Transcript Fyzikální chemie v biochemii(17,1 MB ppt)

Fyzikální chemie v biochemii
Základy lékařské chemie
1. ročník - letní semestr
© Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky,
1. lékařská fakulta, Univerzita Karlova v Praze a Všeobecná fakultní nemocnice v Praze, 2005 - 2015
Obsah přednášky

The most important chapters of physical chemistry
 Thermodynamics, Thermochemistry, Chemical equilibrium, Kinetics
(Reaction rate, order of chemical reaction), Catalysis

Photos and films connected with history of Electrochemistry





J. Heyrovsky - Nobel Prize for polarography 1959
J. Heyrovsky – Inventor of polarography 1959
Promotion clip on polarography
Oscilopolarography (Expo 58 - Brussels)
Promotion film of J. Heyrovský Institute of Physical Chemistry of the
Academy of Sciences of the Czech Republic, v.v.i., 2007
 Promotion film of J. Heyrovský Institute of Physical Chemistry of the
Academy of Sciences of the Czech Republic, v.v.i., 2009
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
2
Fyzikální chemie v biochemii nejdůležitější kapitoly


Fyzikální chemie je interdisciplinární obor chemie.
Využívá poznatky a metody chemie, fyziky,
elektrochemie a kvantové mechaniky pro zkoumání
makroskopických vlastností látek na molekulární
úrovni.
 Sledování fyzikální veličin spojených s chemickými
(biologickými) ději
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
3
Instituce







Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, v.v.i.
Biofyzikání ústav AV ČR, v.v.i.
Přírodovědecká fakulta UK v Praze
Přírodovědecká fakulta MU v Brně
Zemědělská univerzita v Praze
Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
…
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
4
Historie Ústavu





2007 - Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR,
v.v.i.
1996 - Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV
ČR
1993 - Ústav fyzikální chemie a elektrochemie J.
Heyrovského AV ČR
1972 – Sloučení Ústavu fyzikální chemie ČSAV a
Polarografického ústavu ČSAV do Ústavu fyzikální chemie
a elektrochemie J. Heyrovského ČSAV
1950 – Polarografický ústav ČSAV
www.jh-inst.cas.cz
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
5
Terminologie
 Fyzikální
chemie
 Chemická fyzika
 Biofyzikální chemie
…
 Záleží na uživateli
Využití fyzikální chemie
 Lékař často neví, že užívá metod z daného oboru (měření
teploty, tlaku, sedimentace – fyzika)
 Nezná princip metody
 Užívá jen výsledků
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
6
Termodynamické zákony
Termodynamika – nauka o přesunech energie při fyzikálních a
chemických dějích
Soustava uzavřená – nevyměňuje s okolím hmotu a energii (E = mc2)
Soustava otevřená – vyměňuje s okolím hmotu či energii
vs.
Izolovaný systém – matter and energy may not cross the boundary
Adiabatický systém – bez přestupu tepla
Diathermický systém – teplo může procházet přes rozhraní
Uzavřený systém – hmota nepřechází přes rozhraní
Otevřený systém – vyměňuje s okolím hmotu či energii
1. věta termodynamická
součet všech energií v uzavřené soustavě zůstává konstantní, i když
uvnitř probíhají chemické či fyzikální děje – práce se přemění
v teplo a naopak:
dU = dw + dq (správně by nemělo být d, ale , není totální
diferenciál)
U - vnitřní energie, w - práce, q – teplo
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
7
Termodynamické zákony II
2. věta termodynamická
dQ
dS 
T
Q
S 
T
S…entropie (míra neuspořádanosti soustavy – se vzrůstem
neuspořádanosti soustavy vzrůstá i její entropie)); Q…teplo, T…teplota
 teplo nemůže samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na
těleso teplejší
 nelze sestavit periodicky pracující stroj, který by odebíral teplo
z jediného zásobníku a konal práci přesně tomuto teplu
ekvivalentní
 Nelze sestrojit perpetum mobile druhého druhu
 Všechny samovolné děje se dějí se vzrůstající entropií, se
vzrůstající neuspořádaností soustavy
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
8
Termodynamické zákony III
3. věta termodynamická
lim S  0
T 0
Druhy energie
1. Volná energie – „ušlechtilá“, protože se může volně pohybovat
a měnit (chemická, elektrická)
2. Vázaná energie – teplo, která se může pohybovat jen ve směru
tepelného spádu. Přeměna na jiné druhy energie se může dít jen
tehdy, když těleso teplejší předává svou energii tělesu
chladnějšímu.
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
9
Gibbsova energie
~ dn
dG  SdT  VdP  Ad  ...   
i
i
i
H…
Entalpie H = U+pV (přírůstek entalpie je roven teplu, které
soustava přijala za konstantního tlaku, pokud se přitom nekonala
jiná práce než objemová)
G …
Gibbsova energie G = H-TS (= Maximální vratná práce jiná než
objemová, kterou soustava při konstantní teplotě a tlaku odevzdá
(přijme)
γ …
povrchové napětí
A …
plocha
~

