Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Katalýza Základy lékařské chemie 1. ročník - zimní semestr © Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky, 1. lékařská fakulta, Univerzita Karlova.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Katalýza Základy lékařské chemie 1. ročník - zimní semestr © Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky, 1. lékařská fakulta, Univerzita Karlova."— Transkript prezentace:

1 Katalýza Základy lékařské chemie 1. ročník - zimní semestr © Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky, 1. lékařská fakulta, Univerzita Karlova v Praze a Všeobecná fakultní nemocnice v Praze,

2 Základy lék. chemieKatalýza 2014/20152 Základy lékařské chemie Katalýza  Katalytické procesy  Homogenní a heterogenní katalýza.

3 Základy lék. chemieKatalýza 2014/20153Katalýza  Katalýza je proces, v něm je rychlost (nikoliv rovnováha) chemické reakce zvyšována (či snižována) prostřednictvím látky označované jako katalyzátor.  Na rozdíl od jiných chemikálií, účastnících se chemických reakcí, katalyzátor (z řeckého καταλύτης katalýtis) se nespotřebovává, vystupuje nezměněný.  Katalyzátor se může účastnit vícenásobných chemických transformací, ačkoliv v praxi je katalýza sekundární proces.  Mění reakční mechanismus, mění aktivační energii, proces zahrnuje tvorbu aktivovaného komplexu A+B→AB vs. A+B+K→ABK→AB+K produkty E AB E ABK  G AB E AB – Aktivační energie bez katalýzy E ABK – Aktivační energie bez katalýzy  G AB – Gibbsova energie reakce

4 Základy lék. chemieKatalýza 2014/20154 Příklady: Katalýza ve výrobě kyseliny sírové Výroba kyseliny sírové probíhá třístupňově, přičemž prvním krokem je příprava oxidu siřičitého, který se obvykle získává buď přímým spalováním síry, S(s) + O 2 (g) → SO 2 (g) nebo pražením pyritu 4 FeS 2 (s) + 11 O 2 (g) → 8 SO 2 (g) + 2 Fe 2 O 3 (s). Druhým krokem je oxidace oxidu siřičitého na oxid sírový. Při této reakci se jako katalyzátoru používá oxidu vanadičného V 2 O 5 2 SO 2 (g) + O 2 (g) → 2 SO 3 (g). Nakonec reakcí oxidu sírového s vodou vzniká kyselina sírová SO 3 (g) + H 2 O(l) → H 2 SO 4 (aq). Katalýza ve výrobě kyseliny dusičné Průmyslově se kyselina dusičná vyrábí oxidací amoniaku (čpavku) za katalýzy kovovou platinou za zvýšené teploty a tlaku: 4 NH O 2 → 4 NO + 6 H 2 O 2 NO + O 2 → 2 NO 2 3 NO 2 + H 2 O → 2 HNO 3 + NO V průmyslu se katalyzátory používají nejméně v 60 % chemických syntéz

5 Základy lék. chemieKatalýza 2014/20155 Ovlivnění katalytického procesu Teplota Tlak Koncentrace substrátu Koncentrace katalyzátoru Iontová síla pH Aktivátory a Inhibitory (Katalytické jedy)

6 Základy lék. chemieKatalýza 2014/20156 Základy katalýzy Katalytický proces poskytuje alternativní reakční cestu pro tvorbu produktů Reakční rychlost vzrůstá (klesá), protože alternativní cesta má nižší (vyšší) aktivační energii než nekatalyzovaná reakce Cl· + O 3 → ClO· + O 2 ClO· + O· → Cl· + O 2 Katalyzátor neovlivňuje účinnost (výtěžek,…) reakce. Nemá žádný vliv na chemickou rovnováhu, protože jsou stejným způsobem ovlivněny dopředná i zpětná rychlost reakce Důležitost katalytických reakcí pro životní prostředí stoupá s požadavky na zvýšení efektivity (snížení energetické náročnosti) průmyslových procesů, avšak katalýza hraje přímou úlohy v mnoha procesech spojených s životním prostředím, např. katalytické procesy spojené s produkcí volných radikálů chloru, které způsobují rozklad ozónu (ozonosféry). Tyto radikály jsou tvořeny přímou reakcí UV-záření s chlorovanými či fluorovanými uhlovodíky (CFC). 2 H 2 O 2 → 2 H 2 O + O 2 (UV záření, Fe 3+,.. ) Fe 2+ + H 2 O 2 → Fe 3+ + OH· + OH − (Fentonova reakce) Fe 3+ + H 2 O 2 → Fe 2+ + OOH· + H +

