REAKCIÓKINETIKA ÉLŐ SEJTEKBEN

Az előadások a következő témára: "REAKCIÓKINETIKA ÉLŐ SEJTEKBEN"— Előadás másolata:

1 REAKCIÓKINETIKA ÉLŐ SEJTEKBEN
Aszódi András

2 MAKROSZKÓPIKUS KÉMIA

3 TÖMEGHATÁS-KINETIKA Érvényes közelítés, ha… …a reakcióelegy homogén
…a molekulák gyakran ütköznek …a hőmérséklet állandó …a molekulák “belső” szabadsági fokai termodinamikai egyensúlyban vannak

4 MIKROSZKÓPIKUS KÉMIA Inhomogén elegyek Kevés molekula

5 SZTOCHASZTIKUS KINETIKA
Annak a valószínűsége, hogy a t+t időintervallumban egy elemi reakció történik:- Annak a valószínűsége, hogy semmi se történik:- k a mikroszkópos sebességi állandó!

6 MAKROSZKÓPOS ÉS MIKROSZKÓPOS SEBESSÉGI ÁLLANDÓK
Mi az összefüggés elsőrendű reakciók esetén?

7 SZTOCHASZTIKUS SZIMULÁCIÓ
A rendszer állapota:- {nA,nB,nE,nEA,nEB,nES,nC} Egységnyi idő alatti átalakulási valószínűségek:- 1=k1·nA ·nE 2=k2·nB ·nE 3=k3·nA ·nEB 4=k4·nB ·nEA 5=k5·nES Melyik reakció történik meg legközelebb? Mikor fog megtörténni?

8 A GILLESPIE-ALGORITMUS
Melyik reakció következik be? 1. Rulett-algoritmussal kiválasztjuk i-t Mikor következik be? Annak a valószínűsége, hogy mostantól fogva t idő alatt semmi sem történik:- t exponenciális eloszlású, M paraméterrel 2. Hajtsuk végre az i -edik reakciót 3. Lépjünk t-nyi időt, ismételjük 1-től Gillespie, D.T. J. Phys.Chem. 81: (1977)

9 „ZSÚFOLT“ RENDSZEREK KINETIKÁJA

10 EGY EUKARIÓTA SEJT ALKOTÓRÉSZEI

11 AZ ÉLŐ SEJTEK „ZSÚFOLTAK“
Aktin filament Riboszómák Membrán Dictyostelium discoideum sejt belseje (krioelektron-tomográfiás rekonstrukció) Medalia et al. (2002), Science 298, 1209–1213.

12 A ZSÚFOLTSÁG MÉRTÉKE In vitro: 1..10 mg/ml In vivo: 50..400 mg/ml
30 vol%-os fehérjeoldatban az össztérfogat 1%-a áll csak egy újabb molekula rendelkezésére E.coli sejtben egy átlagos fehérje diffúziós együtthatója az in vitro értéknek csak mintegy tizede

13 NÉHÁNY KÍSÉRLETI EREDMÉNY
Számos fehérje, amely híg oldatban spontán fölveszi natív szerkezetét, zsúfolt környezetben chaperone-okat igényel J. Martin (2002), Biochemistry 41: 5050–5055. Peptidbontó enzimek zsúfolt környezetben peptidszintézist katalizálnak B. Somalinga, R. Roy (2002), J. Biol. Chem. 277: 43253– Tömény dextránoldat hozzáadására megnő a lizozim enzim denaturációs hőmérséklete K. Sasahara, P. McPhie, A.P. Minton (2003), J. Mol. Biol. 326: 1227– 1237.

14 EGYENSÚLYI REAKCIÓK FENOMENOLOGIKUS TERMODINAMIKAI LEÍRÁSA
Ideális egyensúlyi állandó Korrekciós faktor

15 AZ AKTIVITÁSI EGYÜTTHATÓ ÉRTELMEZÉSE
Az i-edik oldott anyag kölcsönhatása az oldószerrel Az i-edik oldott anyag kölcsönhatása a többi oldott anyaggal

16 AZ AKTIVITÁSI EGYÜTTHATÓ KÖZELÍTŐ SZÁMÍTÁSA
Több oldott species esetén:- j i k Egy oldott species esetén:- Például B2 értéke centroszimmetrikus U(r) potenciál esetén W.G. McMillan Jr., J.E. Mayer (1945), J. Chem. Phys –305.

17 A KIZÁRT TÉRFOGAT HATÁSA
MC MC MT MC MC Vtotal “Scaled Particle Theory”: A T makromolekula aktivitási együtthatója több nagyságrenddel is megnôhet a C (“crowder”) makromolekula hatására!

18 A ZSÚFOLTSÁG KÖVETKEZMÉNYEI
Termodinamikai következmények Aktivitási együtthatók megnövekednek Kémiai egyensúlyok eltolódnak a kompaktabb termékek irányába (pl. oligomerizációs folyamatok) Kinetikai következmények Elsőrendű reakciók sebessége megnő Másodrendű (diffúziólimitált) reakciók sebessége csökken

19 NEMIDEÁLIS MM-KINETIKA
Fenomenologikus leírás, nem megyünk vele sokra...

20 “LATTICE GAS AUTOMATON”
ESE+S vagy ESE+P C S ES E E+SES P C S Megszámoljuk, hányszor megy végbe ez a reakció C S P C Inert oldott anyag (“crowder”) Diffúzió

21 ELEMI REAKCIÓK SEBESSÉGE
“Reakciókoordináta” A sebességi “állandók” változhatnak!

22 A SZIMULÁCIÓ EREDMÉNYE (1)
A másodrendű sebességi “állandó” idő- és zsúfoltságfüggő! Az elsőrendű sebességi állandók tényleg állandóak Schnell, S. & Turner, T.E. (2004): Progr. Biophys. Mol. Biol. 85:

23 A SZIMULÁCIÓ EREDMÉNYE (2)
Klasszikus MM Sztoch. szimul. Nagyon zsúfolt Kevésbé zsúfolt Az ES komplex szimulált koncentrációváltozása jelentősen eltér a klasszikus eredménytől, ha tekintetbe vesszük a zsúfoltságot és a térbeli inhomogenitást. Berry, H. (2002): Biophys. J. 83:

24 TANULSÁGOK A klasszikus tömeghatás-kinetika nem érvényes:-
Inhomogén rendszerekben Kicsiny rendszerekben In vivo kémiai reakciók leírásához szükséges:- Sztochasztikus kinetika Térbeli eloszlás figyelembevétele Diffúzió modellezése