…
elektrochemický potenciál
 G 
~

 i  
 ni  T , P , i ,ni  j
Základy lék. chemie
záporně vzatá práce na vyproštění 1 molu nabitých částic
a převedení o nekonečně zředěného stavu
~  0  RT ln a  zFE
Fyz. Chem. 2014/2015
10
Termodynamické zákony VI - Terminologie
Vratný (reverzibilní): soustava prochází velkým počtem
malých stavových změn, při kterých je stále v rovnováze
s okolím; lze jej zastavit a obrátit směr
Nevratný (ireverzibilní): všechny způsoby změn lišící se
nějakým způsobem od vratného děje
Izobarický: P = konst. (tlak)
Izotermický: T = konst. (teplota)
Izochorický: V = konst. (objem)
Adiabatický: q = konst. (teplo)
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
11
Reakce exotermická: ΔH < 0
Reakce endotermická: ΔH > 0
Reakce spontánní: ΔG < 0 (ΔG= ΔH-TΔS)
Reakce nespontánní: ΔG> 0
Rovnováha ΔG = 0
Termochemie
Reakční teplo: teplo, které soustava přijme (odevzdá), jestliže se
v ní za konstantního tlaku uskuteční daná chemická reakce
v rozsahu 1 molu základních reakčních přeměn vyjádřených
připojenou chemickou rovnicí, a to za předpokladu, že teplota
soustavy před reakcí je stejná jako teplota po reakci a že reaktanty
i produkty jsou ve stavech udaných v chemické rovnici.
C(s)+O2(g)=CO2(g)
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
12
Termochemické zákony
1. termochemický zákon (Lavoisier-LaPlace)
Uvolní-li se při chemické reakci určité celkové množství energie, pak
se při opačném průběhu této reakce musí stejné množství energie
spotřebovat
A ↔B;ΔHA→B = -ΔHB → A
2. termochemický zákon (Hessův)
Provedeme-li chemickou reakci v několika mezistupních, pak součet
množství energie, který se uvolní (spotřebuje) v jednotlivých
mezistupních je roven množství energie, které by se uvolnilo
(spotřebovalo), kdyby reakce probíhala přímo v jednom stupni
A→ B → C; ΔHA→C = ΔHA→B + ΔHB→C
To nám např. umožňuje určit kalorickou hodnotu potravin jejich spálením, i když v těle
jejich odbourávání probíhá v řadě mezistupňů (glukóza, tuky apod.).
Výpočet reakčního tepla ze slučovacích (teplo, které se uvolní (spotřebuje) při vzniku 1
molu dané látky přímo z prvků za konstantní teploty a tlaku) nebo spalných tepel (teplo,
které se uvolní při spálení 1 molu látky v čistém kyslíku za vzniku nejstálejších oxidačních
produktů).
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
13
Výměna tepla
1. Beze změny skupenství
T2
H  Q   c p dT   c p (T2 T 1)
i
T1
Q  m.c p (T2  T1 )
T2
c p   C p dT  A  B(T2 T 1) 
T1
C
(T2 T 1) 2
2
2. Skupenské teplo
HVýparné ,Tání ,Tuhnutí ,Kondenzační
3. Termochemický zákon
Q1  Q2
Skupenské teplo tání = Skupenské teplo tuhnutí
Skupenské teplo výparné = Skupenské teplo kondenzační
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
14
Výměna tepla - 1 kg vody
1. Ohřev z 0 oC na 100 oC
Q  m.c p (T2  T1 )  1.4,2.100 kJ  420 kJ
2. Výparné teplo (při normální teplotě varu)
HVýparné  2256kJ
~ ohřev z 0 na 540 oC
3. Teplo tání (při normální teplotě tání)
HTání  333,7kJ
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
~ ohřev z 0 na 80 oC
15
Chemická rovnováha
A B  C  D
Výchozí látka A a B, Produkty C a D
V rovnováze probíhá reakce zleva doprava stejnou rychlostí jako
zprava doleva
C D
Guldberg-Waagův zákon
K




AB 
K je rovnovážná konstanta rekce
K je závislá na T, P apod.
Slovy: Součin molárních koncentrací reakčních produktů lomený
součinem molárních koncentrací výchozích látek je po dosažení
rovnovážného stavu v uzavřené soustavě konstantní.
Le Chatelierův princip
Systém, který je v rovnováze reaguje na každou změnu (teploty,
tlaku, koncentrace, atd.) tak, aby tuto změnu potlačil.
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
16
Chemická rovnováha II
[C].[D] = [B].[A]=> K=1
[C].[D] > [B].[A] => K>1 – převažují produkty
[C].[D] < [B].[A] => K<1 – převažují výchozí látky
Oscilační reakce: např. Žabotinského
Chceme-li ovlivnit průběh vratné reakce tak, aby probíhala určitým
směrem, musíme pracovat v otevřené soustavě.
Budeme-li z rovnovážné směsi jednu složku odebírat, bude
soustava odebrané množství stále doplňovat tak, aby se rovnováha
opět obnovila. Tím můžeme dosáhnout téměř úplného proběhnutí
reakce i ve směru, ve kterém v uzavřené soustavě prakticky skoro
neprobíhá (K<<1)
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
17
1.
2.
3.
4.
Možnost ovlivnění rovnovážného stavu

C D 
Odebírání produktů
K 
AB 
Přidávání výchozích látek
Při nestejném počtu molů výchozích látek a produktů
v plynné fázi (2A + B = C) změna tlaku
Změna teploty (Exotermické – rychlost klesá s teplotou;
Endotermické – rychlost roste s teplotou)
Všechny reakce v živých soustavách probíhají v takových otevřených
systémech, které na sebe navazují, následná reakce odebírá produkty
předcházející reakci, čímž porušuje její rovnovážný stav a způsobuje
průběh v potřebném směru.
A+B=C+D → D+E=F+G → G+H=I+J → J+K=L+M
Látka M je jako konečný produkt metabolismu odváděna z otevřené
(živé) soustavy pryč, například dýcháním nebo vylučováním.
Katalyzátor: ovlivňuje rychlost, ale ne rovnováhu. Umožňuje pouze
jinou reakční cestu, ale neovlivní rovnováhu!!!
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
18
Rychlost reakce, řád chemické reakce

d [ A] d [C ]
v 

dt
dt
AC
A B  C  D
 
v  k AB
Rovnováha:
Reakce 1. řádu
Reakce 2. řádu

v
 
v  k C D


v K  k  C D
k AB
 
v  k A
ACD
  2
v  k A
2A  C  D
 
v  k AB A  B  C  D
Reakce více než druhého řádu probíhá ve skutečnosti
postupně, jako reakce složená z více podreakčních roků. Pro
rychlost reakce je určující ten nejpomalejší.
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
19
Vliv teploty na chemické reakce
Vzestup teploty zvyšuje reakční rychlost. Vztah je vyjádřen
Arheniovou rovnicí: k  A. exp  E a 