7 Základy lék. chemieKatalýza 2014/20157 ENZYMY JAKO HOMOGENNÍ BIOKATALYZÁTORY 1.Bílkovinná povaha ( + některé RNA-enzymy - ribozymy) 2.Větší účinnost (faktor minimálně l0 6 ) 3.Specifičnost - substrátová  mechanismu účinku 4.Regulovatelnost - na úrovni genomu (indukce, represe)  na úrovni enzymu (allosterický efekt, kovalentně)  proteolyticky (prekursory – zymogeny = proenzym - neaktivní forma enzymu) (Pepsinogen  Pepsin; trypsinogen  trypsin) 5.Kompartmentace 6.Snižují aktivační energii, neovlivňují rovnovážnou konstantu  přiblížení reaktantů, stabilizace aktivovaného komplexu

8 Základy lék. chemieKatalýza 2014/20158 PŘÍKLADY ÚČINNOSTI ENZYMOVÉ KATALÝZY rozklad 2 molů H 2 O 2 na 2 H 2 O a O 2 E a [kJ. mol -1 ] nekatalyzovaná reakce75 katalýza koloidní platinou (anorganická)49 katalýza katalasou8  Urychlení reakce při dané teplotě na desetinásobek snižuje aktivační energii o hodnotu - R.T. ln 10, tj. pro 37 °C, neboli 310,15 K o - 5,9 kJ.mol -1 (log 10)  Pro nekatalyzovanou reakci zhruba platí orientační úvaha, že zvýšení teploty o 10 °C zrychluje reakci na dvojnásobek

9 Základy lék. chemieKatalýza 2014/20159 Katalytický cyklus Výraz pro vícekrokový reakční mechanismus v nichž je účasten katalyzátor. Pre-catalyzátor  Katalyzátor (iniciace) Látka_A + Katalyzátor  Látka_A_ Katalyzátor Látka_A_ Katalyzátor + Látka_B  Látka_A_B_ Katalyzátor Látka_A_B_ Katalyzátor  Produkt_C_ Katalyzátor Produkt_C_ Katalyzátor  Produkt_C + Katalyzátor Reakce: A + B  C Pre-katalyzátor: Např.: Wilkinsonův katalyzátor RhCl(PPh 3 ) 3 ztrácí jeden trifenylfosfin před vstupem do katalytického cyklu. Pre-katalyzátory se snadněji skladují a snadno se aktivuji in-situ. Kvůli tomuto preaktivačnímu kroku vyžaduje řada katalytických reakcí indukční periodu.

10 Základy lék. chemieKatalýza 2014/201510Katalýza  Chemické vlastnosti katalyzátorů se liší dosti podstatně, ačkoliv některé generalizující shrnutí jsou možná.  Proton obsahující kyseliny jsou pravděpodobně nejrozšířenější katalyzátory, především v reakcích zahrnujících vodu, hydrolýzu a její reverzní procesy.  Multifunkční pevné látky jsou často katalyticky aktivní, např. zeolity, alumina, některé formy grafitického uhlíku.  Přechodné kovy jsou často používány ke katalýze redoxních reakcí (oxidace, hydrogenace).  Mnoho katalytických procesů, především těch, které zahrnují vodík, vyžadují katalýzu platinovými kovy.

