Základy lékařské chemie 1. ročník - zimní semestr 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, 2005 - 2015

Základy lékařské chemie Katalýza Katalytické procesy Homogenní a heterogenní katalýza. Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

Katalýza A+B→AB vs. A+B+K→ABK→AB+K 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 EAB EABK GAB EAB – Aktivační energie bez katalýzy EABK – Aktivační energie bez katalýzy GAB – Gibbsova energie reakce Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

Příklady: V průmyslu se katalyzátory používají nejméně v 60 % chemických syntéz 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) + O2(g) → SO2(g) nebo pražením pyritu 4 FeS2(s) + 11 O2(g) → 8 SO2(g) + 2 Fe2O3(s). Druhým krokem je oxidace oxidu siřičitého na oxid sírový. Při této reakci se jako katalyzátoru používá oxidu vanadičného V2O5 2 SO2(g) + O2(g) → 2 SO3(g). Nakonec reakcí oxidu sírového s vodou vzniká kyselina sírová SO3(g) + H2O(l) → H2SO4(aq). Katalýza ve výrobě kyseliny dusičné Průmyslově se kyselina dusičná vyrábí oxidací amoniaku (čpavku) za katalýzy kovovou platinou za zvýšené teploty a tlaku: 4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O 2 NO + O2 → 2 NO2 3 NO2 + H2O → 2 HNO3 + NO Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

Ovlivnění katalytického procesu Teplota Tlak Koncentrace substrátu Koncentrace katalyzátoru Iontová síla pH Aktivátory a Inhibitory (Katalytické jedy) Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

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 Katalyzátor neovlivňuje účinnost (výtěžek,…) reakce. Nemá žádný vliv na chemickou rovnováhu, protože jsou stejným způsobem ovlivněny dopředná i zpětná rychlost reakce 2 H2O2 → 2 H2O + O2 (UV záření, Fe3+, ..) Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH· + OH− (Fentonova reakce) Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + OOH· + H+ 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). Cl· + O3 → ClO· + O2 ClO· + O· → Cl· + O2 Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

ENZYMY JAKO HOMOGENNÍ BIOKATALYZÁTORY Bílkovinná povaha ( + některé RNA-enzymy - ribozymy) Větší účinnost (faktor minimálně l06) Specifičnost - substrátová mechanismu účinku Regulovatelnost - na úrovni genomu (indukce, represe) na úrovni enzymu (allosterický efekt, kovalentně) proteolyticky (prekursory – zymogeny = proenzym - neaktivní forma enzymu) (Pepsinogen  Pepsin; trypsinogen  trypsin) Kompartmentace Snižují aktivační energii, neovlivňují rovnovážnou konstantu přiblížení reaktantů, stabilizace aktivovaného komplexu Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

PŘÍKLADY ÚČINNOSTI ENZYMOVÉ KATALÝZY rozklad 2 molů H2O2 na 2 H2O a O2 Ea [kJ . mol-1] nekatalyzovaná reakce 75 katalýza koloidní platinou (anorganická) 49 katalýza katalasou 8 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 Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

Katalytický cyklus Výraz pro vícekrokový reakční mechanismus v nichž je účasten katalyzátor. Reakce: A + B  C 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 Pre-katalyzátor: Např.: Wilkinsonův katalyzátor RhCl(PPh3)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. Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

Katalýza 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. Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

Katalýza 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)= H2 (g) +I2 (g) Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

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. Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

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 Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

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 Km. Allosterický effektor je látka, jež modifikuje vlastnosti a chování enzymu; může se stát allosterickým inhibitorem nebo allosterickým aktivátorem. Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

Kofaktory oxidoreduktáz 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 Kofaktory transferáz nikotinamidové nukleotidy: NAD, NADP flavinové nukleotidy: FMN a FAD biopterin hem ionty železa glutathion ATP UDP CTP Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