RT 
k... rychlostní konstanta, A… funkční faktor; T … absolutní teplota;
Ea… aktivační energie; R universální plynová konstanta.
Ze vztahu vyplývá, že zvýšení
teploty výrazně zvyšuje rychlost
chemických reakcí – vztah je
exponenciální.
Této skutečnosti se běžně využívají
homonotermní organismy, např. při
obranných reakcích, které při vyšší
teplotě probíhají rychleji a jsou tedy
účinnější.
Koeficient Q10 = kolikrát se rychlost změní při změně teploty o
10Základy
stupňů
~2
lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
20
Elektrická dvojvrstva
Užití:
a) Elektrolýza roztoků
b) Pokovování
c) Zubní článek – nevhodné materiály
d) Voltametrie
e) Zdroje energie
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
21
Redukčně – oxidační (redoxní) reakce
Příklad
Galvanický článek-samovolně
Anoda: Zn=Zn2++2e- 1. redoxní systém E0(Zn2+/Zn)=-0,76 V
Katoda: Cu2++2e-=Cu 2. redoxní systém E0(Cu2+/Cu)=0,34 V
Zn(s) + Cu2+ = Cu(s) + Zn2+ U=Ek-Ea
Měření redoxního potenciálu (zopakovat si středoškolskou látku)
Elektorolytický článek - Vložení napětí
Anoda: Cu = Cu2+ + 2e1. redoxní systém
Katoda: Zn2+ + 2e- = Zn
2. redoxní systém
Cu(s) + Zn2+ = Zn(s) + Cu2+ U=Ea-Ek
Na katodě vždy probíhá redukce!
E  E10 
a
a
RT
RT
RT a1red
ln
U  E1  E2  E10 - E02 
ln 1red 
ln 2red
nF a1ox
nF
a1ox
nF
a2ox
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
22
Redukčně – oxidační (redoxní) reakce
Redoxní pár
[V]
Redoxní pár
[V]
Li+/Li (s)
- 3,04
Co2+/Co (s)
- 0,28
K+/K (s)
-2,92
Ni2+/Ni (s)
- 0,25
Na+/Na (s)
- 2,71
Sn2+/Sn (s)
- 0,14
Ca2+/Ca (s)
-2,50
Pb2+/Pb (s)
- 0,13
Al3+/Al (s)
- 1,66
2H+/H2 (g)
+0,00
Mn2+/Mn (s)
- 1,18
Sn4+/Sn2+
+0,15
Zn2+/Zn (s)
- 0,76
Cu2+/Cu (s)
+0,34
Cr3+/Cr (s)
- 0,74
Ag+/Ag (s)
+0,80
Fe2+/Fe (s)
- 0,44
Cl2/2Cl-(g)
+1,36
Cd2+/Cd (s)
- 0,40
Au+/Au (s)
+1,50
Tl+/Tl (s)
- 0,34
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
23
Redukčně – oxidační (redoxní) reakce I
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
24
Redukčně – oxidační (redoxní) reakce II
Redoxní pár s vyšším potenciálem je oxidačním činidlem
redoxního páru s potenciálem nižším.
Změna napětí:
1. Spojení dvou různých kovů
2. Spojení dvou stejných kovů v různě koncentrovaných
ellytech
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
25
Redukčně – oxidační (redoxní) reakce III
Srovnání výhodnosti různých způsobů zaopatřování energie u mikroorganismů.
V závorkách jsou čísla odpovídající ΔGO’ v kJ.mol-3, cytFe3+ a cytFe2+ značí
oxidovanou a redukovanou formu cytochromů
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
26
Redoxní reakce v živých organismech
Živé organismy běžně využívají redoxní reakce jako zdroj
energie. Řada organických látek existuje v oxidované i redukované
formě a může se účastnit přenosu elektronů, při kterém organismy
získávají energii potřebnou k životu. Přenášené elektrony umožňují
například přenos protonů (H+) přes biologické membrány proti
koncentračnímu spádu a umožňují tak změny pH. Nahromaděné
protony při zpětném průchodu přes membrány mohou dodávat
energii pro přenos jiných látek nebo syntézu ATP.
Z redoxního potenciálu dvou stejných redoxních systémů
můžeme vypočítat ΔGo příslušné chemické reakce ΔGo = -zF ΔE’o (z
– počet přenesených elektronů) při změně redoxního potenciálu ΔE’o
Voltů (ΔE’o- „biologický“ standardní redukční potenciál –standardní
stav pro pH=7) [Ared]=[Aox].
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
27
Redoxní reakce v živých organismech II
Při aerobní přeměně látek (metabolismu)v podstatě probíhá
silně exergonická (a exotermická) redoxní reakce: 2H2+O2→2H2O,
kdy se vysoce energetické elektrony vodíku přenášejí na kyslík
v řadě postupných kroků, kdy se jejich energie využívá pro životní
pochody buňku (organismu). Tyto pochody budou náplní biochemie,
velmi dobře jsou popsány v knize Alberts a kol.: Základy buněčné
biologie. Jako přenašeče elektronů často slouží kovy vázané na
bílkoviny.
Spontánní reakce = exergonické (exotermní)
Nespontánní reakce = endergonické (endotermní)
2H2(g)+O2(g)→2H2O(g) ΔGo =-242 kJ.mol-1 – exotermická
(hoření)
2H2O(g) → 2H2(g)+O2(g) ΔGo =242 kJ.mol-1 – endotermická,
rovnováha posunuta úplně vlevo, teprve při vysoké teplotě a
sníženém tlaku začíná probíhat (2100 oC a 0,1 MPa je rozštěpeno 2%
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
28
molekul) .
Polarografie