11 Základy lék. chemieKatalýza 2014/201511Katalýza Katalyzátory: a) pozitivní b) negativní (inhibitory) Katalýza (v závislosti na tom, zda se katalyzátor a substráty nachází ve stejné fázi): a) Homogenní b) Heterogenní např. Pt-katalyzátor v autě (Katalýza v plynné fázi na pevném nosiči) nebo 2HI(g) =(Pt-katalyzátor)= H 2 (g) +I 2 (g)

12 Základy lék. chemieKatalýza 2014/ Aktivní místo (centrum) relativně malá kapsa (štěrbina) uvnitř nebo při povrchu enzymu, často hydrofóbní, umožňující vazbu substrátu(ů), ev. nebílkovinné části enzymu slabšími přechodnými, většinou nekovalentními vazbami: -vodíkovými můstky (výrazně směrovaná) -elektrostatickým přitahováním -hydrofóbními interakcemi -van der Waalsovými silami Obsahuje postranní řetězce sekvenčně vzdálených aminokyselin, které představují kontaktní, orientující a katalytické zbytky a vytvářejí biospecifickou trojrozměrnou strukturu (konformaci).Vzniká dočasně a reverzibilně komplex enzym-substrát (ES). Biokatalýza může mít charakter obecné acidobazické katalýzy, katalýzy kovem (Lewisovy kyseliny), někdy i kovalentní katalýzy. Při vytváření aktivovaného komplexu se přechodně účastní kovalentně vázaný proton, kov nebo zbytky, které umožňují nukleofilní atak (Brönstedovy baze), nebo může být přechodně kovalentně vázán meziprodukt reakce.

13 Základy lék. chemieKatalýza 2014/ Aktivní místo (centrum) Každý enzym má své aktivní centrum Aktivní místo (centrum) – obsahuje vazná místa, která váží substrát pomocí vodíkových můstků, van der Waalsovských sil, elektrostatické přitažlivosti apod. Aktivní centrum má určitý prostorový tvar a nacházejí se v něm určité funkční skupiny – určuje jaký substrát se bude vázat to, jaké funkční skupin aktivní centrum obsahuje určuje afinitu (příchylnost) k substrátu Většinou tvar malé kapsy na povrchu katalyzátoru (enzymu), které obsahuje rezidua zodpovědná za specifickou vazbu substrátu či kofaktoru (PLP, TPP, NAD). Aktivní centrum je též místem inhibice katalyzátoru

14 Základy lék. chemieKatalýza 2014/ Alosterické katalyzátory (enzymy) Allosterické katalyzátory (enzymy) jsou enzymy, které mění svůj tvar nebo konformaci v závislosti na navázaném modulátoru. Slovo „allosterický“ pochází z řeckého „allos“-‚jiné' a „stereos“, ‚tvary'. Allosterický enzym je oligomer, jehož biologická aktivita se mění s konformací (-emi) jeho terciární struktury. Allosterické enzymy má tendenci mít několik podjednotek. V některých případech regulační místa a aktivní centra jsou na různých podjednotkách. Allosterické enzymy jsou regulatorové enzymy. Allosterické enzymy na rozdíl od jiných enzymů nemají hodnotu K m. Allosterický effektor je látka, jež modifikuje vlastnosti a chování enzymu; může se stát allosterickým inhibitorem nebo allosterickým aktivátorem.

15 Základy lék. chemieKatalýza 2014/ Kofaktory  je nízkomolekulová neaminokyselinová struktura, která spolu s řetězcem (nebo řetězci) aminokyselin (tedy s bílkovinou) tvoří tzv. složené enzymy.  nezbytně nutné pro funkci daného enzymu, bez kofaktoru nemá tento enzym žádnou aktivitu  Hlavní funkcí je přenos atomů, skupin atomů nebo elektronů při chemické reakci, která je katalyzována enzymem.  Výskyt především v enzymech, které katalyzují oxidoredukční děje (oxidoreduktázy) nebo přenos skupin (transferázy). Kofaktory oxidoreduktáz  nikotinamidové nukleotidy: NAD, NADP  flavinové nukleotidy: FMN a FAD  biopterin  hem  ionty železa  glutathion Kofaktory transferáz  ATP  UDP  CTP

16 Základy lék. chemieKatalýza 2014/ Nebílkovinné složky enzymů nezbytné pro mechanismus účinku některých enzymů Kofaktory  Ionty kovů : Zn 2+, Mg 2+, Cu 2+, Mn 2+, Ca 2+  koenzymy (vztah k vitaminům) - připojeny nekovalentně  prosthetická skupina (hem) - vázána kovalentně Proteinová část enzymu – apoenzym. Katalyticky aktivní enzym – holoenzym. Apoenzym + kofaktor = holoenzym.

