Курс лекций по энзимиологии

Содержание

Слайд 2

Основные вопросы по 1-й лекции 1. Структурная биохимия. Первичная, вторичная, третичная

Основные вопросы по 1-й лекции

1. Структурная биохимия. Первичная, вторичная, третичная структура

белков. Связи, стабилизирующие эти структуры. Примеры. Методы разрушения ковалентных, ионных, гидрофобных связей.
2. Классификация ферментов по простетическим группам, по типу катализируемых реакций.
3. Практическое использование химической модификации белков.
4. Белок-белковые взаимодействия. Медицинские аспекты.
5. Посттрансляционные модификации белков
Слайд 3

Лекция 2 Химическая кинетика Химическая кинетика - один из важнейших разделов

Лекция 2 Химическая кинетика

Химическая кинетика - один из важнейших разделов химии,

задача которого - объяснение качественных и количественных изменений химического или биохимического процесса, происходящего во времени. Эту задачу подразделяют на две.
1. Выявление механизма реакции - установление элементарных стадий и последовательности их протекания (качественные изменения).
2. Количественное описание химической реакции - установление строгих отношений, которые могли бы предсказывать изменения количеств исходных реагентов и продуктов по мере протекания реакции.
При обсуждении механизмов реакции классифицируют по числу молекул, участвующих в каждом элементарном акте взаимодействия.
Слайд 4

Классификация химических реакций

Классификация химических реакций

Слайд 5

Молекулярность химических реакций Мономолекулярными называют реакции, в которых элементарный акт представляет

Молекулярность химических реакций

Мономолекулярными называют реакции, в которых элементарный акт представляет собой

химическое превращение одной молекулы.
A=B+C
Бимолекулярные - реакции, элементарный акт в которых осуществляется при одновременном столкновении двух молекул.
A+B=C или 2A=C
В тримолекулярных реакциях элементарный акт осуществляется при одновременном столкновении трех молекул.
2A+B=C A+B+C=D
Столкновение более чем трех молекул одновременно практически невероятно, поэтому реакций большей молекулярности на практике не обнаружено.
Слайд 6

Порядок реакции Порядок реакции. В кинетике различают реакции первого, второго ,

Порядок реакции

Порядок реакции. В кинетике различают реакции первого, второго , третьего

или даже дробного порядка. Порядок реакции - это число, равное сумме показателей степени концентрации реагирующих веществ в уравнении скорости.
A=B+C
v =k [A], это скорость реакции первого порядка.
A+B=C, v=k[A][B], сумма показателей 2, реакция суммарно второго порядка, но первого порядка по А, и первого по В.
или 2A=C v=k[A]2 , это скорость реакции второго порядка.
Слайд 7

Порядок реакции v =k [A]2 [B] [C] 3 , это реакция

Порядок реакции

v =k [A]2 [B] [C] 3 , это реакция шестого

порядка, но первого по В, второго по А, третьего по С.
Если в уравнении скорости отсутствует концентрация, т.е. v=k, то оно относится к реакции нулевого порядка. Реакции нулевого порядка протекают с постоянной скоростью и не зависят от концентрации реагирующих веществ. Например, в каталитической реакции, в которой концентрация реагента (субстрата) настолько превышает концентрацию катализатора (фермента), что катализатор (фермент) все время полностью насыщен реагентом, реакция будет протекать с максимальной скоростью, и на нее не будет влиять увеличение концентрации реагента.
Слайд 8

Cкорость реакции. Основным понятием в химической кинетике является скорость реакции. Скорость

Cкорость реакции.

Основным понятием в химической кинетике является скорость реакции.
Скорость

химической реакции определяется количеством вещества, прореагировавшего в единицу времени в единице объема.
Размерность скорости химической реакции моль/л с или моль/л мин (М/с, М/мин).
Скорость химической реакции в начальный момент времени , когда существенные изменения концентраций реагирующих веществ не успели произойти, называется начальной скоростью и обозначается v0
Скорость химической реакции в любой другой момент времени называется текущей скоростью v.
Слайд 9

Закон действующих масс Гулдберга и Вааге. В основе кинетики лежит закон

Закон действующих масс Гулдберга и Вааге.