Definice Polarografie - voltametrie
Voltametrie je elektroanalytickou metodou, při níž
se sleduje závislost elektrického proudu tekoucího
pracovní elektrodou ponořenou v analyzovaném
roztoku na jejím potenciálu, který se s časem mění
(zpravidla lineárně s časem roste či klesá)
 Definice polarografie
Polarografie pracující se rtuťovou elektrodou jejíž
povrch je v průběhu měření periodicky obnovován
 Definice voltametrie
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
29
Povrch pracovní elektrody je konstantní
Kdo byl Jaroslav Heyrovský:
1. Známý pražský písničkář
2. Propagátor pornografie
3. Terorista šířící toxickou rtuť
4. Syn právníka Leopolda Heyrovského – prvního
profesora římského práva na České universitě v Praze
5. 1. Československý nositel Nobelovy ceny
6. Prastrýc textaře a podnikatele Michala Horáčka
(„Superstar“)
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
30
Nobelovy ceny v Československu (udělené):
1.
Akademik Jaroslav Heyrovský – za chemii - 1959
2.
Jaroslav Seifert – za literaturu -1984
Nobelovy ceny v Československu (nominace - neuděleno):
1.
Edvard Beneš (míru)
2.
Karel Čapek (za literaturu)
3.
Milan Kundera (za literaturu)
4.
Jiří Hájek (míru)
5.
Václav Havel (míru)
6.
Tomáš Garrigue Masaryk (míru)
7.
Otto Wichterle (za chemii)
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
31
Profesor Jaroslav Heyrovský
Prof. Jaroslav Heyrovský
(*20.
12. 1890 – 27. 3. 1967)
Fyz. Chem.
2014/2015
Základy lék. chemie
32
Heyrovský a Shikata
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
33
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
34
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
35
Chem. Listy 16 (6), 256 (1922)
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
36
December 10th, 1959 (37 years after discovery of polarography)
was awarded
Prof. Jaroslav Heyrovský by the Swedish king
Gustavo Adolph VI. in Stockholm by Nobel price for chemistry
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
37
Stockholm 10.12.1959
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
38
První registrační
analytický přístroj
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
39
První registrační analytický přístroj
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
40
Rtuťová fontána (Španělsko) – Barcelona, Foundation Miró
Doly Almaden
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
41
Dnes
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
42
Modern polarographic device – small amount of mercury
(produced in Czech republic 21st century)
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
43
Inorganic analysis
H
Li
Be
B
C
N
O
F
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Te
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Cs
Ba
La
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Fr
Ra
Ac
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
Th
Pa
U
Np
Pu
Am
Cm
Bk
Cf
Es
Fm
Md
No
Lr
(Elements determined by DC polarography are in full lined boxes, by ASV in
double boxes, and by AdSV are underlined )
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
44
Meze detekce

Cd ~0,01 µg/L
 Pb ~0,01 µg/L
 Tl ~0,01 µg/L
 Cu ~1 µg/L
 As ~1 µg/L
 Kyselina fenylglyoxylová ~0.1 mg/L
 Kyselina thiodiglykolová ~1 mg/L
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
45
Aplikace

