H6: enzymen
1. Activeringsenergie en metastabiele staat
er zijn veel stoffen die zeer fel exergonisch zijn (∆G<<0), toch vinden deze onder
standaardomstandigheden nooit of zeer traag plaats. Dit komt omdat er meestal een
activeringsenergie nodig is, waarna de reactie vanzelf plaatsvindt.
Bv.
- Oxidatie van glucose (∆G°’ = -686 kcal/mol) maar zal niet spontaan plaatsvinden. (botsing
van glucose en 02 gebeurt onvoldoende/ te weinig)
- Hydrolyse van ATP (∆G°’ = -7,3 kcal/ mol) zal heel traag spontaan gebeuren.
ATP + H2O ADP + Pi
activeringsE= de nodige E die we moeten toevoegen opdat de verschillende substraten (=reagentia)
voldoende E krijgen om met elkaar te botsen en de juiste interacties te tonen om de transitie
toestand te bereiken (katalyserende toestand) zodat de reactie plaatsvindt
Voordat een chemische reactie kan plaatsvinden, moet de
activeringsenergiebarrière worden overwonnen.
- voor elke reactie moet er een specifieke hoeveelheid activeringsenergie (EA) worden
toegevoegd
o dit is de minimum hoeveelheid energie die nodig is om de reagentia te laten versmelten en zo
dus de producten te bekomen
bv. de kans dat een glucose molecule botst met zes zuurstof moleculen op hetzelfde moment met de
juiste oriëntatie is bijna nihil hoge activeringsenergie
o ∆G°’ geeft de hoeveelheid energie weer die netto vrijkomt, de activeringsenergie valt hier dus
niet onder.
- transitietoestand: moleculen hebben genoeg activeringsenergie om tot elkaar door te
dringen en zo een reactie aan te gaan (piek in grafiek)
De metastabiele toestand is het
resultaat van de activeringsbarrière
voor veel reacties is de activeringsenergie theoretisch zo hoog dat het bijna onmogelijk is om deze
reacties te laten plaatsvinden
o de meeste moleculen kunnen echter wel een exergonische reactie aangaan en zijn dus met
andere woorden thermodynamisch onstabiel, maar door de hoge activeringsenergie kunnen
ze geen reactie aangaan, met als gevolg dat ze in deze onstabiele toestand (theoretisch)
voorkomen in de cel
, - deze moleculen bevinden zich in een ‘metastabiele toestand’ wat dus wil zeggen
dat het lijkt alsof ze stabiel zijn ondanks dat ze theoretisch onstabiel zijn (zonder
katalyse)
- de vereiste hoge activeringsenergie en de bijhorende metastabiele toestand zijn
noodzakelijk om reacties in een steady state te houden, zodat de levensprocessen
in stand gehouden kunnen worden want als alle reacties in evenwicht waren zou er
geen leven zijn
katalysatoren overbruggen de activeringsbarrière
Ondanks dat de hoge activeringsenergie voor veel reacties noodzakelijk is om het leven in stand te
houden, moet deze natuurlijk overbrugt worden om reacties effectief te laten plaatsvinden
om deze barrière te overbruggen zijn er twee mogelijke oplossingen :
1. verhogen van gemiddelde energie van alle moleculen zodat deze aan activeringsenergie
voldoet:
o één manier is om de energie inhoud van het systeem te verhogen is door de toevoeging van
warmte, maar aangezien het in stand houden van vele moleculen gebaseerd is op een isotherm
milieu is dit dus moeilijk te realiseren
2. ofwel verlaagt men de theoretisch benodigde activeringsenergie
a. een andere manier om dus toch aan de activeringsenergie te voldoen, is ervoor te
zorgen dat alle reagentia gebonden worden op een oppervlak, reactieve worden
dicht bij elkaar gebonden in een juxtapositie, hierdoor is men niet meer afhankelijk
van toevallige botsingen (die ook nog met genoeg energie en in de juiste richting
moeten zijn), de activeringsenergie is dus verlaagt
i. de juxtapositie is het binden van de reagentia in een verwrongen toestand
die in de buurt komt van de transitietoestand
b. om ervoor te zorgen dat een reactief oppervlak, waar de moleculen op kunnen
binden, beschikbaar is, maakt men gebruik van katalysatoren
i. een katalysator is een stof die ervoor zorgt dat het aantal reacties per
tijdseenheid stijgt en/of de activeringsenergie van de reactie verlaagd
wordt, deze katalysator wordt niet gebruikt in de totale reactie en kan dus
hergebruikt worden
c. een andere manier om de benodigde activeringsenergie te omzeilen is ‘quantum
tunneling’, gebaseerd op dat materie een deeltjes en golf karakter heeft. Dit proces
is temperatuur onafhankelijk in tegenstelling tot de meeste enzym-katalytische
reacties
om de snelheid van een reactie te verhogen kunnen de volgende stappen ondernomen worden :
d. de concentratie van de reagentia verhogen of de concentratie van de producten
verlagen
i. als men de snelheid significant wil verhogen is dit moeilijk te realiseren
omdat de cellen dan veel meer reagentia moeten aanvoeren dan ze werkelijk
nodig hebben
e. temperatuur verhogen
i. kan gedeeltelijk helpen maar is op zichzelf nooit genoeg om de reactie in
grote mate versnellen, het kan ook nadelige gevolgen hebben omdat andere
reacties dan te snel plaatsvinden of bepaalde stoffen gaan denatureren
f. door de vereiste activeringsenergie gedeeltelijk te omzeilen kunnen door enzymen
gekatalyseerde reacties veel sneller lopen, dit kan gaan van 10 7 tot 1017 keer sneller
(= rate enhancement)
, i. zonder enzymen zou het leven dus nooit in de huidige omstandigheden
kunnen plaatsvinden
ii. enzymen kunnen meestal maar één of enkele reacties katalyseren zodat via
de hoeveelheid enzymen ook gereguleerd kan worden hoeveel producten er
worden gevormd.
