Cinetica enzimatica

Il comportamento cinetico degli enzimi

Il comportamento degli enzimi, dal punto di vista cinetico, è qualcosa di deducibile dai concetti generali della chimica. È una normale cinetica chimica. La relazione tra velocità della reazione e concentrazione delle specie che la influenzano è regolata dalla legge di velocità. La legge di velocità è l’equazione che esprime la velocità della reazione in funzione della concentrazione delle sostanze che la influenzano.

Reazioni chimiche

Una reazione chimica può avere un meccanismo semplice, così semplice da prevedere un unico stato di transizione (reazione elementare). In opposizione ci sono le reazioni complesse, che prevedono più stati di transizione.

La molecolarità di una reazione corrisponde al numero di molecole che devono interagire tra loro per generare lo stato di transizione. Le reazioni elementari possono essere unimolecolari o bimolecolari. L’ordine di una reazione è il grado algebrico della sua equazione di velocità. Nelle reazioni elementari si applica il concetto di molecolarità: il numero di molecole che devono interagire per dar luogo allo stato di transizione. Può essere pari a 1 o a 2.

Velocità di reazione

La velocità di reazione è direttamente proporzionale alla concentrazione di enzima. Ciò vuol dire che la reazione è del primo ordine rispetto all’enzima. Se invece si guarda la dipendenza della velocità dalla concentrazione del substrato, la velocità ha un andamento diverso: aumenta, ma non linearmente. È di un ordine che cambia a seconda della concentrazione stessa. Nel caso di una reazione enzimatica, l’ordine rispetto al substrato parte da 1 finendo a 0 quando la concentrazione del substrato è molto alta. Si ha questa particolare cinetica detta a saturazione che tende a un valore massimo.

Complesso enzima-substrato

L’enzima agisce formando un complesso con il substrato: complesso enzima-substrato (ES). Assunzione delle condizioni di equilibrio tra enzima libero e complesso ES: per ottenere un’equazione che descrive i dati sperimentali non è necessario assumere che ES sia in equilibrio con E e S liberi (condizione che richiede k >> k). È sufficiente assumere lo stato stazionario per [ES].

Le varie forme tra cui si ripartisce l’enzima si mantengono, dopo una fase pre-stazionaria, nella stessa concentrazione, pur non essendo in equilibrio tra di loro. Questa fase si chiama fase stazionaria. Su questa base, si può ricavare facilmente la legge di velocità per una reazione enzimatica.

Condizioni iniziali

Condizioni iniziali: sono presenti solo enzima e substrato, ma il prodotto ha una concentrazione irrilevante. Per meccanismi più complessi, l’equazione rimane valida: invece di k si ha una k_cat (costante catalitica), espressione di più costanti di velocità di più reazioni elementari. È una funzione in due variabili, quindi graficamente potrebbe essere rappresentata in forma tridimensionale. È più comodo, ai fini pratici, rappresentarle come curve sul piano. La velocità iniziale rispetto alla concentrazione del substrato è crescente, ma tende ad un asintoto.

Condizioni per la validità della equazione di Michaelis-Menten

• Condizioni di stato-stazionario per tutte le forme tra cui l’enzima si ripartisce, non complessata (libera) e complessate.
• Velocità di reazione determinata in condizioni “iniziali” di reazione, ovvero [S] non significativamente diversa da [S]₀ e [P] trascurabile.
• Eccesso di S rispetto a [E]_T.

La K_M (costante di Michaelis) corrisponde alla concentrazione di substrato in corrispondenza della quale v = ½V_max.