Enzimologia - funzioni di particolari proteine e cinetica enzimatica

Cambiamo argomento; Che cos’è questa curva?

Che cosa ci dice? Variazione di energia libera durante una reazione. Che vuol dire? Nella cellula

avvengono le reazioni, che tipi di reazioni avvengono? Spontanee, non spontanee? Avvengono tutte

le tipologie di reazioni possibili, senza le quali la cellula non potrebbe sopravvivere. Cosa significa

che una reazione è spontanea? Istintivamente saremmo portati a pensare che in questa cellula questa

reazione avviene continuamente in quanto spontanea. Ma facciamo un passo indietro: cos’è una

reazione? Si può considerare come un momento temporale in cui succede un qualcosa, avviene una

trasformazione di un substrato, che chiamiamo S, in un prodotto, che chiamiamo P. Per

comprendere cosa significhi una reazione spontanea da una non spontanea dobbiamo considerare

l’energia libera di Gibbs; che cos’è l’energia di Gibbs? É un numero (perché noi per capire le cose

come al solito abbiamo bisogno di numeri), tanto più grande è un numero tanto migliore è una cosa

o in altri casi è l’inverso, solo attraverso i numeri capiamo le cose. Sappiate che ad ogni molecola è

associato un numero, un numero energetico, che ci parla del contenuto energetico di quella

molecola, che vuol dire questo? Significa che ogni molecola è caratterizzata da una propria energia.

Questo cosa vuol dire? Che si muove come una pazza la molecola perché è energetica? Cosa vuol

dire che ogni molecola, quindi S ma anche P, ha un proprio contenuto energetico? Di che tipo di

energia stiamo parlando? Dell’energia che si nasconde all’interno dei legami che tengono uniti i

vari atomi di quella molecola. L’energia è uguale ai legami, un qualunque legame (carbonio-

carbonio, carbonio-zolfo, carbonio-azoto, carbonio-ossigeno, azoto-azoto) tutti i legami noti dalla

chimica che esistono e che si possono formare sono associabili ad un numero che è il contenuto

proprio di quel definito legame, questo significa che un legame carbonio-carbonio avrà un

contenuto energetico che sarà diverso da quello del legame carbonio-ossigeno che sarà a sua volta

diverso da quello carbonio-azoto etc cc. Partiamo quindi dal presupposto che S ha un suo contenuto

di energia, quindi un numero che ha il nome di G (energia libera) e questo numero è questo: se

questo è un asse, qui c’è zero, immaginiamo che il termine dell’asse sia dieci, che numero ha S? 4,

quindi S = 4; energia libera di Gibbs di S uguale a 4. Che numero ha P? Diciamo 3; energia libera

di Gibbs di P uguale a 3. Chi è più energetico? S. Cosa succede ad un sistema che ha un elevato

contenuto energetico? Qual è la sua tendenza, la sua spontaneità? A trovare una stabilizzazione e

questa si ottiene solamente raggiungendo un contenuto energetico più basso possibile. Quanto più

elevato è questo contenuto energetico tanto più si dice che quella molecola è reattiva.

Contrapposizione tra reattività e stabilizzazione: questi due aspetti sono correlati all’energia libera

di Gibbs in maniera inversa, la reattività è legata ad elevati contenuti di energia libera, la stabilità a

bassi valori di energia libera, quindi quando noi diciamo che una reazione è spontanea vuol dire che

tendenzialmente S cerca di trasformarsi in P, cioè S è una molecola reattiva che fino a quando non

si trasforma in P continua ad essere reattiva, questa sua reattività la porterà a trasformarsi in P. Ma

questa è una certezza? È una certezza che se S ha un valore di G maggiore di quello di P si

trasformerà in P? No, perché? perché è energia di attivazione; che cos’è l’energia di attivazione?

Un valore di G? NO, è un valore di ∆G perché l’energia di attivazione non esiste in quanto tale,

esiste perché esiste S, esiste P, o meglio esiste l’energia di attivazione perché esiste G di S e G di P,

cioè rispetto a G di S l’energia di attivazione sarà 9, rispetto ad S il valore è 9; in realtà il valore 9 è

in assoluto. In pratica l’energia di attivazione non è un valore di energia libera che quindi in questo

caso sarebbe 9 (in questo caso), non esiste in assoluto, esiste perché esiste S. S ha un contenuto

energetico? Se quel … (33.00) che si chiama stato di transizione si trova qui, questa è l’energia di

attivazione, cioè lo scoglio energetico così detto che S deve superare prima di diventare P. Se S non

è qui ed è qui lo scoglio è uguale a prima? No, quindi l’energia di attivazione esiste solo in

∆G,

relazione ad S, quindi si parla di la differenza tra un punto ed un altro in termini di energia

libera. Questo ∆G, che sul libro troviamo con il doppio asterisco, è l’energia di attivazione come

riportata qui, che è la risposta al fatto che dire che una reazione è spontanea perché il contenuto

energetico del substrato è maggiore di quello del prodotto non vuol dire necessariamente che in

quella reazione avverrà, perché comunque il substrato deve fare i conti con lo stato di transizione,

se non raggiunge lo stato di transizione non verrà mai trasformato in un prodotto. Ma lo stato di

transizione che cos’è? Perché deve raggiungere lo stato di transizione? Di che evento stiamo

parlando? Stiamo parlando di una trasformazione. In che termini si deve trasformare il substrato?

