Riassunto esame Biochimica, Prof. Martin Sanchez Carlos, libro consigliato Introduzione alla biochimica , Lehninger

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Se G > 0 la reazione si definisce non spontanea o endoergonica

®

D

Se G < 0 la reazione si definisce spontanea o esoergonica

Per reazione: D

Esoergonica e spontanea ( G < 0): è una reazione chimica in cui l'energia è rilasciata

o dall'ambiente circostante. In altre parole, è una reazione che procede spontaneamente

perché l'energia libera diminuisce nel corso della reazione. Ad esempio, le reazioni

cataboliche hanno la variazione di energia nega–va perché producono ATP.

D

In equilibrio ( G = 0): in questo caso non avviene nessun cambiamento.

o D

Endoergonica e NON spontanea ( G > 0): è una reazione in cui è necessario fornire energia

o all'ambiente circostante affinché la reazione possa procedere, dunque NON spontanea. In

questo caso è necessaria una immissione di energia libera (ATP) per far avvenire questa

reazione (reazione endoergonica). Ad esempio, il metabolismo anabolico.

Relazione tra ΔG° e keq

La relazione tra l’energia libera di Gibbs e la costante di equilibrio è espressa dalla formula:

∆° = −( )

Dove R è a costante dei gas (8,315 J/mol·K), T è la temperatura assoluta (298 K = 25°C).

Una reazione può avere ΔG° molto negativo (quindi essere termodinamicamente favorita), ma

essere lenta. Per sapere quanto velocemente procede, dobbiamo considerare un altro aspetto:

l’energia di attivazione. 83

Velocità di reazione

La velocità di una reazione indica quanto velocemente i reagenti si trasformano in prodotti. È

influenzata da:

1) La concentrazione dei reagenti

2) Una costante di velocità, indicata con k

3) L’energia di attivazione (ΔG‡) cioè la “barriera” energetica da superare per far partire la

reazione

L’ordine di una reazione enzimatica si può stabilire a seconda se la reazione comprende solo un

substrato (unimolecolareàprimo ordine), due substrati (bimolecolareàsecondo ordine) o tre

substrati (trimolecolareà terzo ordine).

Se la reazione è unimolecolare è anche di primo ordine. In questo caso una singola molecola di

substrato si trasforma da sola in un prodotto, senza bisogno di interagire con altre molecole. La

velocità di reazione sarà uguale a: = []

Dove v è la velocità della reazione, cioè quanto velocemente si consuma A. [A] è la concentrazione

del substrato.

N.B. Essendo una reazione unimolecolare il rapporto sarà 1:1. Se raddoppi la concentrazione di A,

la velocità raddoppia. Se triplichi la concentrazione di A, la velocità triplica. Un esempio è se k=

−1

0,03 s , vuol dire che ogni secondo il 3% della quantità di A si trasforma in P.

Se parti con 100 molecole di A:

Dopo 1 secondo 97 molecole di A rimangono, 3 sono diventate P.

à

o Dopo 2 secondi il 3% delle 97 rimaste si trasforma, e così via.

à

o

Se la reazione è bimolecolare è anche di secondo ordine. Questa coinvolge due molecole di

substrato che devono interagire tra loro per formare un prodotto. Questa reazione è detta di

secondo ordine, perché la velocità dipende da entrambe le concentrazioni dei reagenti. 84

[][]

=

E così via, se la reazione è trimolecolare comprenderà tre molecole (substrati) che interagiranno

tra di loro per formare il prodotto. Questa reazione sarà detta di terzo ordine perché la velocità

dipende da tutte e tre le concentrazioni dei reagenti.

. [][][]

=

Energia di attivazione

Alcune reazioni chimiche che avvengono spontaneamente, cioè con una variazione di energia libera

(ΔG) molto negativa, risultano tuttavia estremamente lente in assenza di enzimi. Questo accade

perché possiedono un’energia di attivazione molto elevata (ΔG‡).

Un esempio emblematico è

l’ossidazione del glucosio, una

reazione fondamentale nel

metabolismo cellulare. In presenza di

ossigeno, il glucosio viene trasformato

in anidride carbonica e acqua,

liberando una notevole quantità di energia. Si tratta quindi di una reazione esoergonica, con ΔG

molto negativo. Dal punto di vista biochimico, il glucosio è la fonte di energia più rapida ed efficace

per la cellula, in quanto permette la produzione di ATP in tempi molto brevi.

Tuttavia, dal punto di vista chimico, il glucosio è una molecola molto stabile; quindi, tende a non

reagire spontaneamente con l’ossigeno. In assenza di catalisi enzimatica, l’energia di attivazione

necessaria per avviare la reazione è talmente alta da renderla praticamente impossibile in tempi

utili. Entrano in gioco gli enzimi e l’energia d’attivazione:

Che cos’è? L’energia di attivazione rappresenta una barriera energetica che le molecole devono

superare per raggiungere lo stato di transizione, cioè una configurazione temporanea e ad alta

energia che precede la formazione dei prodotti. Quanto più alta è questa barriera, tanto più

improbabile sarà che la reazione avvenga rapidamente.