В основе кинетики лежит закон действующих

масс Гулдберга и Вааге.
Закон действующих масс был сформулирован в 1867 г. Гулдбергом и Вааге, и независимо от них в 1865 г. русским ученым Н.И. Бекетовым.
(1861 г. Теория строения органических соединений А.М. Бутлерова,
1869 г. Периодический закон и Периодическая таблица химических элементов Д.И. Менделеева)
Слайд 10

Закон действующих масс Гулдберга и Вааге. Скорость химической реакции при постоянной

Закон действующих масс Гулдберга и Вааге.

Скорость химической реакции при постоянной температуре

прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степени их стехиометрических коэффициентов.
A=B+C
v =-dA/dt =k [A], k - коэффициент пропорциональности (константа скорости), [A]- молярная концентрация вещества А (М, моль/л)
Слайд 11

Выражения для скорости реакции Для реакции нулевого порядка v =-dA/dt =k,

Выражения для скорости реакции

Для реакции нулевого порядка v =-dA/dt =k,

(размерность k М/с)
Для мономолекулярной реакции A=B+C
v =-dA/dt =k [A], размерность k время-1, ( с -1 )
k - коэффициент пропорциональности (константа скорости),
[A]- молярная концентрация вещества А
В случае бимолекулярной реакции A+B=C, v=k[A][B]
2A=C, v=k[A]2 , размерность k М -1 с -1
в случае тримолекулярной реакции 2A+B=C
v= k[A]2[B]
A+B+C=D , v= k[A][B][C]
В общем виде mA+nB=C, v= k[A]m[B]n
Слайд 12

Закон действующих масс Гулдберга и Вааге. A=P V=k[A], k –константа скорости

Закон действующих масс Гулдберга и Вааге.

A=P
V=k[A], k –константа скорости
mA+nB=pC+qD
V=k[A]m[B]n
Влияние концентраций

реагирующих веществ может быть объяснено тем, что химические взаимодействия являются результатом столкновений частиц. Увеличение числа частиц в заданном объеме приводит к более частым столкновениям, т.е. к увеличению скорости реакции.
Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ справедлива для газов и реакций, протекающих в растворе. Для реакций с участием твердых веществ взаимодействие происходит не во всем объеме, а лишь на поверхности, от размера которой зависит скорость реакции. Поэтому реакции в гетерогенных системах значительно сложнее.
Слайд 13

Константа скорости k Константа скорости k характеризует 1) химическую природу реагирующих

Константа скорости k

Константа скорости k характеризует
1) химическую природу реагирующих веществ,


2) их способность вступать в реакцию.
Пример:Na+H2O=1/2H2 + NaOH (реакция идет бурно, со взрывом)
3Fe +4 H2O(пар) =Fe3O4 +4H2 (реакция идет при нагревании)
Физический смысл константы скорости - это скорость реакции при концентрации реагирующих веществ, равной единице, [A]=1моль/л (1М). v=k
Слайд 14

Способы выражения концентрации 1. Молярная концентрация. Количество молей в 1 л

Способы выражения концентрации

1. Молярная концентрация.
Количество молей в 1 л раствора


моль/л или М
ммоль/л, мМ (10-3)
мкмоль/л, мкМ (10-6)
нмоль/л, нМ (10-9 )
рмоль/л, рМ (10-12 )
фмоль /л фМ (10-15 )
Слайд 15

аттомоль/л, аМ (10-18 ) зептомоль/л, зМ (10-21 ) йоктомоль/л (yocto), (10-24

аттомоль/л, аМ (10-18 )
зептомоль/л, зМ (10-21 )
йоктомоль/л (yocto), (10-24 )