Werking van enzymen:
Werking enzymen:
- ze binden alle reagentia (substraten) zodat de reactie niet afhangt van een toevallige
botsing
- ze verlagen de activeringsenergie (binden van substraten in bijna-transitietoestand of
‘quantum tunneleffect’)
- ze omgeven de substraten door strategisch gepositioneerde groepen die het optreden van
de reactie bevorderen
grafiek: T
1. aantal moleculen dat bij bepaalde T een zekere hoeveelheid E heeft: activeringE nodig om
duuwtje te geven
2. aantal moleculen bij hogere T: meer moleculen kunnen deelnemen aan reactie
grafiek: enzymen
3. activeringE is verlaagd meer moleculen kunnen deelnemen aan reactie
2.
2.
2.
2.
2.
2.
E
nzymen zijn biokatalysatoren
Waarom zijn enzymen nodig?
Glucose + 6O2 6CO2 + 6H2O
ΔG = -686 kcal/mol
ΔG = ΔH-TΔS
Deze reactie is traag omdat de kans dat glucose en 6 zuurstofmoleculen met elkaar botsen in de
juiste oriëntatie erg klein is (glucose is in een metastabiele toestand)
op basis van hun chemische natuur delen alle katalysatoren drie basiseigenschappen:
o een katalysator verhoogt de snelheid van een reactie door de benodigde activeringsenergie
behoefte te verlagen, zo maken ze een thermodynamische reactie mogelijk aan een redelijke
snelheid zonder het verhogen van de thermische activiteit.
o Een katalysator werkt door het vormen van omkeerbaar complex met de substraat moleculen,
de substraat moleculen worden zo gebonden dat de interactie vergemakkelijkt en ze zo in de
buurt van de transitietoestand brengt
1. Activeringsenergie en metastabiele staat
er zijn veel stoffen die zeer fel exergonisch zijn (∆G<<0), toch vinden deze onder
standaardomstandigheden nooit of zeer traag plaats. Dit komt omdat er meestal een
activeringsenergie nodig is, waarna de reactie vanzelf plaatsvindt.
Bv.
- Oxidatie van glucose (∆G°’ = -686 kcal/mol) maar zal niet spontaan plaatsvinden. (botsing
van glucose en 02 gebeurt onvoldoende/ te weinig)
- Hydrolyse van ATP (∆G°’ = -7,3 kcal/ mol) zal heel traag spontaan gebeuren.
ATP + H2O ADP + Pi
activeringsE= de nodige E die we moeten toevoegen opdat de verschillende substraten (=reagentia)
voldoende E krijgen om met elkaar te botsen en de juiste interacties te tonen om de transitie
toestand te bereiken (katalyserende toestand) zodat de reactie plaatsvindt
Voordat een chemische reactie kan plaatsvinden, moet de
activeringsenergiebarrière worden overwonnen.
- voor elke reactie moet er een specifieke hoeveelheid activeringsenergie (EA) worden
toegevoegd
o dit is de minimum hoeveelheid energie die nodig is om de reagentia te laten versmelten en zo
dus de producten te bekomen
bv. de kans dat een glucose molecule botst met zes zuurstof moleculen op hetzelfde moment met de
juiste oriëntatie is bijna nihil hoge activeringsenergie
o ∆G°’ geeft de hoeveelheid energie weer die netto vrijkomt, de activeringsenergie valt hier dus
niet onder.