17 Základy lék. chemieKatalýza 2014/ Kofaktory Kofaktory Enzymy Koenzymy Thiaminpyrofosfát (TPP)Pyruvátdehydrogenasa Flavinadenindinukleotid (FAD)Monoaminoxidasa Nikotinamidadenindinukleotid (NAD+)Laktátdehydrogenasa Pyridoxalfosfát (PLP)Glykogenfosforylasa Koenzym A (CoA)Acetyl CoAkarboxylasa BiotinParuvátkarboxylasa 5'- DeoxyadenosylkobalaminMethylmalonylmutasa Tetrahydrofolát Thymidylátsynthasa Kovy (aktivátory) Zn 2+ Karbonátanhydrasa Zn 2+ Karboxypeptidasa Mg 2+ Hexokinasa Ni 2+ Ureasa MoNitrátreduktasa SeGlutathionperoxidasa Mn 2+ Superoxiddismutasa K + Propionyl CoA karboxylasa

18 Základy lék. chemieKatalýza 2014/ Koenzym Důležité koenzymy  nikotinamidadenindinukleotid, NAD, hlavní koenzym oxidoreduktáz, přijímá protony a elektrony z dehydrogenačních reakcí a předává je do Krebsova cyklu, součástí je niacin  nikotinamidadenindinukleotidfosfát, NADP, jeho redukovaná forma NADPH je redukční činidlo biosyntéz (např. tzv. temnostní fáze fotosyntézy, syntéza mastných kyselin apod.  koenzym A - přenašeč acylových skupin, uplatňuje se proto při transacylačních reakcích, součástí je kyselina pantothenová  koenzym Q - přenašeč náboje v dýchacím řetězci Kofaktor, který je na enzym vázán jen slabě a je schopen přecházet z jedné bílkovinné složky enzymu (tzv. apoenzym) na druhou, se nazývá koenzym. Regenerace koenzymu obvykle probíhá pomocí spřažených reakcí - koenzym, který zredukoval při první reakci, přechází na jiný apoenzym, kde se v jiné chemické reakci opět vrací do původního stavu.

19 Základy lék. chemieKatalýza 2014/ Prostetická skupina Je-li kofaktor pevně vázán na bílkovinnou složku a je tedy stabilní součástí molekuly enzymu, nazývá se prostetická skupina. Regenerace prostetické skupiny probíhá tak, že enzym krátce po sobě reaguje se dvěma různými substráty. Důležité prostetické skupiny  Hem (porfyrin se zabudovaným iontem železa), prostetická skupina hemoglobinu a cytochromů dýchacího řetězce  kyselina lipoová  biotin  kobalamin  železo  zinek  hořčík  molybden

20 Základy lék. chemieKatalýza 2014/201520Autokatalýza Chemická reakce se nazývá autokatalytickou, nebo podléhá autokatalýze, jestliže reakční produkt katalyzuje průběh reakce.  Příklady:  Aktivace některých proenzymů např.  Enzym pepsin v žaludku vzniká z proenzymu pepsinogenu, tato reakce je katalyzována vznikajícím pepsinem  Vznik jiného enzymu trypsinu, který vzniká v dvanáctníku z proenzymu trypsinogenu  Cínová nemoc, „cínová lepra“ – přeměna cínu při 13.2 o C (a nižších teplotách), přeměna čistého cínu, β-modifikace bílého cínu na křehkou α-modifikaci šedého cínu. Popř. rozklad na cínový prášek.  Reakce manganistanu s kyselinou šťavelovou (MnO H - → Mn H 2 O)  Syndrom vinného octa (degradace triacetátu celulózy za vzniku kyseliny octové (součást octa)  Vazba kyslíku v hemoglobinu  Spontánní degradace aspirinu na kyselinu salicylovou a kyselinu octovou (zápach po octu). Peníze dělají peníze

