand wordt soms ook het geactiveerd complex genoemd
- De vereiste minimum energie om deze toestand te bereiken wordt ook wel de
activeringsenergie (EA) genoemd
Vooraleer je van A naar B kan moet je berg op naar de transitiestaat. Deze energie moet eerst
overwonnen worden voordat productvorming kan gebeuren, ook al is het een exergonische reactie.
Leerdoelen
- Begrijpen hoe basiswetten van de thermodynamica biochemische reacties beïnvloeden
- Begrijpen van de effecten van chemische evenwichten en reactiesnelheden op biochemische
reacties
- Begrijpen van het effect van de transitiestaat van een biochemische reactie op
bovenstaande parameters van een biochemische reactie
- Begrijpen hoe enzymen biochemische reacties katalyseren door hun effect op de
transitiestaat
- Begrijpen van de substraat interacties die plaatsvinden in het actieve centrum van een
enzym en hoe die de katalyse bewerkstelligen
Inleiding: rol van enzymen
Enzymen = biologische katalysatoren
Enzymen beïnvloeden de reactiesnelheid, niet de richting van het evenwicht!
Bijna alle biochemische reacties worden gekatalyseerd door enzymen.
Deze reactie zou niet kunnen doorgaan zonder enzym. Bijna
alle enzymen zijn eiwitten (+ cofactor). Soms zijn het RNA-
moleculen, maar in deze cursus beperken we ons tot de
eiwitten.
Gelijkenis met chemische katalysatoren:
- Enzymen verhogen de snelheid van de reactie
- Ze blijven onveranderd na de reactie (worden niet verbruikt) -> enzymen veranderen wel
van structuur tijdens de reactie, maar komen terug naar hun oorspronkelijke staat als de
reactie gedaan is
Verschillen met chemische katalysatoren:
- Enzymen werken onder mildere condities
- Hoge specificiteit voor het binden van substraat
- Mogelijkheid tot regulatie
Herhaling: begrippen van de thermodynamica
Alles draait om energie -> cellulaire energieconversies kunnen bekeken worden in de context van de
‘wetten 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
Gibbs vrije energie
Theorie over energieveranderingen tijdens een chemische reactie:
Δ𝐺 = Δ𝐻 − 𝑇Δ𝑆
G = Gibbs vrije energie inhoud
H = enthalpie (interne energie, ΔH is een maat voor de veranderingen in aantal en soort bindingen
bij een reactie)
S = entropie (graad van wanorde, ΔS is positief als wanorde stijgt)
T = absolute temperatuur (Kelvin)
,Een reactie gebeurt enkel spontaan wanneer ΔG negatief is.
- Reacties met negatieve ΔG = exergonisch proces -> reactie zal spontaan verlopen, er komt
energie/warmte vrij
- Reacties met positieve ΔG = endergonisch proces -> reactie zal niet spontaan verlopen, er is
energie nodig om deze reactie door te laten gaan
Bij evenwicht ->
Reactie in evenwicht is ΔG = -> evenwichtsconstante K
Rekening houden met de stoichiometrie -> aA + bB ↔ cC + dD
[𝐶]𝑐𝑒𝑞 [𝐷]𝑑
𝑒𝑞 10 𝑀∗10𝑀
𝐾𝑒𝑞 = = = 100
[𝐴]𝑎 𝑏
𝑒𝑞 [𝐵]𝑒𝑞 1𝑀∗1𝑀
Keq heeft geen eenheden, hoe groter K is hoe meer het evenwicht naar rechts ligt -> grote K is veel C
en D. Hoe kleiner K is hoe meer het evenwicht naar links ligt -> kleine K is veel A en B.
Chemische reactie: verband tussen ΔG en Keq
ΔG van een chemische reactie is afhankelijk van de initiële concentraties van reagentia en
producten.
[𝐶]𝑐𝑖 [𝐷]𝑑
Δ𝐺 = Δ𝐺 0 + 𝑅 ∗ 𝑇 ∗ 𝑙𝑛 𝑖
-> 2x een ΔG -> ΔG0 is de standaard ΔG.
[𝐴]𝑎 𝑏
𝑖 [𝐵]𝑖
ΔG0 = standaard vrije energie verandering (standaard condities: alle concentraties 1M, 25°C en 101,3
kPa), in biochemie wordt ΔG0’ gebruikt = ΔG gemeten bij pH7, alle concentraties 1M, 25°C en 101,3
kPa.
Wanneer chemisch evenwicht bereikt is zal ΔG = 0 zijn.
[𝐶]𝑐 [𝐷]𝑑
Δ𝐺 = Δ𝐺 0 + 𝑅 ∗ 𝑇 ∗ 𝑙𝑛 [𝐴]𝑎𝑖 [𝐵]𝑖𝑏 = 0
𝑖 𝑖
0′ [𝐶]𝑐 [𝐷]𝑑
hieruit volgt dat: Δ𝐺 = −𝑅 ∗ 𝑇 ∗ 𝑙𝑛 [𝐴]𝑒𝑞 𝑒𝑞 ′
𝑎 [𝐵]𝑏 = −𝑅 ∗ 𝑇 ∗ ln (𝐾 𝑒𝑞 )
𝑒𝑞 𝑒𝑞
Evenwichtsconstante met accent -> evenwichtsconstante met standaardcondities.