- transitietoestand: moleculen hebben genoeg activeringsenergie om tot elkaar door te
dringen en zo een reactie aan te gaan (piek in grafiek)
De metastabiele toestand is het
resultaat van de activeringsbarrière
voor veel reacties is de activeringsenergie theoretisch zo hoog dat het bijna onmogelijk is om deze
reacties te laten plaatsvinden
o de meeste moleculen kunnen echter wel een exergonische reactie aangaan en zijn dus met
andere woorden thermodynamisch onstabiel, maar door de hoge activeringsenergie kunnen
ze geen reactie aangaan, met als gevolg dat ze in deze onstabiele toestand (theoretisch)
voorkomen in de cel
, - deze moleculen bevinden zich in een ‘metastabiele toestand’ wat dus wil zeggen
dat het lijkt alsof ze stabiel zijn ondanks dat ze theoretisch onstabiel zijn (zonder
katalyse)
- de vereiste hoge activeringsenergie en de bijhorende metastabiele toestand zijn
noodzakelijk om reacties in een steady state te houden, zodat de levensprocessen
in stand gehouden kunnen worden want als alle reacties in evenwicht waren zou er
geen leven zijn
katalysatoren overbruggen de activeringsbarrière
Ondanks dat de hoge activeringsenergie voor veel reacties noodzakelijk is om het leven in stand te
houden, moet deze natuurlijk overbrugt worden om reacties effectief te laten plaatsvinden
om deze barrière te overbruggen zijn er twee mogelijke oplossingen :
1. verhogen van gemiddelde energie van alle moleculen zodat deze aan activeringsenergie
voldoet:
o één manier is om de energie inhoud van het systeem te verhogen is door de toevoeging van
warmte, maar aangezien het in stand houden van vele moleculen gebaseerd is op een isotherm
milieu is dit dus moeilijk te realiseren
2. ofwel verlaagt men de theoretisch benodigde activeringsenergie
a. een andere manier om dus toch aan de activeringsenergie te voldoen, is ervoor te
zorgen dat alle reagentia gebonden worden op een oppervlak, reactieve worden
dicht bij elkaar gebonden in een juxtapositie, hierdoor is men niet meer afhankelijk
van toevallige botsingen (die ook nog met genoeg energie en in de juiste richting
moeten zijn), de activeringsenergie is dus verlaagt
i. de juxtapositie is het binden van de reagentia in een verwrongen toestand
die in de buurt komt van de transitietoestand
b. om ervoor te zorgen dat een reactief oppervlak, waar de moleculen op kunnen
binden, beschikbaar is, maakt men gebruik van katalysatoren
i. een katalysator is een stof die ervoor zorgt dat het aantal reacties per
tijdseenheid stijgt en/of de activeringsenergie van de reactie verlaagd
wordt, deze katalysator wordt niet gebruikt in de totale reactie en kan dus
hergebruikt worden
c. een andere manier om de benodigde activeringsenergie te omzeilen is ‘quantum
tunneling’, gebaseerd op dat materie een deeltjes en golf karakter heeft. Dit proces
is temperatuur onafhankelijk in tegenstelling tot de meeste enzym-katalytische
reacties
om de snelheid van een reactie te verhogen kunnen de volgende stappen ondernomen worden :
d. de concentratie van de reagentia verhogen of de concentratie van de producten
verlagen
i. als men de snelheid significant wil verhogen is dit moeilijk te realiseren
omdat de cellen dan veel meer reagentia moeten aanvoeren dan ze werkelijk
nodig hebben
e. temperatuur verhogen
i. kan gedeeltelijk helpen maar is op zichzelf nooit genoeg om de reactie in
grote mate versnellen, het kan ook nadelige gevolgen hebben omdat andere
reacties dan te snel plaatsvinden of bepaalde stoffen gaan denatureren
f. door de vereiste activeringsenergie gedeeltelijk te omzeilen kunnen door enzymen
gekatalyseerde reacties veel sneller lopen, dit kan gaan van 10 7 tot 1017 keer sneller
(= rate enhancement)
, i. zonder enzymen zou het leven dus nooit in de huidige omstandigheden
kunnen plaatsvinden
ii. enzymen kunnen meestal maar één of enkele reacties katalyseren zodat via
de hoeveelheid enzymen ook gereguleerd kan worden hoeveel producten er
worden gevormd.
Werking van enzymen:
Werking enzymen:
- ze binden alle reagentia (substraten) zodat de reactie niet afhangt van een toevallige
botsing
- ze verlagen de activeringsenergie (binden van substraten in bijna-transitietoestand of
‘quantum tunneleffect’)
- ze omgeven de substraten door strategisch gepositioneerde groepen die het optreden van
de reactie bevorderen
grafiek: T
1. aantal moleculen dat bij bepaalde T een zekere hoeveelheid E heeft: activeringE nodig om
duuwtje te geven
2. aantal moleculen bij hogere T: meer moleculen kunnen deelnemen aan reactie
grafiek: enzymen
3. activeringE is verlaagd meer moleculen kunnen deelnemen aan reactie
2.
2.
2.
2.
2.
2.
E
nzymen zijn biokatalysatoren
Waarom zijn enzymen nodig?
Glucose + 6O2 6CO2 + 6H2O
ΔG = -686 kcal/mol
ΔG = ΔH-TΔS
Deze reactie is traag omdat de kans dat glucose en 6 zuurstofmoleculen met elkaar botsen in de
juiste oriëntatie erg klein is (glucose is in een metastabiele toestand)
op basis van hun chemische natuur delen alle katalysatoren drie basiseigenschappen:
o een katalysator verhoogt de snelheid van een reactie door de benodigde activeringsenergie
behoefte te verlagen, zo maken ze een thermodynamische reactie mogelijk aan een redelijke
snelheid zonder het verhogen van de thermische activiteit.
o Een katalysator werkt door het vormen van omkeerbaar complex met de substraat moleculen,
de substraat moleculen worden zo gebonden dat de interactie vergemakkelijkt en ze zo in de
buurt van de transitietoestand brengt