Kovy (kationty): Cd, Cu, Zn, Pb, Sn, Tl, Mo, Cr, Ni,
Ag, V, Hg, …Speciace (různá mocenství!!!)
 Anionty: Chloridy, bromidy, jodidy, jodičnany, sírany,
forsforečnany, dusičnany, dusitany
 Organické látky:
 Aminokyseliny (cystein, cystin,…)
 Glutathion, metalothioneiny
 Nukleové kyseliny (adenin, guanin, thymin, cytosin, uracil)
 Nitrolátky (TNT, nitrobenzen)
 Thiodiglykolová kyselina
 Fenylglyoxylová kyselina
 Karcinogeny, toxické látky, léky, pesticidy …
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
46
LDR of various
polarographic and
voltammetric
techniques
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
47
Základní bioligandy komplexující kovy v
biologických materiálech
Makrocyklická chelátová
činidla (porfyriny,
cobalaminy, chlorofyly)
Aminokyseliny, oligo- a
polypeptidy (např.
glutathion, fytochelatiny,
metalothioneiny,
metaloenzymy)
Bioligandy
Polysacharidy, glykosidy
(např. rhamnogalacturonan)
Základy lék. chemie
Nukleové báze, oligo- a
polynukleosidy a nukleotidy,
např. fragmenty DNA
Fyz. Chem. 2014/2015
48
Glutathion -Glu-Cys-Gly
-Glu-Cys)2Gly PC2
Cystein
CH2
CH
SH
NH2
COOH
(-Glu-Cys)3Gly PC3
…
(-Glu-Cys)nGly PCn
Indukce tvorby: Cd, Ag, As, Cu, Pb, Hg, Co
Metalothioneiny
Metalothioneiny (savčí) Fytochelatiny
aminokyselin: 60-61
4 až 23
z toho cystein:
20
2 až 11
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
49
Metalothioneiny
a) Biokomplexy s více redox-aktivními centry;
b) Obsahují elektroaktivní centrum představované sírou
(cystein);
c) Obsahují koordinované ionty kovů - Zn(II), Cd(II), Cu(I),
Hg(II);
d) Jsou přítomny atomy vodíku, resp. protony, které mohou
představovat další elektroaktivní centra.
Funkce
a) Transport kovu v organismu;
b) Zachytávání kovů – „čištění organismu“ - detoxikace;
c) Zachycení radikálových částic – OH·, NO··- ochrana před
poškozením DNA;
d) Interakce s alkylačními činidly.
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
50
PC2 = (γ-Glu-Cys)2Gly
(γ-Glutamylcystein)2Glycin
C14H29N5O6S2
M. hm.=427,54g.mol-1
SH
SH
CO
HOOC
NH
CO
NH
NH
NH
CO
CO
COOH
+
N H3
C26H42N7O14S3
PC3 = (-Glu-Cys)3Gly
H
H
H
H
+
N
O
H
HH
H
O
H
H H
O
H
O
H
H
S
O
H
Základy lék. chemie
O
O
N
H
H
H
H
H
N
N
H
O
M=772,848 g.mol-1
H
N
H
H
HH
O
H
N
O
H
H
HO
H
H
H
H S
Fyz. Chem. 2014/2015
O
NH
OH
O
H
H
S
H
51
COOH
Cd5Zn2MT
(izolovaný z králičích jater)
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
52
Fytochelatiny
*
Kotrba
Macek T., Ruml T.: Collect.
Czech.
Chem. Commun. 64, 1057, 1999.
Základy
lék.P.,
chemie
Fyz. Chem.
2014/2015
53
Cíle:
1) Sledování způsobů vazby kovu v molekule za podmínek
fyziologických hladin koncentrací (zejména Zn);
2) Sledování reakcí výměny iontů, které jsou podstatné pro funkci
MT (Zn, Cd, Cu);
3) Rozlišení vlivu adsorpce u jednotlivých typů komplexů (EVLS,
impedanční měření) na jejich chování ve výměnných reakcích;
4) Možnost elektrochemického sledování změn v molekule MT za
podmínek oxidačního stresu.
Prostředky:
1) Vyžití nízkomolekulárních peptidů a fytochelatinů s nižším
počtem cysteinových jednotek;
2) Aplikace voltametrických a chronopotenciometrických metod v
kombinaci s metodami multivariačního rozlišení křivek či
EVLS.
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
54
Možné způsoby vazby Cd v PC
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
55
Koncentrační závislost PC3 – Brdičkova reakce
-5000
c = 1.10-6 mol.L-1
Parametry měření:
v = 250 mV.s-1
tak = 30 s
I [nA]
-4000
-3000
-2000
-1000
0
-800
c = 2.10-7 mol.L-1
-1000
-1200
-1400
-1600
-1800
E [mV]
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
56
DNA
Adenin:
• Kompletní proces: 6elektronová redukce
zahrnující deaminaci
• Za běžných podmínek 4elektronová
Cytosin:
• Tříelektronová redukce
(deaminace + dimerizace)
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
57
OSCILOGRAFICKÁ POLAROGRAFIE
Řízené vkládání střídavého proudu (konstantní proudová chronopotenciometrie)
dE/dt
dsDNA
ssDNA
CA
Katodická
část
Málo rozpustná
sloučenina s Hg
Anodická
část
G
E
Adenin je polarograficky redukovatelný v silně kyselém pH zatímco jiné nuklové baze jsou inaktivní
J.N.Davidson and E.Chargraff: The Nucleic Acids, Vol.1, Academic Press, New York 1955
Palecek E.: Oszillographiche Polarographie der Nucleinsauren und ihrer Bestandteile; Naturwiss. 45 (1958) 186
Palecek E.: Oscillographic polarography of highly polymerized deoxyribonucleic acid; Nature 188 (1960) 656
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
58
Techniky analýzy
ADSORPTIVNÍ STRIPPING
ADSORPTIVNÍ
TRANSFER
STRIPPING
Nukleová kyselina je v nádobce s
elektrolytem a acumuluje se na povrchu
elektrody po určitou dobu
Nukleová kyselina se
zacycuje na povrchu
elektrody z malé kapky
roztoku (3-10 l)
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
Nukleová kyselina je
zachycena na elektrodě, ale
nádobka obsahuje pouze čistý
elektrolyt
59
A. Přímé stanovení cytosinu a adeninu
Cytosin na m-AgSAE
2.10-5 M; 0,1 M acetatový pufr; pH 4,8
-1400
-1200
I [nA]
-1000
Cytosin
80 mV/s
NH2
160 mV/s
320mV/s
N
-800
-600
O
-400
NH
-200
0
-1100
Základy lék. chemie
-1300
Fyz. Chem. 2014/2015
-1500 E [mV] -1700
60
m-AgSAE
2.10-5 M; 0,1 M acetatový pufr; pH 4,8
-1600
Adenin - Rce 31 (Id=Id; Ic=0; Ik=0; Iir=0)
I ref - 20-40-80-160
20-40-80-160
I ref - 40-80-160-320
40-80-160-320
I ref - 80-160-160-320
80-160-160-320
-600
NH2
-1000 -1100N -1200
N
-100
N
-1300
-1400
-1500
NH
400
E-18000
[mV]
Rce 23 (Id=Id; Ic=0; Ik=0)
-12000
adenin 1.10-4 M + cytosin 1.10-4 M
v=80-160-320-640 mV.s-1;
I [nA]
I [nA]
-1100
-6000
rce (23)
0
-1100
-1300
-1500
-1700
E [mV]
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
61
B. Nepřímé stanovení směsi adeninu a guaninu
Základní elektrolyt – 0.005 M NaOH + 0,4 ppm Cu2+
1. Eacc= -300 mV  Cu2+  Cu1+
2. Cu1+ + adenin (guanin)  komplex
3. Cu1+/adenin (guanin) komplex je akumulován na povrchu
elektrody
4. Katodický scan  Cu1+/adenin (guanin) komplex je
redukován a desorbován
5. signál odpovídá redukci Cu1+  Cu0
CuSAE
- není nutný žádný přídavek Cu2+
- Cu+ je tvořena řízenou oxidací Cu z elektrody
- Základy
optimální
CuChem. 2014/2015
lék. chemie dávkováníFyz.
62
Směs adeninu a guaninu
-800
blank
Ade
Gua
I [nA]
-600
mixture
adenine : guanine
58 : 42
-400
-200
0
-700
-900
E [mV]
-1100
adenine
guanine CT DNA
p DNA
Critical level nmol.L-1
0.67
0.82
0.86
0.75
Limit of detection nmol.L-1
0.95
1.85
1.75
1.25
Limit of determination nmol.L-1
3.06
6.70
5.99
6.93
RSD %
1.28
1.83
0.47
0.57
lék. chemie
Fyz. Chem.
2014/2015
CT Základy
- Calf thymus
DNA; p DNA - plazmidová
DNA;
63
C. Interakce poškozené (denaturované) DNA
s komplexy osmia
OsO4 (L)
O
+
N
-O
Os
L = Pyridin
-O
O
+
N
1,10–Fenantrolin
Bipyridyl
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
64
Pyrimidinové báze – OsO4 – Pyridin
O
O
CH3
NH
O
CH3
OsO4(Py)
+
N
O
NH
O
NH
O
Os
NH
O
O
Thymin
+
N
NH2
NH2
N
T>>C,U>>A,G
O
O
O
NH
Uracil
O
Základy lék. chemie
O
+
O
N
O
N
O
OsO4(Py)
NH
Os
NH
O
NH
Cytosin
O
N
OsO4(Py)
+
N
O
NH
O
+
Os
NH
Fyz. Chem. 2014/2015
O
O
+
N
65
DNA modifikovaná Os(py) na HMDE a m-AgSAE
DNA 2 g.l-1; 0,1 M acetátový pufr; pH 4,8
-5500
20 mV/s
40 mV/s
80 mV/s
160 mV/s
320 mV/s
640 mV/s
-4500
i [nA]
-3500
-2500
-1500
-500
-1200
-1250
-1300
-1350
-1400
-1450
-1500
-1500
E [mV]
-1300
2) A- +H+  HAAds
-1100
i [nA]
1)
HAAds+e-A-+Hads
-900
-700
-1550
-1600
Os-DNA_A2
20 mV/s
40 mV/s
80 mV/s
160 mV/s
320 mV/s
640 mV/s
-500
-300
-100
-900
Základy lék. chemie
-1000
Fyz. Chem. 2014/2015
-1100
-1200
-1300
E [mV]
-1400
-1500
66
-1600
Hybridizace DNA (RNA) je založena na principu tvorby
dvoušroubovice ze dvou komplementárních řetězců
hybridizační sonda
CGAATACGACCTTA
sekvence sondy je navržena
(syntetizována) vzhledem k sekvenci
DNA, která nás zajímá
CGAATACGACCTTA
GCTTATGCTGGAAT
GCTTATGCTGGAAT
cílová DNA
je pomocí sondy detekována
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
67
Hybridizace DNA (RNA) je založena na principu tvorby
dvoušroubovice ze dvou komplementárních řetězců
Tento princip je v různém uspořádání využíván při řadě
rutinních analýz:
• detekce určitých nukleotidových sekvencí
• detekce mutací, „polymorfismů“ v určitých úsecích genomu
• sledování exprese genů
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
68
Z praktických důvodů je výhodné zakotvit jeden z
řetězců („sondu“) na povrchu
imobilizovaná sonda je vystavena analyzovanému vzorku DNA
(RNA)
pokud vzorek obsahuje vlákno DNA (RNA) o sekvenci
komplementární k sondě („cílovou sekvenci“), vytvoří se
Základy
lék. chemie
Fyz. Chem.
2014/2015 „hybrid“)
na
povrchu
dvoušroubovice
(„duplex“,
69
Z praktických důvodů je výhodné zakotvit jeden z
řetězců („sondu“) na povrchu
pokud vzorek obsahuje vlákno DNA (RNA) o sekvenci
komplementární k sondě („cílovou sekvenci“), vytvoří se