Ionty kovů : Zn2+, Mg2+, Cu2+, Mn2+, Ca2+ Nebílkovinné složky enzymů nezbytné pro mechanismus účinku některých enzymů Kofaktory Ionty kovů : Zn2+, Mg2+, Cu2+, Mn2+, Ca2+ koenzymy (vztah k vitaminům) - připojeny nekovalentně prosthetická skupina (hem) - vázána kovalentně Proteinová část enzymu – apoenzym. Katalyticky aktivní enzym – holoenzym. Apoenzym + kofaktor = holoenzym. Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

Kofaktory Kofaktory Enzymy Koenzymy Thiaminpyrofosfát (TPP) Pyruvátdehydrogenasa Flavinadenindinukleotid (FAD) Monoaminoxidasa Nikotinamidadenindinukleotid (NAD+) Laktátdehydrogenasa Pyridoxalfosfát (PLP) Glykogenfosforylasa Koenzym A (CoA) Acetyl CoAkarboxylasa Biotin Paruvátkarboxylasa 5'- Deoxyadenosylkobalamin Methylmalonylmutasa Tetrahydrofolát Thymidylátsynthasa Kovy (aktivátory) Zn2+ Karbonátanhydrasa Zn2+ Karboxypeptidasa Mg2+ Hexokinasa Ni2+ Ureasa Mo Nitrátreduktasa Se Glutathionperoxidasa Mn2+ Superoxiddismutasa K+ Propionyl CoA karboxylasa Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

Koenzym Důležité koenzymy 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. 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 Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

Důležité prostetické skupiny 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 Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

Autokatalýza Chemická reakce se nazývá autokatalytickou, nebo podléhá autokatalýze, jestliže reakční produkt katalyzuje průběh reakce. Peníze dělají peníze 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 oC (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 (MnO4- + 8 H- → Mn2+ + 4 H2O) 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). Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

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. 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. V angličtině je popisována aktivita pomocí turnover number (TON) a katalytická efektivita pomocí turnover frequency (TOF =TON v jednotce času). Turnover number (označována též kcat) je definována jako maximální počet molekul substrátu, které dokáže enzym konvertovat na produkt na katalytickém místě za jednotku času. kcat = Vmax/[E]T. Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

ČÍSLA PŘEMĚNY NĚKTERÝCH ENZYMŮ Čísla přeměny některých enzymů (kcat) mol.mol-1.s-1 Karbonátdehydratasa 600 000 Acetylcholinesterasa 25000 Laktátdehydrogenasa 1000 Chymotrypsin 100 DNA- polymerasa 15 Lysozym 0,5 Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

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) Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

Reakční rychlost Michaelisova konstanta Km Rovnice Michaelise–Mentenové Rychlost tvorby produktu se uvádí jakožto reakční rychlost V v kinetice enzymu. Vmax = maximální rychlost pro danou koncentraci katalyzátoru (Dvojité) Reciproké vyjádření Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

Grafické vyjádření rovnice Michaelise–Mentenové Kinetika 1. řádu Kinetika 0. řádu Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

Reakční rychlost v linearizovaném grafu 1/v0 vs. [S] Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

Kompetitivní inhibice Některé molekuly inhibují katalýzu kompeticí o aktivní místa. Nejsilnější inhibitory se nazývají jedy. CH3OH  HCOOH C2H5OH  CH3COOH Alkoholdehydrogenasa Katalyzátor je kompetitivně inhibován netoxickou látkou na úkor toxického substrátu Nejvyšší rychlost je dosažena při vyšších koncentracích substrátu [S] Vmax je nezměněna Km je zýšena Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

Kompetitivní inhibice Km mol.l-1 [S] v o V max Km inh 1/v o [S]-1 1 / V max - 1/Km Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

Nekompetitivní inhibice Inhibitor (substrát) se váže k enzymu na místě, které je jiné než aktivní místo katalyzátoru (toto místo se nazývá alosterickým místem). Km je nezměněný (aktivní místo je bez substrátu) Vmax 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 Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015

Nekompetitivní inhibice Km [S] v0 V max Km inh Vmax inh 1/v o 1 / Vmax - 1 / Km max inh 1 / V 1/[S] mol.l-1 Základy lék. chemie Katalýza 2014/2015