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ΔG’°P: equilibrio che non viene modificato dall’enzima
Se l’equilibrio è favorevole non significa però che la velocità di conversione da S a P sia elevata, energia definita di attivazione. Tra S e P esiste una barriera energetica che ΔG++s® P corrisponde all’energia libera necessaria ad allineare i gruppi reagenti a formare cariche transitorie instabili, a riorganizzare legami e a produrre trasformazioni necessarie alla reazione per procedere in una delle due direzioni; quindi per poter superare questa barriera le molecole devono raggiungere un livello energetico più elevato di quello basale, lo stato di transizione che non corrisponde a una specie chimica con una stabilità significativa, quindi non è un intermedio della reazione ES o EP e nel picco la molecola ha la stessa probabilità di diventare P così come di ritornare S. La funzione dell’enzima è quella di aumentare
La velocità della reazione abbassando l'energia di attivazione e uscendone inalterato: l'enzima lega il substrato attraverso legami deboli nel sito attivo, l'entità tridimensionale formata da aa non contigui nella sequenza lineare, e permette la reazione attraverso diverse tappe in cui si ha la formazione di intermedi di reazione come ES ed EP. Da notare che quando sono presenti più tappe in una reazione la velocità di reazione dipende dalla tappa con energia di attivazione più alta, detta tappa limitante. Inoltre la capacità dell'enzima di legare il substrato è influenzata dal pH, specifico per ciascun enzima, che deve essere ottimale per consentire la massima capacità di catalisi. La specificità di un enzima dipende dalla sua specificità del legame del substrato e quindi dalla disposizione dei residui del sito attivo, per questo ci sono dei modelli di interpretazione: - ModelloLa chiave-serratura è un'immagine comunemente utilizzata per descrivere la complementarità strutturale tra un enzima e il suo substrato. I due elementi si completano l'uno con l'altro come una chiave e la sua serratura. Tuttavia, se fosse davvero così, la struttura sarebbe troppo stabile e perfetta, rendendo superflua la formazione del prodotto P, poiché si verificherebbero tutte le possibili reazioni.
Il modello dell'adattamento indotto suggerisce che l'enzima sia complementare allo stato di transizione per poter catalizzare la reazione. In altre parole, l'enzima è affine al legame ES e le interazioni favoriscono l'energia necessaria per compensare l'aumento di energia libera richiesto. Queste interazioni sono la forza trainante della catalisi.
Esistono diverse strategie catalitiche, tra cui la catalisi acido-base. Molte reazioni biochimiche coinvolgono la formazione di intermedi instabili carichi che tendono a degradarsi rapidamente nelle loro specie costituenti, impedendo al processo di reazione di completarsi.
Perciò possono essere stabilizzati mediante il trasferimento di ioni H o OH presenti nell'acqua nella catalisi acido-base specifica, oppure quando ciò non è sufficiente anche grazie a un trasferimento di protoni immediato da altre classi di molecole nella catalisi acido-base generale.
Nell'esempio del lisozima, un enzima battericida che idrolizza il polisaccaride NAM-NAG della parete cellulare batterica, nel sito attivo alloggia un esapolisaccaride (banding site) che identifica il legame glicosidico da idrolizzare, tra il NAM in posizione D e il NAG in posizione E, inoltre sono anche presenti Glu e Asp ai lati opposti del legame glicosidico da idrolizzare e in ambienti rispettivamente non polare e polare.
Meccanismo catalitico:
- Fase di catalisi acida - Il NAG (E) riceve un protone dalla Glu sul legame glicosidico attaccandosi all'O-. Glu si deprotona. Si crea un carbocatione sul C del NAM (D) carico positivamente.
- Fase - si idrolizza una
legare il substrato.Il DIPF, diisopropilfosfofluoridato è uninattivatore irreversibile dellachimotripsina ed agisce legandosicovalentemente alla Ser.
