Projektowanie Procesów Biotechnologicznych

Projektowanie Procesów
Biotechnologicznych
wykład 14
styczeń 2014
Kinetyka prostych reakcji enzymatycznych
Kinetyka hamowania reakcji enzymatycznych
1
Kinetyka reakcji enzymatycznych
Procesy enzymatyczne
Enzymy - substancje białkowe katalizujące przemiany biochemiczne
Biokatalizatory białkowe.
Wytwarzane przez żywe komórki organizmów
Procesy z zastosowaniem enzymów, zalety:
- zwiększają szybkość przemian wielokrotnie o rzędy wielkości.
- pozwalają na duże wydajności produktu
- nie katalizująreakcji ubocznych
- specyficzność substratowa (określony substrat lub grupa
substratów wykorzystana w przemianie)
- specyficzność funkcyjna, zdolność katalizowania tylko określonej
przemiany
- reakcje enzymatyczne zachodzą w łagodnych warunkach,
ciśnienie atmosferyczne, temperatura 20-40°C, pH neutralne,
środowisko wodne.
2
Kinetyka reakcji enzymatycznych
Procesy enzymatyczne
Wady procesów enzymatycznych:
- wymagana wysoka czystość substratów, pewne zanieczyszczenia
mogą nawet w niewielkich ilościach powodować inhibicję
enzymów.
- wysoka cena enzymów, ich wydzielanie jest pracochłonne i
kosztowne.
- mała skala (mikroskala) procesu
Przykłady procesów:
1) produkcja serów - podpuszczka, Christian Hansen (1874),
uzyskana z żołądków cieląt.
2) przemysł piwowarski i spirytusowy - amylazy do hydrolizy skrobi
na cukry proste.
3
Kinetyka reakcji enzymatycznych
Prosta reakcja enzymatyczna
Prosta reakcja enzymatyczna, zapisana:
gdzie:
S - substrat
P - produkt
E - enzym
ES - kompleks aktywny substrat-enzym
Dwie przemiany:
1 --> tworzenie kompleksu aktywnego
2 --> rozpad kompleksu na produkt i enzym
Dwie przemiany odwrotne:
-1 --> rozpad kompleksu na substrat i enzym
-2 --> tworzenie kompleksu z produktu i enzymu
4
Kinetyka reakcji enzymatycznych
Prosta reakcja enzymatyczna
Szybkości reakcji (z lewej na prawą stronę, czyli "dodatnie" 1 i 2):
Stała równowagi dla całej przemiany:
5
Kinetyka reakcji enzymatycznych
Prosta reakcja enzymatyczna
Stan pseudoustalony zakłada się,
aby znaleźć rozwiązanie dla r1 i r2
wówczas stężenie kompleksu aktywnego przyjmuje się za stałe w
czasie, a obie szybkości są sobie równe.
Stężenie kompleksu wyrażone jako funkcja całkowitego stężenia
enzymu:
CE,0 - całkowite stężenie enzymu
6
Kinetyka reakcji enzymatycznych
Prosta reakcja enzymatyczna
ogólna szybkość przemiany:
w wielu przypadkach można uprościć proces, przyjmując, że kompleks nie tworzy
się z produktu i enzymu, tzn. proces rozpadu kompleksu na produkt i enzym jest
nieodwracalny. Eliminujemy k-2:
7
Kinetyka reakcji enzymatycznych
Mechanizm Michaelis-Menten
mechanizm Michaelis-Menten:
szybkość przemiany:
gdzie:
8
Kinetyka reakcji enzymatycznych
Mechanizm Michaelis-Menten
zależność szybkości reakcji enzymatycznej od stężenia substratu:
9
Kinetyka hamowania reakcji enzymatycznych
Hamowanie współzawodniczące
hamowanie współzawodniczące (competitive inhibition)
- substrat i inhibitor na jedno miejsce
CEI - stężenie kompleksu enzymu z inhibitorem
10
Kinetyka hamowania reakcji enzymatycznych
Hamowanie współzawodniczące
Stan pseudoustalony:
- przyjęte, że zmiana stężenia kompleksu EI w czasie jest zerowa.
CE,0 = CE + CES + CEI
11
Kinetyka hamowania reakcji enzymatycznych
Hamowanie niewspółzawodniczące
hamowanie niewspółzawodniczące (noncompetitive inhibition)
- brak powinowactwa do miejsca aktywnego
- przyłączanie się do kompleksu aktywnego
szybkość przemiany (stan pseudoustalony):
12
Projektowanie Procesów Biotechnologicznych
Kartkówka
Kartkówka
13
Projektowanie Procesów Biotechnologicznych
Kartkówka
Imię Nazwisko! Nr albumu!
Pytanie:
Dla punktu A (kolor czerwony) na wykresie, który przedstawia w jakim
miejscu znajduje się rozpatrywany proces, podaj:
a) wydajność biomasy w %
b) co jest wybranym produktem procesu?
c) wydajność wybranego produktu w %
d) które ograniczenie
spośród trzech
jest w tym procesie
decydujące?
e) Czy podane w (a) i (c)
wydajności są:
- masowe?
- molowe?
- węglo-molowe?
14