A cosa serve? Questa barriera, se da un lato ostacola la velocità delle reazioni, dall’altro ha

un’importante funzione biologica: permette agli organismi viventi di controllare e regolare le

reazioni metaboliche. Solo quando necessario, e sotto precise condizioni (presenza di enzimi,

attivatori o segnali), le reazioni possono avvenire, evitando trasformazioni indesiderate o fuori

controllo.

Relazione costante di velocità e energia di attivazione

Dalla teoria dello stato di transizione è possibile ricavare un’espressione che meœa in relazione il

valore della costante di velocità con l’energia di a„vazione:

(

8∆ /

=

85

Dove k è la costante di Boltzmann e h è la costante di Planck. A questo punto si può notare che la

relazione tra la costante di velocità k e l’energia di a„vazione è inversa ed esponenziale. In termini

più semplici possiamo dire che più bassa è l’energia di a•vazione, più alta sarà la velocità della

reazione e viceversa.

Meccanismo d’azione degli enzimi

Gli enzimi catalizzano le reazioni chimiche

offrendo una via alterna–va con energia di

a•vazione (ΔG‡) più bassa rispeœo a quella

della reazione non catalizzata.

Gli enzimi abbassano questa barriera

energe–ca (1) creando un complesso

transitorio chiamato complesso enzima-

substrato (ES). Questo si forma quando il

substrato entra nel sito a„vo dell’enzima, una

zona specifica dove si legano tra loro

aœraverso interazioni deboli ma precise come

legami a idrogeno, forze di Van der Waals o

interazioni eleœrosta–che.

Il complesso ES ha un’energia più bassa rispeœo al substrato libero che cerca di raggiungere da solo

lo stato di transizione. Questo permeœe alla reazione di arrivare più facilmente e velocemente al suo

punto cri–co o tappa limitante (2), dove può trasformarsi in prodoœo (3). Subito dopo, il prodoœo

viene rilasciato, e l’enzima è libero di catalizzare un nuovo ciclo (4).

Complesso enzima-substrato

Durante la catalisi enzima–ca, l’abbassamento dell’energia di a•vazione (ΔG‡) è possibile grazie alla

formazione del complesso enzima-substrato (ES). All’interno di questo complesso si instaurano

numerosi legami deboli (idrogeno, ionici, idrofobici, Van der Waals), ciascuno dei quali libera una

piccola quan–tà di energia libera. La somma di ques– rilasci cos–tuisce l’energia di legame, u–lizzata

per abbassare ΔG‡ e rendere la reazione termodinamicamente più favorevole.

In media, l’energia necessaria per ridurre l’energia di a•vazione di 10 volte è circa 5,7 kJ/mol.

Considerando che un legame debole fornisce da 4 a 20 kJ/mol, in un complesso ES si formano

normalmente tra 4 e 15 legami, per un totale di circa 60–80 kJ/mol.

Queste interazioni, –piche della struœura terziaria delle proteine, hanno un duplice ruolo:

Stabilizzano temporaneamente il complesso ES;

o Contribuiscono all’abbassamento dell’energia di a„vazione, ogni volta che si forma uno di

o ques– legami deboli, viene rilasciata una piccola quan–tà di energia libera, che nel complesso

contribuisce a rendere la reazione termodinamicamente più favorevole

Legame sito attivo – substrato: modelli teorici 86

I legami deboli tra enzima e substrato iniziano a formarsi nel momento in cui i due componen–

interagiscono e raggiungono la loro massima estensione nello stato di transizione, punto in cui si

registra la massima complementarietà tra substrato e sito a•vo. Su questo principio si fondano due

modelli teorici:

1. Modello chiave-serratura: ipo–zza una complementarietà perfe…a e rigida tra enzima e

substrato, secondo cui il substrato si inserisce

nel sito a•vo senza che si verifichino

modificazioni stru…urali. Tuœavia, questa

teoria si è dimostrata limitata, poiché nella

maggior parte dei casi si osservano

adaœamen– conformazionali sia del substrato

che dell’enzima.

2. Modello dell’ada…amento indo…o

(induced fit): le modificazioni struœurali

reciproche tra enzima e substrato

permeœono un miglior ada…amento e

favoriscono il raggiungimento dello stato

di transizione. La necessità di molteplici

interazioni specifiche gius–fica anche le

grandi dimensioni molecolari degli enzimi.

Stato di transizione – come lo limita ES?

Lo stato di transizione di una reazione chimica è l’insieme delle barriere fisiche (legate al sito a•vo

e substrato) e termodinamiche che ostacolano il coreœo svolgimento della reazione. Le principali

barriere sono:

Entropia: è il grado di disordine di un sistema. L'entropia () è una grandezza termodinamica

o che misura il grado di disordine o il numero di configurazioni possibili di un sistema. È una

funzione di stato che descrive: la distribuzione dell'energia in un sistema e il livello di casualità

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o incertezza nella disposizione delle par–celle. Se S > 0 la reazione tende all’disordine (es.

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4A + 3B 2C), se S < 0 la reazione tende all’ordine (es. 2A 3C + 3B).

Affinché due