Meccanismo di catalisi:
- Fase - formazione di uno stato ditransizione intermedio tetraedricoossanionico- la trasformazione nel sito attivo inintermedio ossanionico del legamepeptidico (planare inizialmente)permette che questo si sposti nellatasca dell’ossanione, dove sonopresenti residui non carichi chestabiliscono ponti a idrogeno con O -- formazione di un intermedio acil-enzima
- Fase
Osservazioni: se nella prima fase al posto dell’enzima avesse reagito H O, il processo2sarebbe stato lento e sfavorito termodinamicamente.
C. Catalisi con ioni metallici
D. Catalisi per prossimitài reagenti si avvicinano con la giusta relazione spaziale e interagiscono se hannoanche lo stesso orientamento. Nel caso della nucleoside monofosfato chinasi (NMP)viene trasferito un gruppo fosfato.
E. Catalisi per distorsione Cinetica
sono sempre più piccoli, fino a raggiungere un valore massimo chiamato velocità massima (Vmax). Questo fenomeno è dovuto alla saturazione degli enzimi, ovvero quando tutti i siti attivi degli enzimi sono occupati dai substrati. La cinetica enzimatica può essere descritta mediante l'equazione di Michaelis-Menten, che stabilisce la relazione tra la velocità di reazione (v) e la concentrazione del substrato ([S]): v = (Vmax * [S]) / (Km + [S]) dove Km è la costante di Michaelis-Menten, che rappresenta la concentrazione di substrato necessaria per raggiungere la metà della velocità massima. Inoltre, è possibile determinare la costante catalitica (kcat), che rappresenta il numero di molecole di substrato convertite in prodotto da un singolo sito attivo dell'enzima al secondo. La cinetica enzimatica è di fondamentale importanza per comprendere il funzionamento degli enzimi e per studiare le reazioni biochimiche che avvengono all'interno delle cellule.diventano0estremamente piccoli e la velocità di reazione si avvicina alla velocità massima V, la quale è data dalla max quantità del prodotto P che si forma a partire da S dopo un certo periodo di tempo.
La V si osserva quando praticamente tutto l'enzima è presente nella forma di complesso ES e la concentrazione di E libero diventa trascurabile.
La velocità di reazione complessiva deve essere proporzionale alla concentrazione delle specie chimiche che reagiscono nella seconda tappa, cioè ad ES.
Si definisce lo stato pre-stazionario quando E viene mescolato con [S] molto maggiori, durante il quale avviene la formazione del complesso [ES].
Si definisce invece stato stazionario quando [ES] rimane approssimativamente costante nel tempo.
La relazione tra andamento della velocità iniziale e concentrazione del substrato è di tipo iperbolico ed è descritta dall'equazione di Michaelis-Menten:
Dove K rappresenta la
è un indicatore per distinguere i tipi di inibizione enzimatica. Inibizione enzimatica
Gli inibitori enzimatici sono molecole che interferiscono con la catalisi rallentando o bloccando le reazioni enzimatiche. Quindi l’inibizione enzimatica può essere del tipo:
- Reversibile = inibitore si lega con interazioni deboli
- Competitiva: l'inibitore competitivo compete con il substrato per il sito attivo dell’enzima e quando lo occupa impedisce il legame substrato-enzima.
- Non competitiva: l’inibitore non competitivo si lega a un sito diverso dal sito attivo ma quel legame modifica la conformazione dell’E e del sito attivo stesso.
Molti inibitori competitivi sono perciò strutturalmente simili al substrato e si combinano con l’enzima formando complessi EI, senza dar luogo alla catalisi. Nel grafico cambia la K, ma rimane costante la V: ci vuole una concentrazione maggiore di [S] affinchè il 50% di S si leghi all’E e quindi la costante è maggiore.
Tale per cui non è più affine al S. Nel grafico cambia la V che diminuisce mentre la K rimane costante, perché il numero di E che legano in modo ugualmente efficiente il S è ridotto.
- Irreversibile = inibitore si lega covalentemente e ne blocca l'attività definitivamente in modo perenne (es. il DIPF della chimotripsina).
Regolazione enzimatica
L'attività catalitica degli enzimi regolatori aumenta o diminuisce in risposta a determinali segnali e nella maggioranza dei sistemi multi-enzimatici di solito è il primo enzima della sequenza.
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