1 йоктомоль составляет 0,6 молекулы
Слайд 16

Молярная концентрация. Количество молей в 1 л раствора моль/л или М

Молярная концентрация.
Количество молей в 1 л раствора
моль/л или М
ммоль/л,

мМ (10-3)
мкмоль/л, мкМ (10-6)
нмоль/л, нМ (10-9 )
рмоль/л, рМ (10-12 )
фмоль /л фМ (10-15 )
аттомоль/л, аМ (10-18 )
зептомоль/л, зМ (10-21 )
йоктомоль/л (yocto), (10-24 )
1 йоктомоль составляет 0,6 молекулы
Слайд 17

2. Массовая доля (Процентная концентрация). Масса (г) вещества в 100 г раствора. m(в-ва)/m (р-ра) × 100%

2. Массовая доля (Процентная концентрация).
Масса (г) вещества в 100 г раствора.


m(в-ва)/m (р-ра) × 100%
Слайд 18

Экспериментальный расчет Расчет количества вещества на биочипе, электроде, подложке микроскопа. Например,

Экспериментальный расчет

Расчет количества вещества на биочипе, электроде, подложке микроскопа.
Например, на биочип

нанесли 2 мкл 100 мМ раствора белка. Сколько молей белка на биочипе? (ν =m/M; x= объем ×молярность)
Обратите внимание на размерность!
Слайд 19

Количество молей = объем * молярность ν = 2 * 10-6

Количество молей = объем * молярность
ν = 2 * 10-6 л

* 100 10-3 моль/л = 2 *10-7 моль
Слайд 20

Порядок реакции Порядок реакции. В кинетике различают реакции первого, второго ,

Порядок реакции

Порядок реакции. В кинетике различают реакции первого, второго , третьего

или даже дробного порядка. Порядок реакции - это число, равное сумме показателей степени концентрации реагирующих веществ в уравнении скорости.
A=B+C
v =k [A], это скорость реакции первого порядка.
A+B=C, v=k[A][B], сумма показателей 2, реакция суммарно второго порядка, но первого порядка по А, и первого по В.
или 2A=C v=k[A]2 , это скорость реакции второго порядка.
Слайд 21

Порядок реакции v =k [A]2 [B] [C] 3 , это реакция

Порядок реакции

v =k [A]2 [B] [C] 3 , это реакция шестого

порядка, но первого по В, второго по А, третьего по С.
Если в уравнении скорости отсутствует концентрация, т.е. v=k, то оно относится к реакции нулевого порядка. Реакции нулевого порядка протекают с постоянной скоростью и не зависят от концентрации реагирующих веществ. Например, в каталитической реакции, в которой концентрация реагента (субстрата) настолько превышает концентрацию катализатора (фермента), что катализатор (фермент) все время полностью насыщен реагентом, реакция будет протекать с максимальной скоростью, и на нее не будет влиять увеличение концентрации реагента.
Слайд 22

Зависимость скорости реакции нулевого порядка от концентрации V=k

Зависимость скорости реакции нулевого порядка от концентрации

V=k

Слайд 23

Зависимость скорости реакции первого порядка от концентрации v =k [A],

Зависимость скорости реакции первого порядка от концентрации

v =k [A],

Слайд 24

Зависимость скорости реакции второго порядка от концентрации V=k[A]2 парабола

Зависимость скорости реакции второго порядка от концентрации

V=k[A]2

парабола

Слайд 25

Начальная скорость ферментативной реакции Начальная скорость – это скорость в первые

Начальная скорость ферментативной реакции

Начальная скорость – это скорость в первые моменты

инкубации, пока еще сохраняется прямо пропорциональная зависимость между нарастанием продукта и временем инкубации, пока превращению подверглось не более 10-15 % субстрата.
Слайд 26

Определение начальной скорости реакции Ход экспериментальной кривой во времени. Нарастание продукта

Определение начальной скорости реакции

Ход экспериментальной кривой во времени. Нарастание продукта

Р.

