IN UNA REAZIONE CHIMICA
Tempo (t) [B]A B
k v = -d[A]/dt = d[B]/dt = k [A] v è la velocità di reazionek è la costante cinetica della reazione
A parità di [A], maggiore è il valore della costante cinetica, maggiore è la velocità di reazione
Velocità diretta
v
1= -d[A]/dt =
k
+1[A]
Velocità inversa
v
-1= -d[B]/dt =
k
-1[B]
All’equilibrio v
1= v
-1k
+1[A] = k
-1[B]
A B
K+1 K-1Keq =
[B]
[A]
k
+1k
-1=
IL PROFILO ENERGETICO DI UNA REAZIONE
N.B. IL PRODOTTO PUO’ ANCHE ESSERE MENO STABILE (A ENERGIA LIBERA PIU’ ALTA) DEI REAGENTI
Il valore della costante cinetica della reazione dipende dalla
energia necessaria per raggiungere lo stato di transizione (energia di attivazione). Maggiore è l’energia di attivazione, minore è il
valore della costante cinetica
Reazione non catalizzata vs. reazione catalizzata
IL PROFILO ENERGETICO DI UNA REAZIONE
Un catalizzatore abbassa l’energia di attivazione DG‡
Lo stato di transizione
• Uno stato di transizione NON è un intermedio della reazione
• Uno stato di transizione è un “arrangiamento” molecolare intermedio tra la struttura dei reagenti e quella dei prodotti
• Uno stato di transizione NON è isolabile. La sua struttura può solo essere ipotizzata
Reazione non catalizzata
Stabilizzazione dello stato di transizione nella
corrispondente reazione catalizzata (catalisi
generale basica)
Reazione non catalizzata
Stabilizzazione dello stato di transizione nella
corrispondente reazione catalizzata (catalisi generale acida)
La stabilizzazione dello stato di transizione
Meccanismo SN2
• catalisi generale acida o basica: il meccanismo
catalitico prevede la presenza di una molecola che dona
protoni (acida) o carica negativamente (basica);
• catalisi elettrostatica: porta alla stabilizzazione delle
cariche parziali che si possono generare nello stato di
transizione con un opportuno controione.
• catalisi elettrofila: il meccanismo è elettrofilo e
generalmente dipende da ioni metallici;
• catalisi nucleofila: il meccanismo della reazione è
nucleofilo
Esempi di stabilizzazione dello stato di transizione
In definitiva la stabilizzazione dello stato di
transizione dipende dalla presenza di specifici gruppi
chimici (e nel corretto stato di ionizzazione) sul
catalizzatore
I DATI SPERIMENTALI CI DICONO CHE L’ENZIMA
FORMA UN COMPLESSO CON IL SUBSTRATO
I DATI SPERIMENTALI CI DICONO CHE
L’ENZIMA FORMA UN COMPLESSO CON IL
IL MODELLO DI MICHAELIS E MENTEN (1930)
E + S ES E + P
PER ESERCITARE L’EFFETTO CATALITICO L’ENZIMA DEVE FORMARE IL COMPLESSO ENZIMA-SUBSTRATO (ES). DEVE QUINDI RICONOSCERLO
PER ESERCITARE L’EFFETTO CATALITICO L’ENZIMA DEVE FORMARE IL COMPLESSO ENZIMA-SUBSTRATO (ES). DEVE QUINDI RICONOSCERLO
IL MODELLO DELL’ADATTAMENTO INDOTTO (INDUCED FIT) o MODELLO DI KOSHLAND
ESEMPI DI GRUPPI DI UN ENZIMA IMPLICATI NEI
PROCESSI CATALITICI
SPECIFICITA’ DEGLI ENZIMI
• Gli enzimi hanno un elevatissimo grado di
specificità nei confronti dell’identità chimica dei reagenti (substrati) e dei
prodotti delle reazioni da essi catalizzate.
• Gli enzimi sono chemioselettivi,
regioselettivi e stereoselettivi.
