Biocatalisi

Biocatalisi

Concetti chiave

I processi industriali eco compatibili ed altamente efficienti si basano su:

• Condizioni di reazione moderate
• Acqua come solvente
• Altamente regio e stereoselettivi
• TOFs intorno ai 10² - 10⁴ s⁻¹
• Catalizzatori totalmente biodegradabili e compatibili

Esempi celebri: bio vs industria

• Fissazione N₂ Nitrogenasi → T ambiente
• Haber-Bosch → T 700 K

Catalisi omogenea o eterogenea?

Eterogenea

• Dimensioni molto maggiori dei substrati
• Ripiegamenti e tasche sono simili a microreattori
• Regioni di differente polarità rispetto a quella del solvente

Omogenea

• Alta specificità
• Alta selettività

Struttura

• Backbone proteico o basato su RNA
• Diversificazione funzionale che caratterizza la struttura primaria e determina quella secondaria o terziaria

Molti enzimi contengono molecole non proteiche che partecipano alla funzione catalitica:

• I cofattori possono essere metalli o molecole organiche
• Metalloenzimi cofattore metallico
• Coenzima cofattore organico
• Apoenzima (forma non attiva) + cofattore → oloenzima (enzima attivo)

Classificazione e nomenclatura degli enzimi

• Ossidoreduttasi
• Transferasi
• Idrolasi
• Liasi
• Isomerasi
• Ligasi o Sintetasi

Sito attivo e modalità di interazione con il substrato

• Il sito attivo è circondato da residui amminoacidici che legano il substrato all’enzima
• In accordo con il principio di Sabatier, l’energia di interazione fra il sito attivo ed il substrato deve essere ca 3-10 kcal mol⁻¹
• Effetto Circe

Modelli di interazione enzima–substrato

• Chiave – serratura (Emil Fischer 1894)
• Adattamento indotto (Daniel Koshland Jr. 1960)

Complementarietà enzima-substrato

Requisiti:

• Forma
• Carica
• Polarità
• Chiralità

Meccanismo di azione:

• I residui presenti nel sito attivo destabilizzano il substrato rendendolo simile al complesso attivato corrispondente allo stato di transizione

Effetto di prossimità e reazioni intramolecolari

Vicinanza

• Un reagente orientato correttamente rende la reazione più veloce

Intramolecolarità

• Il catalizzatore trasforma una reazione intermolecolare in una intramolecolare
• Gli effetti di prossimità aumentano le concentrazioni efficaci e quindi le velocità

Modello cinetico di Michaelis-Menten

Ipotesi meccanicistiche:

• L’enzima E reagisce reversibilmente con il substrato S formando il complesso enzima substrato ES: E + S ⇄ ES
• ES quindi ripristina E ed evolve P: ES → E + P. k₁ e k₋₁ sono le costanti relative al processo (REVERSIBILE) di adsorbimento e desorbimento
• k₂ è relativa al processo reattivo seguito dal veloce desorbimento del prodotto

Ipotesi operativa:

• [E]₀ = [E] + [ES] (1)
• d[P]/dt = k₂[ES] (2)