na
povrchu
dvoušroubovice
(„duplex“,
Základy
lék. chemie
Fyz. Chem.
2014/2015 „hybrid“)
70
nespecifické molekuly DNA jsou poté odstraněny (odmyty)
pokud vzorek obsahuje vlákno DNA (RNA) o sekvenci
komplementární k sondě („cílovou sekvenci“), vytvoří se na
povrchu
dvoušroubovice Fyz.
(„duplex“,
„hybrid“)
Základy lék. chemie
Chem. 2014/2015
71
nespecifické molekuly DNA jsou poté odstraněny (odmyty)
následuje detekční krok, při kterém je zjištěno, zda došlo
k hybridizaci
výhodné je cílovou DNA označit dobře detekovatelnou značkou
(radionuklidem,
fluoroforem…)
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
72
DNA „čipy“ („arrays“):
• aplikace mnoha sond současně
• aplikace různých (různě“barevných“) fluorescenčních
značek – vysoce paralelní analýza
• komerčně dostupné přístroje (Affymetrix…)
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
73
Elektrochemický senzor pro hybridizaci DNA:
elektroda se zakotvenou hybridizační sondou na povrchu
• hybridizace s cílovou DNA se provede stejně
jako v případě optických senzorů
• odezvou na hybridizační událost je
elektrochemický (proudový) signál
I
hybrid
samotná sonda
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
74
E
Elektrochemický senzor pro hybridizaci DNA:
elektroda se zakotvenou hybridizační sondou na povrchu
tzv. jednopovrchová metoda (hybridizační
i detekční krok probíhá na stejném povrchu
elektrody)
to vyžaduje hledat takové podmínky, za kterých
je pracovní povrch vhodný jak pro hybridizaci
DNA, tak pro elektrochemické měření
časté problémy při práci s dlouhými cílovými
DNA a při analýze reálných vzorků
obsahujících velká množství nespecifických
molekul (NA, proteiny…)
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
75
Dvoupovrchová strategie:
• hybridizace se provede na jednom povrchu (H), který pro
tento účel optimalizován; nemusí mít vlastnosti elektrody
• účinné zachycení a separace cílové DNA
• poté je zachycená cílová DNA z povrchu H uvolněna a
elektrochemicky stanovena
detekční elektroda
povrch H
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
76
Dvoupovrchová strategie:
•hybridizace se provede na jednom povrchu (H), který pro tento
účel optimalizován; nemusí mít vlastnosti elektrody
•účinné zachycení a separace cílové DNA
•poté je zachycená cílová DNA z povrchu H uvolněna a
elektrochemicky stanovena
detekční elektroda
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
77
Multikanálové čidlo
1 - m-AgSAE
2 - MF-AgSAE
1 - 2 mm
3 - p-AgSAE
1,5 - 2 mm
4 - p-CuSAE
12 mm
5 - m-CuSAE
6 - AuE
9 x 0,8 mm
3 mm
7 - PtE
8 - GCE
____
9 – Pt –pomocná E
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
78
Dvoupovrchová strategie: využití magnetických nosičů
povrch H
detekční elektroda
detekce
cílová DNA
magnetická kulička s
hybridizační sondou ~1µm
nespecifická
DNA
hybridizace
uvolnění
cílové DNA
separace
magnet
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
79
Dvoupovrchová strategie:
•metody založené na vlastní elektrochemické aktivitě DNA nebo
jejích složek („label-free“)
Jelen, F.; Yosypchuk, B.; Kourilova, A.; Novotny, L.; Palecek, E. Anal. Chem.
2002, 74, 4788-4793.
•metody založené na značení DNA
•komplexy oxidu osmičelého
Bogdan Yosypchuk Miroslav Fojta Luděk Havran, Michael Heyrovský
Emil Paleček: Voltammetric Behavior of Osmium-labeled DNA at
Mercury Meniscus-modified Solid Amalgam Electrodes. Detecting
DNA Hybridization, Electroanalysis, 2005, accepted.
•kovovými a metalsulfidovými nanočásticemi
Wang, J.; Liu, G. D.; Merkoci, A. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 32143215.
•mikročásticemi „plněnými“ elektrochemicky aktivními
látkami
Wang, J.; Polsky, R.; Merkoci, A.; Turner, K. L. Langmuir 2003, 19, 989991.
•enzymy
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
80
Dvoupovrchová strategie:
•využití enzymových značek („biokatalytická amplifikace signálu“)
•obvykle biotinem značené DNA v kombinaci s konjugáty streptavidinu s
enzymy (Streptavidin (STV) - alkalická fosfatáza (ALP))
detekční elektroda
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
P
OH
OH
O
povrch H
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
Wang, J.; Xu, D. K.; Erdem, A.;
Polsky, R.; Salazar, M. A. Talanta
2002, 56, 931-938.
81
electrochemické imuno-enzymové stanovení
cílové DNA modifikované Os,bipy
O P
alkalická
fosfatáza
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
OH
Palecek, E.; Billova, S.; Havran, L.;
Kizek, R.; Miculkova, A.; Jelen, F.
Talanta 2002, 56, 919-930.
82
Dvoupovrchová strategie:
•varianta se signálními sondami (reporter probes, RP)
•podobné detekční techniky jako u
přímého značení cílové DNA (značení
Os,L; enzymy atd.)
povrch H
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
83
Aplikace dvoupovrchové metody – elektrochemické
stanovení délky repetitivní sekvence DNA
značená signální sonda
cílová DNA
vícenásobná hybridizace signální sondy
povrch H
Základy lék. chemie
•akumulace značky v důsledku opakování sekvence
rozpoznávané signální sondou
Fyz. Chem. 2014/2015
84
Fázová rozhraní
Reálné
Modelové
Vodná vrstva vnější
Hydrofilní část
Fosfolipidová dvojvrstva
Hodrofóbní část
Vodná vrstva vnitřní
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
85
Transport molekul a iontů přes PL
membránu
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
86
Gramicidin – penetrační peptidy
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
87
Druhy experimentálních fázových rozhraní
Volná
RE1
Stabilizované
WE1
(Supported)
RE2
WE2
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
88
Kovová elektroda či polymer
Reálné schéma měřicí aparatury
MeSAE
Polymer
Dvojvrstva
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
89
Metoda Patch Clamp
Klasická P-C
metoda
Planární P-C
metoda
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
90
Katalýza
U mnoha katalyzovaných (enzymatických reakcí) platí:
Vliv katalyzátoru: Látka
ovlivňující rychlost chemické
reakce, avšak na ní se bezprostředně
nepodílející, mění reakční
mechanismus, mění aktivační
energii, účastní se tvorby
aktivovaného komplexu. A+B→AB
vs. A+B+K→ABK→AB+K
Katalyzátory:
Katalyzátory:
a) pozitivní
a) homogenní
b) negativní (inhibitory)
b) heterogenní
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
91
Základy katalýzy
Katalytický proces poskytuje alternativní reakční cestu pro tvorbu produktů
Reakční rychlost vzrůstá (klesá), protože alternativní cesta má nižší (vyšší)
aktivační energii než nekatalyzovaná reakce
Katalyzátor neovlivňuje účinnost (výtěžek,…) reakce. Nemá žádný vliv na
chemickou rovnováhu, protože jsou stejným způsobem ovlivněny dopředná i
zpětná rychlost reakce
2 H2O2 → 2 H2O + O2 (UV záření, Fe3+, ..)
• Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH· + OH− (Fentonova reakce)
• Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + OOH· + H+
Důležitost katalytických reakcí pro životní prostředí stoupá s požadavky na zvýšení
efektivity (snížení energetické náročnosti) průmyslových procesů, avšak katalýza hraje
přímou úlohy v mnoha procesech spojených s životním prostředím, např. katalytické
procesy spojené s produkcí volných radikálů chloru, které způsobují rozklad ozónu
(ozonosféry). Tyto radikály jsou tvořeny přímou reakcí UV-záření s chlorovanými či
fluorovanými uhlovodíky (CFC).
Cl· + O3 → ClO· + O2
ClO· + O· → Cl· + O2
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
92
Příklady:
V průmyslu se katalyzátory používají nejméně v 60 % chemických syntéz
Katalýza ve výrobě kyseliny sírové
Výroba kyseliny sírové probíhá třístupňově, přičemž prvním krokem je příprava oxidu siřičitého,
který se obvykle získává buď přímým spalováním síry,
S(s) + O2(g) → SO2(g) nebo pražením pyritu 4 FeS2(s) + 11 O2(g) → 8 SO2(g) + 2 Fe2O3(s).
Druhým krokem je oxidace oxidu siřičitého na oxid sírový. Při této reakci se jako katalyzátoru
používá oxidu vanadičného V2O5
2 SO2(g) + O2(g) → 2 SO3(g).
Nakonec reakcí oxidu sírového s vodou vzniká kyselina sírová
SO3(g) + H2O(l) → H2SO4(aq).
Katalýza ve výrobě kyseliny dusičné
Průmyslově se kyselina dusičná vyrábí oxidací amoniaku (čpavku) za katalýzy kovovou
platinou za zvýšené teploty a tlaku:
4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O
2 NO + O2 → 2 NO2
3 NO2 + H2O → 2 HNO3 + NO
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
93
Ovlivnění katalytického procesu
• Teplota
• Tlak
• Koncentrace substrátu
• Koncentrace katalyzátoru
• Iontová síla
• pH
• Aktivátory a Inhibitory (Katalytické jedy)
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
94
PŘÍKLADY ÚČINNOSTI ENZYMOVÉ KATALÝZY
rozklad 2 molů H2O2 na 2 H2O a O2
Ea [kJ . mol-1]
nekatalyzovaná reakce
75
katalýza koloidní platinou (anorganická)
49
katalýza katalasou
8

