Lezione n. 11. Reazioni enzimatiche Michaelis-Menten Dipendenza di k da T. Antonino Polimeno 1

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1 Chimica Fisica Biotecnologie sanitarie Lezione n. 11 Reazioni enzimatiche Michaelis-Menten Dipendenza di k da T Antonino Polimeno 1

2 senza catalizzatore... con catalizzatore... Antonino Polimeno 2

3 Catalisi Un esempio: decomposizione dell acqua ossigenata ad acqua ed ossigeno La reazione è molto lenta (a T ambiente non procede in modo apprezzabile); l aggiunta di un catalizzatore (ioduro di potassio), accelera la reazione in modo drammatico H 2 O 2 (aq) + I - (aq) OI - (aq) + H 2 O(l) H 2 O 2 (aq) + OI - (aq) H 2 O(l) + O 2 (g) + I - (aq) Antonino Polimeno 3

4 Enzimi (1) Gli enzimi sono proteine con strutture tridimensionali (conformazioni) e caratteristiche chimiche che si esplicano in una attività di catalisi di specifiche reazioni chimiche. L attività catalitica è selettiva, si applica cioè solo ad una particolare reazione chimica. Gli enzimi sono molecole di dimensioni relativamente grandi rispetto alle molecole coinvolte nelle reazioni catalizzate, e presentano di solita una specifica zona reattiva detta centro di reazione dove la reazione chimica catalizzata ha luogo. Antonino Polimeno 4

5 Enzimi (2) gliossalase I umana due ioni Zn sono necessari per catalizzare la reazione di detossificazione del metilgliossale (un carcinogeno) prodotto dall organismo in modo naturale. La gliossalase I è alla base di studi per lo sviluppo di farmaci contro infezioni da batteri e protozoi (e.g. contro la tripasonomiasi) Antonino Polimeno 5

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8 MM (1) Un esempio di meccanismo di reazione che coinvolge un enzima viene fornito dal meccaniscmo di Michaelis-Menten E: enzima S: substrato k 1 k3 E+ S ES P+ E k2 ES: complesso enzima-substrato P prodotto Il meccanismo MM ha la forma di un pre-equilibrio di formazione del complesso substrato-enzima, che poi decade ad enzima e prodotti. Antonino Polimeno 8

9 k / k = 0.5 BC AB k A AB k B BC C d[a] = kab[a] dt d[b] = kab[a] kbc[b] dt [C] = [A] [A] [B] 0 k / k = 10 BC AB Antonino Polimeno 9

10 MM (2) La concentrazione approssimata del complesso si ottiene applicando l approssimazione dello STATO STAZIONARIO, che pone circa a zero la velocità di formazione del complesso stesso d[es] dt [ ES] = k [E][S] k [ES] k [ES] k1[ E][ S] k + k 2 3 Antonino Polimeno 10

11 MM (3) La concentrazione dell enzima in totale si indica con [E] 0 ; vale un bilancio di massa: [E] + [ES] = [E] 0 Combinando le due equazioni precedenti si ottiene la concentrazione del complesso in funzione della concentrazione del substrato e della concentrazione totale di enzima [ES] = k1[e] 0[S] k + k + k [S] Antonino Polimeno 11

12 MM (4) La velocità di formazione del prodotto si scrive quindi come d[p] k [S][E] = k [ES] = = k[e] dt k = K M K = k M 3 k KM + [S] [S] + [S] + k 2 3 K M viene chiamata costante di Michaelis. k 1 Antonino Polimeno 12

13 MM (5) La velocità della reazione di enzimolisi è lineare con la concentrazione di enzima mentre ha una dipendenza complessa dalla concentrazione di substrato. Antonino Polimeno 13

14 MM (6) Quando la concentrazione del substrato è grande, la reazione è di ordine zero rispetto al substrato d[p] [ S] KM k [E] dt 3 0 Quando la concentrazione del substrato è piccola, la reazione è di primo ordine rispetto al substrato. d[p] 3 [ S] KM [E] 0[S] dt KM k Antonino Polimeno 14

15 MM (7) Misurando la costante di velocità k a varie concentrazioni di substrato, si possono ottenere informazioni dirette sulle costanti k 3 e K M, impiegando il grafico di Lineweaver-Burk: Equivalente a 1 1 K 1 = + M k k k [ S] = + v v v [S] max K M max La velocità massima di enzimolisi è data da v = k [E] max 3 0 Antonino Polimeno 15

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17 Costanti cinetiche e temperatura La costante cinetica di una reazione (elementare) dipende dalla temperatura: k k A+B P = Aexp( E / RT ) a L interpretazione della dipendenza dalla temperatura della costante cinetica di una reazione richiede l applicazione di concetti molecolari: la velocità di una reazione dipende dal contenuto energetico delle molecole reagenti. Antonino Polimeno 17

18 Interpretazione molecolare (1) Una reazione chimica avviene a livello molecolare come 1. Collisione tra molecole di reagenti 2. Formazione di un complesso attivato 3. Trasformazione del complesso attivato nei prodotti Antonino Polimeno 18

19 Interpretazione molecolare (2) Solo se le molecole che si incontrano hanno un energia sufficientemente elevata può avvenire la trasformazione del complesso attivato a prodotti. Antonino Polimeno 19

20 Interpretazione molecolare (3) La coordinata di reazione descrive il cammino che le molecole dei reagenti devono seguire per trasformarsi in prodotti. L energia di attivazione è l energia necessaria per superare la barriera che impedisce la formazione dei prodotti. Antonino Polimeno 20

21 Esempio Sostituzione nucleofila SN2 Antonino Polimeno 21

22 Interpretazione molecolare (4) L energia necessaria a superare la barriera tra reagenti e prodotti deriva dall energia termica delle molecole che entrano in collisione. L energia termica delle molecole è tanto maggiore quanto maggiore è la temperatura, favorendo perciò la formazione dei prodotti. Antonino Polimeno 22

23 Interpretazione molecolare (5) La legge di Arrhenius descrive la dipendenza dalla temperatura della costante cinetica di una reazione elementare: k = Aexp( / RT) E a Antonino Polimeno 23