Если кривая не имеет прямолинейного участка,, то одна из причин –
нехватка субстрата. В этом случае проводится касательная из начала
координат к кривой, и тангенс угла наклона дает v0

Слайд 27

Каталитические реакции Если катализатор находится в одной фазе с реакционной смесью,

Каталитические реакции

Если катализатор находится в одной фазе с реакционной смесью, то

процесс называется гомогенным, если в разных фазах – гетерогенным.
Катализатор – вещество, не входящее в стехиометрическое уравнение реакции, ускоряющее химическую реакцию, но остающееся неизменным после реакции.
Слайд 28

Ферменты, растворенные в реакционной смеси, считаются гомогенными катализаторами. Однако, часто ферменты

Ферменты, растворенные в реакционной смеси, считаются гомогенными катализаторами.
Однако, часто ферменты ведут

себя как гетерогенные катализаторы, так как из-за большого размера их белковых молекул они образуют коллоидные, а не истинные растворы (размеры белков лежат в нанометровом диапазоне).
Слайд 29

Истинные растворы -размеры чстич менее 1 нм Коллоидные растворы (растворы белков 1-100 нм (нанорастворы)

Истинные растворы -размеры чстич менее 1 нм
Коллоидные растворы (растворы белков 1-100

нм (нанорастворы)
Слайд 30

Каталитические реакции Катализатор – это вещество не входящее в стехиометрическое уравнение

Каталитические реакции

Катализатор – это вещество не входящее в стехиометрическое уравнение

реакции, может образовывать с исходными веществами переходные комплексы с меньшими свободными энтальпиями активации, чем при непосредственном взаимодействии исходных веществ. Если образующиеся переходные комплексы распадаются с образованием продуктов и полной регенерацией катализатора, то реакция является каталитической.
Слайд 31

Активные центры ферментов как биологических катализаторов В основе катализа лежит представление

Активные центры ферментов как биологических катализаторов

В основе катализа лежит представление о

том, что каталитический цикл осуществляется совокупностью атомов, которые составляют активный центр . Для ферментов под активным центром понимают совокупность фрагментов аминокислот, осуществляющих связывание (сорбцию) субстрата, его химическую активацию и превращение.
Слайд 32

Активные центры ферментов Активный центр фермента имеет сложную конфигурацию, он включает

Активные центры ферментов

Активный центр фермента имеет сложную конфигурацию, он включает как

полярные (гидрофильные ), так и неполярные (гидрофобные ) группы.
Представление об активном центре сформировалось в результате анализа данных по ингибированию реакций и химической модификации белковой молекулы.
Слайд 33

Активные центры ферментов Активный центр фермента осуществляет две функции: 1. сорбцию

Активные центры ферментов

Активный центр фермента осуществляет две функции:
1. сорбцию субстрата

(комплексообразование субстрата с ферментом)
2. химическое превращение субстрата
Условно в активном центре можно выделить сорбционный и каталитический участки.
Слайд 34

Природа ферментативного катализа S→S* P На первой стадии исходная молекула претерпевает

Природа ферментативного катализа

S→S*

P

На первой стадии исходная молекула претерпевает
определенные конформационные и

электронные
изменения, которые служат предпосылкой ее
последующего преобразования в конечный продукт
E+S  ES  →E + P
Слайд 35

Энергия активации. В таком возбужденном состоянии S*(его называют переходным) молекула существует

Энергия активации.