Urychlení reakce při dané teplotě na desetinásobek snižuje aktivační energii o
hodnotu - R.T. ln 10, tj. pro 37 °C, neboli 310,15 K o - 5,9 kJ.mol-1 (log 10)

Pro nekatalyzovanou reakci zhruba platí orientační úvaha, že zvýšení teploty o
10 °C zrychluje reakci na dvojnásobek
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
95
Katalýza
 Chemické vlastnosti katalyzátorů se liší dosti podstatně, ačkoliv některé
generalizující shrnutí jsou možná.
 Proton obsahující kyseliny jsou pravděpodobně nejrozšířenější
katalyzátory, především v reakcích zahrnujících vodu, hydrolýzu a její
reverzní procesy.
 Multifunkční pevné látky jsou často katalyticky aktivní, např. zeolity,
alumina, některé formy grafitického uhlíku.
 Přechodné kovy jsou často používány ke katalýze redoxních reakcí
(oxidace, hydrogenace).
 Mnoho katalytických procesů, především těch, které zahrnují vodík,
vyžadují katalýzu platinovými kovy.
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
96
Katalýza
Katalyzátory:
a) pozitivní
b) negativní (inhibitory)
Katalýza (v závislosti na tom, zda se katalyzátor a substráty
nachází ve stejné fázi):
a) Homogenní
b) Heterogenní
např. Pt-katalyzátor v autě
(Katalýza v plynné fázi na pevném nosiči)
nebo 2HI(g) =(Pt-katalyzátor)= H2 (g) +I2 (g)
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
97
Reakční rychlost
k2
E  S 