21 Základy lék. chemieKatalýza 2014/ Měřítka katalytické aktivity SI jednotka: 1 katal (zkratka 1 kat) [mol.s -1 ]; l0 -6 kat = µkat; l0 -9 kat = nkat Pro vyjádření kvantitativní hodnoty katalytické aktivity enzymu a jiných analyzátorů Katalytická transformace 1 molu látky za 1 sekundu. V angličtině je popisována aktivita pomocí turnover number (TON) a katalytická efektivita pomocí turnover frequency (TOF =TON v jednotce času). Turnover number (označována též k cat ) je definována jako maximální počet molekul substrátu, které dokáže enzym konvertovat na produkt na katalytickém místě za jednotku času. k cat = V max /[E] T. 1 Mezinárodní jednotka (International unit zkratka 1 IU) [mol.s -1 ]; IU=16,67 nkat 60 IU=1 µkat Množství enzymové aktivity, které katalyzuje přeměnu 1 molu látky za 1 minutu; l0 -3 IU = mIU (množství enzymové aktivity, které katalyzuje přeměnu 1 µmolu substrátu za minutu; l0 -3 IU = mU Přesná definice 1IU se liší látku od látky a je založena na mezinárodní dohodě pro každou látku. Neexistuje ekvivalence mezi různými látkami, např. 1 IU vitaminu E neobsahuje to samé množství mg jako 1 IU vitaminu A.

22 Základy lék. chemieKatalýza 2014/ ČÍSLA PŘEMĚNY NĚKTERÝCH ENZYMŮ Čísla přeměny některých enzymů (k cat )mol.mol -1.s -1 Karbonátdehydratasa Acetylcholinesterasa25000 Laktátdehydrogenasa1000 Chymotrypsin100 DNA- polymerasa15 Lysozym0,5

23 Základy lék. chemieKatalýza 2014/ Nosič katalyzátoru – Stacionární fáze Pro zvýšení efektivity katalytického procesu se nanáší katalyzátor na nosič (stacionární fázi) s velmi velkým povrchem. Např.: Silikafgel: Velký vnitřní povrch (cca 800 m²/g)

24 Základy lék. chemieKatalýza 2014/ Reakční rychlost Michaelisova konstanta K m Rovnice Michaelise–Mentenové Rychlost tvorby produktu se uvádí jakožto reakční rychlost V v kinetice enzymu. V max = maximální rychlost pro danou koncentraci katalyzátoru (Dvojité) Reciproké vyjádření

25 Základy lék. chemieKatalýza 2014/ Grafické vyjádření rovnice Michaelise–Mentenové Kinetika 1. řádu Kinetika 0. řádu

26 Základy lék. chemieKatalýza 2014/ Reakční rychlost v linearizovaném grafu 1/v 0 vs. [S]

27 Základy lék. chemieKatalýza 2014/ Kompetitivní inhibice Alkoholdehydrogenasa CH 3 OH  HCOOH C 2 H 5 OH  CH 3 COOH Katalyzátor je kompetitivně inhibován netoxickou látkou na úkor toxického substrátu  Nejvyšší rychlost je dosažena při vyšších koncentracích substrátu [S]  V max je nezměněna  K m je zýšena Některé molekuly inhibují katalýzu kompeticí o aktivní místa. Nejsilnější inhibitory se nazývají jedy.

28 Základy lék. chemieKatalýza 2014/ Kompetitivní inhibice 1/v o [S] -1 1 / V max - 1/K m 1 / V max KmKm mol.l -1 [S] v o V max K m inh

29 Základy lék. chemieKatalýza 2014/ Nekompetitivní inhibice  Inhibitor (substrát) se váže k enzymu na místě, které je jiné než aktivní místo katalyzátoru (toto místo se nazývá alosterickým místem).  K m je nezměněný (aktivní místo je bez substrátu)  V max je zvýšeno, protože koncentrace komplexu E-S se zmenšuje  V tomto způsobu inhibice nenastává žádná kompetice mezi inhibitorem a substrátem, proto vzrůstající koncentrace substrátu neumožňuje dosažení maximální enzymové rychlosti

30 Základy lék. chemieKatalýza 2014/ Nekompetitivní inhibice mol.l -1 KmKm [S] v0v0 V max K m inh V max inh 1/v o 1 / V max - 1 / K m max inh 1 / V 1/[S]


Stáhnout ppt "Katalýza Základy lékařské chemie 1. ročník - zimní semestr © Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky, 1. lékařská fakulta, Univerzita Karlova."

Podobné prezentace


Reklamy Google