В таком возбужденном состоянии S*(его называют переходным) молекула существует

очень недолго (10 -14 -10 -13 с). Возникновение переходного состояния обусловлено поступлением энергии извне.
Суммарная реакция должна сопровождаться уменьшение свободной энергии – иначе она не произошла бы. Положительное изменение свободной энергии при превращении S-S* называют энергией активации.
Слайд 36

Взаимодействие субстрата и фермента описывается моделью «ключ-замок» или моделью индуцированного соответствия,

Взаимодействие субстрата и фермента описывается моделью «ключ-замок»
или моделью индуцированного соответствия, когда

активный центр фермента достаточно гибок и может изменять свою конформацию при связывании субстрата.
Слайд 37

Идентификация групп, входящих в активные центры ферментов 1.Идентификация групп, входящих в

Идентификация групп, входящих в активные центры ферментов

1.Идентификация групп, входящих в активные

центры ферментов, проводится с помощью химической модификации (см. лекцию 1)
2. Новые возможности идентификации групп, входящих в активные центры ферментов, появились с развитием техники сайт-специфического мутагенеза (генетическая инженерия ферментов). Для ферментов, экспрессию генов которых можно проводить с помощью генно-инженерных конструкций типа плазмид, возможна замена отдельных аминокислот на уровне ДНК (на уровне кодонов) с последующей экспрессией и изучением каталитических свойств получаемых белков.
3. Методы с использованием биосенсорных технологий и биоинформационные методы
Слайд 38

Сорбционный и каталитический участки. Сорбционный подцентр, ответственный за связывание, фиксацию и

Сорбционный и каталитический участки.

Сорбционный подцентр, ответственный за связывание, фиксацию и ориентацию

субстратов, определяет специфичность действия ферментов
Каталитический подцентр, осуществляющий химическое превращение молекул субстрата и использующий для этих целей различные механизмы катализа.
Слайд 39

Типы катализа 1. Катализ сближением. (Внутримолекулярные реакции и ферментативные реакции). 2.

Типы катализа

1. Катализ сближением. (Внутримолекулярные реакции и ферментативные реакции).
2. Ковалентный катализ.


2.1.Нуклеофильный катализ.
2.2. Электрофильный катализ.
.
Слайд 40

3. Общий кислотно-основный катализ 3.1. Кислотный катализ. Катализируется ионами водорода, кислотами. 3.2. Основный катализ. Катализируется основаниями.

3. Общий кислотно-основный катализ
3.1. Кислотный катализ. Катализируется ионами водорода, кислотами.
3.2.

Основный катализ. Катализируется основаниями.
Слайд 41

Типы катализа (по механизму реакции). 1. Катализ сближением. Примеры: внутримолекулярные реакции и ферментативные реакции

Типы катализа (по механизму реакции). 1. Катализ сближением. Примеры: внутримолекулярные реакции и

ферментативные реакции
Слайд 42

Внутримолекулярные реакции

Внутримолекулярные реакции

Слайд 43

1. Катализ сближением Для ферментов катализ сближением приводит к локальному увеличению

1. Катализ сближением

Для ферментов катализ сближением приводит к локальному увеличению локальной

концентрации реагирующих молекул на активном центре фермента.
На активном центре фермента происходит сближение реагирующих молекул за счет слабых сил связывания.
Слайд 44

2. Ковалентный катализ. Некоторые ферменты химически реагируют с субстратами с образованием

2. Ковалентный катализ.

Некоторые ферменты химически реагируют с субстратами с образованием ковалентных

фермент-субстратных промежуточных соединений (ацилфермент в случае сериновых протеиназ).
Слайд 45

Ковалентные фермент-субстратные промежуточные соединения

Ковалентные фермент-субстратные промежуточные соединения

Слайд 46

2.1. Нуклеофильный катализ 1. К нуклеофильным группам ферментов, которые участвуют в

2.1. Нуклеофильный катализ

1. К нуклеофильным группам ферментов, которые участвуют в

ковалентном катализе относятся:
-OH (серин, тирозин)
-SH (цистеин)
-COOH (аспарагиновая кислота)
NH2- (лизин)
Имидазол (гистидин)
Все нуклеофильные группы, как правило, имеют свободную пару электронов.
Слайд 47

Нуклеофильный катализ

Нуклеофильный катализ

Слайд 48

2.2. Электрофильный катализ (основная роль – стабилизация образующихся отрицательных зарядов) Примеры

2.2. Электрофильный катализ (основная роль – стабилизация образующихся отрицательных зарядов)