ES


E  P
k1 , k 1
k 1  k 2
Km 
k1
Michaelisova konstanta Km
dP
[S]
 vo  Vmax
dt
[S]  K m
Rovnice Michaelise–Mentenové
Rychlost tvorby produktu se uvádí jakožto reakční rychlost V v kinetice
enzymu.
Vmax = maximální rychlost pro danou koncentraci katalyzátoru
(Dvojité) Reciproké vyjádření
K
1
1
1

 m 
v0 Vmax Vmax [S]
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
98
Grafické vyjádření
rovnice Michaelise–Mentenové
vo
[S]  K m  vo  Vmax
Kinetika
1. řádu
Kinetika
0. řádu
Vmax
Vmax
2
[S]
[S] V
vo  Vmax
[S]
Vmax K  max
v2o 
[S]  [S]
2[Sm]
[S]
[S] Vmax
Vmax
 Vmax

[S]  [S]
2[S] 2
enzym nasycen
substrátem
[S] mol/l
Km
Základy lék. chemie
[S]
[S]
 Vmax
 Vmax  k[S]0
[S]  K m
[S]
Fyz. Chem. 2014/2015
99
Reakční rychlost v linearizovaném grafu
1/vo
Km 1
1
1



v0 Vmax Vmax [S]
1/v0 vs. [S]
1 / Vmax
1/[S]
- 1 / Km
Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
100
Kompetitivní inhibice
Některé molekuly inhibují katalýzu kompeticí o aktivní místa. Nejsilnější
inhibitory se nazývají jedy.
CH3OH  HCOOH
C2H5OH  CH3COOH
Alkoholdehydrogenasa
Katalyzátor je kompetitivně inhibován netoxickou látkou na úkor
toxického substrátu
Nejvyšší rychlost je dosažena při vyšších koncentracích
substrátu [S]
 Vmax je nezměněna
 Km je zýšena

Základy lék. chemie
Fyz. Chem. 2014/2015
101
Kompetitivní inhibice
Vmax
1/vo
vo
1 / Vmax 1 / Vmax
[S]-1
Km Km inh
Základy lék. chemie
[S]
mol.l-1
- 1/Km - 1/Km
Fyz. Chem. 2014/2015
102