Velocità di reazione ed enzimi

FATTORI INFLUENZANTI LA VELOCITÀ DI REAZIONE

I parametri da cui dipende la velocità della reazione chimica sono:

• Natura dei reagenti: sostanze esplosive oppure ci mettono tempo a reagire
• Concentrazione delle specie chimiche coinvolte: se aumenta la concentrazione, la velocità aumenta poiché aumenta il numero delle collisioni, quindi aumenta anche la probabilità che avvenga un urto attivo
• Temperature: velocità aumenta all’aumentare della temperatura poiché aumenta l’energia cinetica media delle particelle, quindi aumenta il numero di particelle con energia maggiore di quella di attivazione (ecco perchè abbassi temperature→ diminuisci velocità delle reazioni)
• Catalizzatore: in presenza di un catalizzatore la velocità aumenta (diminuisce l’energia di attivazione)

EFFETTO DEI CATALIZZATORI SULLA VELOCITÀ DI REAZIONE

Il catalizzatore:

• agisce in piccolissime quantità (non bisogna averne

una quantità stechiometrica (ne basta meno) perché il catalizzatore partecipa sempre alla reazione che catalizza, ma al termine del ciclo catalitico esso non si consuma (si rigenera), quindi può catalizzare altre reazioni: - partecipa alla reazione (è realmente consumato in uno stadio); - non compare nella reazione stechiometrica; - influisce sul percorso della reazione abbassandone l'energia di attivazione (e velocizzando la reazione), infatti l'energia di attivazione della reazione catalizzata è più bassa della medesima reazione non catalizzata. Gli enzimi sono i principali CATALIZZATORI BIOLOGICI, essi sono proteine globulari solubili in acqua, possono essere sia proteine semplici (costituiti solo da amminoacidi) che coniugate (contengono anche un gruppo prostetico oltre agli amminoacidi). Gli enzimi aumentano la velocità di reazione da 10^6 a 10^20 volte (il tempo necessario perché la reazione avvenga passa da milioni di)

anni ad alcuni millisecondi)

Abbiamo tanti tipi diversi di enzimi dato che ogni reazione è catalizzata da uno specifico enzima. Anche se gli enzimi sono una percentuale rilevante delle proteine cellulari, essi nella cellula hanno una concentrazione bassa (catalizzatore)

La reazione avviene sulla superficie dell'enzima, ciò assicura che le molecole si urtino già con l'orientazione corretta, le molecole dei reagenti sono chiamati substrati.

Sulla superficie dell'enzima esiste una zona chiamato sito attivo (o di legame) dove si generano interazioni tra l'enzima e i substrati (reagenti).

Queste interazioni si generano dato che c'è una complementarietà chimica e geometrica tra il sito attivo e i substrati, ciò determina la specificità dell'enzima, i catalizzatori biologici sono più specifici dei catalizzatori chimici usati in laboratorio.

Esistono vari livelli di specificità:

- Alcuni enzimi hanno una

specificità assoluta: sono in grado di catalizzare un solo substrato, ad esempio aminoacil-tRNA sintetasi (catalizza l'attacco di uno specifico amminoacido all'RNA transfer).

Specificità di gruppo: un enzima che catalizza processi che coinvolgono molecole simili che contengono lo stesso gruppo funzionale ha specificità di gruppo. Es. esochinasi (catalizza l'addizione di un gruppo fosfato al glucosio ma anche ad altri zuccheri esosi).

Specificità di legame: un enzima che catalizza la formazione o la rottura solo di alcuni specifici legami in una molecola ha specificità di legame. Es. tripsina, chimotripsina (catalizzano la rottura di legami peptidici), sono delle proteasi.

Specificità stereochimica: un enzima distingue un enantiomero dall'altro, la maggior parte degli enzimi del nostro corpo mostrano specificità stereochimica (riconoscono solo un enantiomero e non l'altro).

Il sito attivo è la zona in cui

vengono alloggiate le molecole dei reagenti, mentre la reazione vera e propria avviene nel sito catalitico in cui le interazioni enzima-substrato sono deboli (legami a H, ponti salini). REAZIONE CHIMICA - complesso enzima substrato: interazione tra sito attivo e substrato (interazioni deboli), ciò si chiama complesso enzima-substrato. - La reazione chimica avviene nel sito catalitico, si forma il complesso enzima-prodotto (prodotti legati alla superficie dell'enzima). - Prodotti vengono liberati dalla superficie dell'enzima, poi l'enzima viene rigenerato per poter entrare in un altro atto catalitico. MODELLI PER SPIEGARE INTERAZIONE ENZIMA-SUBSTRATO - Modello chiave-serratura: la superficie dell'enzima è perfettamente complementare alla superficie del substrato (come la chiave che è perfettamente complementare alla serratura). Tale modello non è realistico, infatti gli enzimi sono proteine globulari e in quanto tale sono flessibili, mentre in questoconcentrazione dei prodotti o la diminuzione della concentrazione del substrato- TemperaturaL'attività degli enzimi aumenta con l'aumento della temperatura fino a raggiungere un punto ottimale, oltre il quale l'enzima può denaturarsi e perdere la sua attività- pHIl pH ottimale per l'attività degli enzimi varia a seconda dell'enzima specifico. Alcuni enzimi sono attivi in ambiente acido, altri in ambiente basico- Presenza di cofattori o coenzimiAlcuni enzimi richiedono la presenza di cofattori o coenzimi per svolgere la loro funzione catalitica- InibitoriGli inibitori possono legarsi all'enzima e bloccare la sua attività catalitica. Possono essere competitivi (competono con il substrato per il sito attivo dell'enzima) o non competitivi (si legano a un sito diverso dall'enzima e alterano la sua conformazione)- Attività di altri enzimi o molecoleGli enzimi possono interagire tra loro o con altre molecole presenti nell'ambiente, influenzando reciprocamente la loro attività