Cosa deve cambiare? Praticamente deve cambiare S, cosa vuol dire che deve cambiare S? Ossia

rompere legami, ma i legami non erano energia? Quanti legami ha S, uno? No, tanti. Si devono

rompere tutti questi legami? Se non tutti almeno la parte coinvolta in questa trasformazione. Quindi

è necessario avere energia, motivo per cui aumenta l’energia necessaria per poter passare poi alla

formazione del prodotto, anche perché nello stato di transizione se è vero che si devono rompere

legami se ne devono formare anche di altri, quindi è una condizione definita anche come momento

della reazione, perché di fatto non si può parlare di un intermedio, un intermedio è una specie

chimica ben definita: tot numero di legami carbonio-carbonio, tot numero di legami carbonio

ossigeno etc. Allo stato di transizione non esiste una molecola finita, esiste una molecola che ha dei

legami rotti ed altri in via di formazione, quindi non è un intermedio. Un intermedio sarebbe

caratterizzato da un proprio valore di G; lo stato di transizione no, è un momento energetico in cui

questo substrato sta andando incontro a trasformazioni, quindi per poterlo raggiungere bisogna dare

energia, tant’è che se S ha questo valore di energia, gliene dobbiamo fornire un bel po’ per arrivare

allo stato di transizione. È un problema questo? Come lo affronta la cellula questo problema? Con

gli enzimi. Non esiste una sola reazione nella cellula che non sia catalizzata da un enzima, è tutto

tenuto sotto controllo e questo è un vantaggio dato dall’intervento degli enzimi, perché gli enzimi

sono necessari per fare avvenire la reazione ma allo stesso tempo la cellula ha trovato degli

stratagemmi per regolare l’attività degli enzimi. Pensiamo agli enzimi allosterici ad esempio,

pensate ai meccanismi di feedback negativo per cui il prodotto inibisce l’enzima, quindi è uno

stratagemma intelligente quello dell’enzima attraverso il quale la cellula risolve il problema di fare

avvenire le reazioni e o spontanea o non spontanea non avverrebbero, a meno che, ad esempio, si

accendesse un fiammifero sotto una cellula per aumentare la temperatura e quindi fornire energia

sotto forma di calore al nostro substrato che in questa maniera potrebbe levarsi dallo stato di

transizione e quindi forse essere trasformato in prodotto. La cellula non si fa dare fuoco e invece ha

escogitato questa strategia degli enzimi; e meno male che le cose stanno così altrimenti se

consideriamo il glucosio, se consideriamo la reazione di ossidazione del glucosio che prende il

nome di glicolisi (che praticamente non è una tappa ma sono tante tappe di un processo) alla fine

porta ad avere anidride carbonica; si producono molecole di ATP ma di fatto il glucosio in cos

viene trasformato? Anidride carbonica e acqua. Ci siamo chiesti qual è il contenuto energetico del

glucosio e dell’anidride carbonica? Certamente il glucosio avrà un contenuto energetico ben più

elevato rispetto a quello dell’anidride carbonica, già solo per il fatto che quella è una molecola a sei

atomi di carbonio mentre l’anidride carbonica solo tre atomi in tutto e un atomo di carbonio. Quindi

questo vuol dire che se non ci fosse questo ostacolo dato dal salto energetico, appena arriva un po’

di glucosio nella cellula sarebbe subito trasformato in energia, deve essere tutto fortemente

controllato in maniera tale che la glicolisi possa avvenire quando non avviene la gluconeogenesi,

solo dietro necessità energetica la glicolisi deve essere attivata, non si può pensare che debba essere

sempre attiva, motivo per cui esistono i famosi depositi di glicogeno, è un meccanismo

fondamentale di sopravvivenza, quindi è grazie a questo patto che le reazioni per quando spontanee

possano essere, di fatto hanno necessità di energia per avvenire, la cellula riesce a sopravvivere.

Relazione fra la costante di equilibrio e l’energia libera. Perché vogliamo mettere in relazione

libera si parla di ∆G

queste due grandezze? E poi nella tabella (slide 5) più che di energia con zero

primo. Che cos’è delta G con zero primo? Variazione di energia libera standard. Che significa?

In condizioni standard, diverse da quelle cellulari, che sarebbero concentrazione unitaria di S,

temperatura 298 °K, pressione atmosferica 1 atm, pH 7 è una cosa introdotta dai biochimici, nella

cellula non è proprio standard perché di fatto i protoni non raggiungeranno mai la concentrazione di

1molare. Quindi, esistono le condizioni standard rappresentate da questo zero; in reazioni che

avvengono nei sistemi cellulari, nei sistemi biologici, i biochimici hanno considerato che c’è anche

un altro fattore: il pH, consideriamo 7, il pH neutro. Le condizioni biochimiche vengono segnalate

con 0’ (zero primo). Che cos’è il ∆G’, visto che siamo biochimici? Indica il salto energetico fra il

substrato e il prodotto, cioè è la variazione di energia libera fra substrato e prodotto, o meglio fra

prodotto e substrato; motivo per cui il ∆G può essere indice della spontaneità della reazione,

Diciamo la definizione: se il ∆G<0 la reazione è spontanea, quindi valore di ∆G negativo

perché?

indicano una reazione spontanea. Q