ΔG0’ = een constante voor elke chemische reactie
ΔK’eq = een constante voor elke chemische reactie
! ΔG = variabel en afhankelijk van concentraties reagentia en producten, doorgaan van een reactie
hangt af van ΔG !
De ΔG0’ is dus een functie van de verhouding van de concentraties producten en reagentia bij
evenwicht! Hoe groter K’eq, hoe negatiever ΔG0’ zal zijn. een exergonische reactie zal een grote K’eq
hebben en een sterk negatieve ΔG0’.
,Herhaling: chemische reactiesnelheden
De reactiesnelheid hangt af van een groot aantal factoren, waaronder:
- De concentratie (of activiteit) van de reactanten
- De temperatuur
- De druk
- De aanwezigheid van een katalysator
- De aanwezigheid van straling, bijvoorbeeld fotokatalyse
De reactiesnelheid V: hoe bepalen we die?
rR + sS pP + qQ
-> je kan de verandering van concentratie van reagentia of producten meten over een tijdsinterval:
Δ[𝑃] Δ[𝑄] Δ[R] Δ[𝑆]
- De gemiddelde snelheid V = Δ𝑡 𝑜𝑓 Δ𝑡 𝑜𝑓 − Δ𝑡 𝑜𝑓 − Δ𝑡
- De unieke gemiddelde reactiesnelheid houdt rekening met de
1 Δ[𝑃] 1 Δ[𝑄] 1 Δ[𝑅] 1 Δ[𝑆]
stoichiometrie van de reactie: V = = =− =−
𝑝 Δ𝑡 𝑞 Δ𝑡 𝑟 Δ𝑡 𝑠 Δ𝑡
- De onmiddellijke reactiesnelheid (op een welbepaald moment) wordt dan
1 d[𝑃] 1 d[𝑄] 1 d[𝑅] 1 d[𝑆]
bepaald door de afgeleide hiervan: V = 𝑝 d𝑡
=𝑞 d𝑡
= −𝑟 d𝑡
= −𝑠 d𝑡
De onmiddellijke reactiesnelheid verandert over tijd en is afhankelijk van de
concentraties van de reagentia. De afgeleide is de
richtingscoëfficiënt/raaklijn aan de curve op een bepaald punt.
De definitie van een snelheidswet:
𝑉 = 𝑘 ∗ [𝑅]𝜌 [𝑆]𝜎
- k = snelheidsconstante
- ρ en σ bepalen de orde van de reactie -> deze tonen aan hoe de
verhouding is tussen snelheid en de concentratie van de reagentia
- Nulde orde: geen afhankelijkheid
- Eerste orde: lineaire afhankelijkheid
- Tweede orde: parabolische afhankelijkheid
- Derde orde: kubieke afhankelijkheid
De totale orde van een reactie hangt af van de afhankelijkheden van de
snelheid in functie van concentraties van elk van de reagentia, bijvoorbeeld
met reagentia A, B, en/of C:
Verschillende ordes geven ook
veschillende eenheden -> dus moet je
snelheidsconstante in verschillende
eenheden uitdrukken. Je kan zien aan de
hand van de eenheid van de constante
wat de orde is van de reactie.
Hoe bepalen we de orde en de snelheidsconstante k van een reactie experimenteel?
, Snelheid is afhankelijk van de
beginconcentratie. Je ziet linksonder
3 verschillende startconcentraties ->
je ziet heir dat de initiële snelheden
verschillend zijn. Deze snelheden
kan je uitzetten t.o.v. concentratie
van A -> op de x-as staat de initiële
concentratie en y-as is de
onmiddellijke reactiesnelheid
(afgeleide van de curve) -> je krijgt
een lineair verband tussen
concentratie en snelheid.
Zo goed als alle reacties zijn echter reversibel, dus moet je rekening houden met de
terugkeerreactie:
Je moet de reactie compenseren, want de reactie kan ook de andere kant op dus –[B]
Bij evenwicht (en dus evenwichtsconcentraties) is de snelheid gelijk aan 0.
Verhouding van de productconcentratie en reagensconcentratie is de evenwichtsconstante.
De evenwichtsconstante Keq is dus niet alleen een verhouding van de concentraties bij evenwicht
maar ook een verhouding van de snelheidsconstantes!
Transitiestaat en het effect van katalyse
Enzymen volgen de wetten van de chemische katalyse
- Enzymen blijven onveranderd na de reactie
- Enzymen wijzigen de natuur van de reactie niet (geen effect op K’eq of ΔG0’)
- Enzymen verhogen de snelheid van de reactie
Bij de reactie tussen moleculen A en B wordt er een transitietoestand ABǂ gevormd:
A+B ↔ ABǂ P+Q
- Deze transitietoestand wordt soms ook het geactiveerd complex genoemd
- De vereiste minimum energie om deze toestand te bereiken wordt ook wel de
activeringsenergie (EA) genoemd
Vooraleer je van A naar B kan moet je berg op naar de transitiestaat. Deze energie moet eerst
overwonnen worden voordat productvorming kan gebeuren, ook al is het een exergonische reactie.
