REAKCIÓKINETIKA BIOLÓGIAI RENDSZEREKBEN

Az előadások a következő témára: "REAKCIÓKINETIKA BIOLÓGIAI RENDSZEREKBEN"— Előadás másolata:

1 REAKCIÓKINETIKA BIOLÓGIAI RENDSZEREKBEN
Aszódi András Novartis Institute for Biomedical Research, Vienna

2 MIRÔL LESZ MA SZÓ? Klasszikus enzimkinetika
enzimreakciók jellegzetességei telítési és allosztérikus kinetika Enzimaktivitás szabályozása enzimgátlás kinetikája glikolízis enzimkinetikai szimulációja Modern biokémiai kinetika kinetika “zsúfolt rendszerekben” sztochasztikus szimulációk

3 KLASSZIKUS ENZIMKINETIKA

4 AZ ENZIMEK: KATALITIKUS HATÁSÚ FEHÉRJÉK
Effektor Aktiválás/gátlás Enzim O O H N Q N Q N + + N + + N N H H + N N H 2 2 R R H N N N H N N N 2 H H O 2 H H O Szubsztrátok Termékek + Hatékonyabbak a kémiai katalizátoroknál Aktivitásuk szabályozható

5 PÉLDA: DIHIDROFOLÁT REDUKTÁZ
szubsztrát koenzim termék

6 AZ ENZIMKATALÍZIS FOLYAMATA
szubsztrátok termékek átmeneti komplex

7 A KATALITIKUS CIKLUS S P T Enzim/termék Enzim/szubsztrát Átmeneti
komplex

8 ENZIM-SZUBSZTRÁT KOMPLEX

9 MOLEKULÁRIS VIDEÓ

10 TELÍTÉSI KINETIKA “nulladrendû“ Reakciósebesség “elsôrendû“
Szubsztrátkoncentráció Az enzimkatalizált reakciók nagy része telítési (“hiperbolikus”) kinetikát mutat. Milyen egyszerü modellel magyarázhatjuk ezt meg?

11 MICHAELIS-MENTEN KINETIKA (1)
Briggs és Haldane egyszerüsítése (“kvázistacionaritás”): úgy teszünk, mintha az átmeneti komplex koncentrációváltozását elhanyagolnánk! Látni fogjuk, hogy [ES] ennek ellenére nem állandó...

12 MICHAELIS-MENTEN KINETIKA (2)
“kvázistacionaritás” enzim összkoncentráció Michaelis-állandó Sebességi egyenlet

13 MICHAELIS-MENTEN KINETIKA (3)
“nulladrendû“ Reakciósebesség “elsôrendû“ Szubsztrátkoncentráció

14 MICHAELIS-MENTEN KINETIKA (4)
Egyszerû modell Jó fenomenologikus leírást ad A paraméterek (vmax, Km) mérhetôek

15 AZ ÁTMENETI KOMPLEX KONCENTRÁCIÓVÁLTOZÁSA
…és a teljes reakció során “Eppur si muove!” [ES] változása az elsö 10 ms alatt… “konstans” Ha a kinetikai egyenleteket elhanyagolások nélkül oldjuk meg, kiderül, hogy a reakció során rendkívül gyors és lassú folyamatok zajlanak egyidejüleg.

16 “GYORS” ÉS “LASSÚ” FOLYAMATOK

17 STIFF (“MEREV”) DIFFERENCIÁLEGYENLET-RENDSZEREK
Gyakran fellépnek reakciókinetikai alkalmazások során, és a numerikus instabilitások nagyon megnehezíthetik az életünket, ha nem alkalmazzuk a következö módszereket:- Kvázistacionárius közelítés: algebrai átalakításokkal a gyors tranzienseket kiküszöböljük  “kézimunka” Numerikus megoldás speciális “stiff” implicit integrátor algoritmusokkal (Gear, Rosenbrock…)  célravezetöbb

18 “SZIGMOID” KINETIKA Reakciósebesség Szubsztrát koncentráció
Gyakran elôfordul oligomér enzimeknél, amelyek több alegységbôl állnak (egy komplexben több aktív centrum)

19 KOOPERATIVITÁS Az elsô szubsztrát kötôdése elösegíti a második kötôdését (pozitív kooperativitás). Néha az ellenkezôje történik, és a második szubsztrát nehezebben kötôdik (negatív kooperativitás).

20 A RÉSZLEGES TELÍTÉS Betöltött kötôhelyek aránya
Két kötôhely esetén a helyzet viszonylag egyszerû: de n>2 -re már csúnya egyenleteket kapunk.

21 A HILL-EGYÜTTHATÓ A Hill-együttható jelzi, hogy a kötôdés mennyire kooperatív. Ha n=1, akkor nincs kooperativitás, n>1 esetén a kötôdési egyensúly megfelel egy E+nS=ESn maximálisan kooperatív folyamatnak.

22 KOOPERATÍV KATALÍZIS Két aktív centrum (dimér enzim)
A második szubsztrát kötôdése függhet az elsôétôl Termék képzôdési sebessége mindkét aktív centrumban azonos

23 KVÁZISTACIONÁRIUS KÖZELÍTÉS
Az átmeneti komplexek, ES és ES2 koncentrációit kifejezzük a kvázistacionárius feltételekböl, és behelyettesítjük a termék képzödési sebességét leíró egyenletbe:

24 A SEBESSÉGI EGYENLET Aki nem hiszi, járjon utána…
Ha a két kötöhely egymástól független, azaz k+1=k+2 és k-1=k-2 (nincs kooperativitás), akkor visszakapjuk az egy aktív centrumra vonatkozó Michaelis-Menten egyenletet:

25 TANULSÁGOK Telítési kinetika leírható a Michaelis-Menten formalizmussal Szigmoid kinetika megmagyarázható allosztérikus formalizmussal Jól bevált, fenomenologikus leírások, mérhetô paraméterekkel