Примеры электрофильных

катализаторов
1. ионы металлов.
2. пиридоксальфосфат (пиридиновое кольцо оттягивает на себя электроны, эффективно стабилизируя отрицательный заряд.
3. тиаминпирофосфат
Слайд 49

Пиридоксаль фосфат конденсируется с аминокислотами, образуя основание Шиффа. Пиридиновое кольцо оттягивает

Пиридоксаль фосфат конденсируется с аминокислотами, образуя основание Шиффа. Пиридиновое кольцо оттягивает

на себя электроны, эффективно стабилизируя отрицательный заряд.
Слайд 50

Пиридоксаль фосфат

Пиридоксаль фосфат

Слайд 51

3. Общий кислотно-основный катализ 3.1. Кислотный катализ. Катализируется ионами водорода, кислотами. 3.2. Основный катализ. Катализируется основаниями

3. Общий кислотно-основный катализ

3.1. Кислотный катализ. Катализируется ионами водорода, кислотами.
3.2. Основный

катализ. Катализируется основаниями
Слайд 52

Классификация химических реакций

Классификация химических реакций

Слайд 53

Классификация реакций (по стадиям). Последовательные многостадийные цепи реакций (гликолиз). А→Б →В

Классификация реакций (по стадиям).

Последовательные многостадийные цепи реакций (гликолиз).
А→Б →В →Г….Р
В такой

цепи скорость образования конечного продукта определяется скоростью самой медленной стадии (узкое место)
Слайд 54

Классификация реакций (по стадиям) Разветвленные реакции с образованием различных конечных продуктов.

Классификация реакций (по стадиям)

Разветвленные реакции с образованием различных конечных продуктов. Пример:

превращение ацетил –КоА:
ацетил –КоА идет в цикл Кребса, на синтез жирных кислот, на другие синтетические процессы.
Замкнутые циклы (цикл Кребса или орнитиновый цикл)
Слайд 55

Классификация реакций Ферментативная реакция E+S  ES  →E + P

Классификация реакций

Ферментативная реакция
E+S  ES  →E + P
Необратимые (односторонние

для ферментативных реакций) (АТФ-азная реакция) E+S  ES →E + P
Обратимые (двухсторонние для ферментативных реакций) (переаминирование) E+S ES  E + P
- Предыдущая
Моё путешествие в Японию
Следующая -
Профсоюзный плюс. Программа социального дисконта для членов профсоюза металлургов и их семей ПАО Северсталь

Похожие презентации

Окислительно-восстановительные процессы
Характеристика металу Алюміній
Стискання газів. Рівняння Менделєєва-Клапейрона
Наноструктурные и нанокристаллические материалы
Химический брейн-ринг
Железо и его соединения
Водород как элемент и простое вещество
Химия переходных элементов IV – V группы
Многоатомные спирты
Аминокислоты. Классификация аминокислот
Химическая лаборатория
Аттестационная работа. Мини-проекты на уроках химии. 8 класс
Презентация Химия и русский язык
Оңай балқитын флюстерді қолдана отырып хромкенді шекемтастар алу мүмкіндігін зерттеу
Лекарства
Получение металлов
Платина. Знаходження в періодичній системі і основні характеристики
Химическое равновесие. Протолитические равновесия и процессы в растворах электролитов
Эпоксидные смолы
Органические соединения и их классификация
Внесение удобрений разбрасыванием
Презентация по Химии "Вода" - скачать смотреть
Изотермический процесс в реакционном объеме. (Тема 6.2)
Аттестационная работа. Методическая разработка фрагмента урока химии с элементами исследовательской деятельности
Оксиди
Топливо. Виды топлива
Каучук, резина и другие
Дослідження на тему: Історія назви міста За проектом “Екологічна ситуація у рідному місті”
Вы можете прислать нам Вашу презентацию и мы опубликуем ее на сайте.
Обратная связь
Для правообладателей
Email: Нажмите что бы посмотреть