La specificità di substrato
La chimotripsina catalizza la scissione dei legami peptidici solo accanto agli amminoacidi evidenziati
OH OH OH HO O CH2OPO32- OH OH OH O CH2OH -2O 3POCH2
La specificità di reazione
Glucosio 6-P Fruttosio 6-P=
O OH OH HO O CH2OPO32- 6-P-δ-gluconolattone Glucosio 6-P isomerasi Glucosio 6-P deidrogenasi• Ogni enzima viene classificato a secondo della reazione che catalizza. • Ogni enzima viene classificato con un numero: EC X.Y.Z.T
• X = classe
• Y = sottoclasse
• Z = sotto-sottoclasse
• T = numero dell’enzima nella sotto-sottoclasse
(http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/databases/enzymes/)
Classi:
– 1. Ossidoreduttasi
• Catalizzano una reazione redox.
– 2. Transferasi
• Catalizzano il trasferimento di un gruppo da una molecola ad un’altra: X-Y + Z →X-Z + Y (le chinasi trasferiscono un gruppo fosfato).
– 3. Idrolasi
• Catalizzano la scissione idrolitica di legami C=O, C-N, C-C, P-O-P,…
4. Liasi
• Catalizzano scissioni di legami con meccanismi diversi dalle ossidoreduttasi e dalle idrolasi.
– 5. Isomerasi
• Catalizzano modificazioni geometriche.
– 6. Ligasi (Sintetasi)
• Catalizzano l’unione di due molecole accoppiata al consumo di ATP o di un altro nucleotide trifosfato.
Per esempio:
Alcool + NAD+ → Aldeide o chetone + NADH
• Nome comune: alcool deidrogenasi
• Nome sistematico: alcool:NAD+ ossidoreduttasi
• EC 1.1.1.1
Classificazione gerarchica degli enzimi
Numero dell’enzima nella sotto-sottoclasse
La sotto-sottoclasse – con NAD+ o NADP+ come accettori La sottoclasse – Agiscono sul gruppo di donatori CH-OH
ENZIMI E COFATTORI (COENZIMI)
L’attività catalitica di molti enzimi dipende dalla presenza di piccole
molecole, chiamate cofattori o coenzimi, il cui ruolo è diverso da enzima a enzima. In genere i cofattori partecipano alla catalisi di reazioni chimiche che non possono avvenire se sono presenti solo le 20 catene laterali degli amminoacidi proteici. Un enzima senza il suo cofattore è detto apoenzima; l’enzima completo oloenzima:
apoenzima + cofattore = oloenzima
Flavina adenina dinucleotide (FAD)
UN ESEMPIO: LA SCISSIONE DI UNA CATENA
POLIPEPTIDICA CATALIZZATA DALLA CHIMOTRIPSINA
LA SPECIFICITA’ DI SUBSTRATO DELLA CHIMOTRIPSINA DIPENDE DALLA “TASCA” IN CUI SI ALLOGGIA IL SUBSTRATO
LA SPECIFICITA’ DI SUBSTRATO DI TUTTE LE PROTEASI DIPENDE DALLA “TASCA” IN CUI SI ALLOGGIA IL SUBSTRATO
LA SPECIFICITA’ DI SUBSTRATO DI TUTTE LE PROTEASI DIPENDE DALLA “TASCA” IN CUI SI ALLOGGIA IL SUBSTRATO
La chimotripsina possiede un residuo di serina (nucleofilo) nel sito attivo
Nel sito attivo della chimotripsina si può evidenziare una “triade catalitica”
La funzione della “triade catalitica” è di aumentare la nucleofilicità della serina 195
Chimotripsina: il meccanismo molecolare della scissione del legame peptidico
L’intermedio tetraedrico prodotto dall’attacco della serina al legame peptidico è stabilizzato da una “tasca” costituita dai gruppi
La “triade catalitica” è presente anche in altre proteasi
carbossipeptidasi