concentrazione dei reagenti o dei prodotti

Per gli enzimi non allosterici vale la legge di Michaelis-Menten

Nei 7 tubi viene tenuta costante la concentrazione dell'enzima mentre viene aumentata progressivamente la concentrazione del substrato (S)

La curva ottenuta si chiama grafico di Michaelis-Menten in cui si osserva l'andamento della velocità della reazione enzimatica in funzione della concentrazione del substrato (variabile indipendente)

L'EQUAZIONE DI MICHAELIS-MENTEN descrive il comportamento cinetico di molti enzimi (non imparare la formula)

Dal grafico si deduce che aumento la concentrazione del substrato di un certo range la velocità di reazione aumenta (primo pezzo di curva, nella parte finale [concentrazione di S da 150-200 mmol) si nota che la velocità è aumentata di pochissimo poiché la curva tende asintoticamente alla velocità massima, la velocità massima corrisponde alla saturazione dell'enzima.

Quando

l'enzima è saturato, anche se aggiungo nuovo substrato la velocità non aumenta più (tutti le molecole di enzimi sono occupate da altre molecole di substrato) Km è un indice che indica l'affinità dell'enzima per il substrato, più tale valore è piccolo, più è alta l'affinità dell'enzima per il suo substrato (salta la parte matematica) - pH Le curve a campana mettono in evidenza che ogni enzima ha un suo pH ottimale (apice della campana), il pH cambia la struttura terziaria della proteina. La struttura terziaria delle proteine è stabilizzata da ponti-salini (catene laterali degli amminoacidi hanno cariche opposte), quindi variando il pH si può variare lo stato di ionizzazione (cariche), perciò si possono perdere delle interazioni - Temperatura Ci sono temperature ottimali per la catalisi, le curve sono a campana: la prima parte della curva è crescente (velocità della reazione aumenta con la temperatura), poi raggiunge un massimo e infine diminuisce (denaturazione dell'enzima).

La reazione aumenta all'aumentare della temperatura) fino alla temperatura ottimale (velocità massima), poi la velocità cala poiché gli enzimi sono proteine (molecole termolabili) e in quanto tali vanno incontro a denaturazione (perdono di efficienza).

Presenza di inibitori

Gli inibitori sono molecole in grado di formare un legame chimico con l'enzima diminuendone l'attività catalitica (ossia la velocità di catalisi della reazione).

Sulla base del tipo di legame inibitore-enzima si possono avere:

• inibizione reversibile: si legano all'enzima con un legame debole (non covalente), quindi una volta che si spezza tale legame si ripristina l'attività catalitica dell'enzima. Si dividono in:
  • inibitori competitivi: l'inibitore ha forma analoga al sito attivo dell'enzima, quindi l'inibitore agisce come il substrato legandosi all'enzima con un legame debole (l'enzima non può catalizzare poiché...

l'ingresso del substrato è fisicamente occupato dall'inibitore), una volta che il legame si rompe l'efficienza catalitica dell'enzima viene ripristinata (quindi l'inibitore compete con il substrato per entrare nel sito attivo)

inibitori non competitivi: si legano ad un sito diverso dal sito attivo dell'enzima prima o dopo che si è legato il substrato (nell'esempio si lega prima). Pur legandosi ad un sito diverso, l'inibitore non-competitivo determina un cambiamento della conformazione del sito attivo impedendo all'enzima di legare il substrato (non si porta avanti la catalisi) per cui la reazione non avviene.

inibizione irreversibile: si perde in modo irreversibile l'efficienza catalitica in seguito al legame enzima-inibitore, ciò accade perché gli inibitori irreversibili si legano con un legame forte (covalente) che una volta formato non si può rompere. Un esempio sono i gas nervini che formano un legame

forte attraverso il gruppo fosfato e residui amminoacidici dell'enzima, oppure anche la tossicità di certi metalli che formano legami forti con la cisteina (presenti nelle nostre proteine), ciò accade in modo analogo anche con i veleni dei serpenti/vipere.

Molti farmaci sono inibitori di un qualche enzima dell'organismo o di cellule estranee ad esso, agendo su equilibri metabolici e fisiologici la cui alterazione è spesso alla base della malattia o del sintomo.

Esempi:

Le STATINE (farmaci ipocolesterolemizzanti) che agiscono inibendo l'enzima che regola la biosintesi endogena del colesterolo. Le statine hanno una parte molto simile al substrato dell'enzima, esse si legano all'enzima impedendola catalisi per la sintesi del colesterolo.

Le PENICILLINE e CEFALOSPORINE (antibiotici) agiscono inibendo la sintesi della parete cellulare di molti batteri.

- presenza di coenzimi e cofattori che agiscono con l'enzima:

Alcuni enzimi richiedono

l'intervent