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Rita Santamaria » 5.Proprietà generali degli enzimi e cinetica enzimatica


Reazioni chimiche

Perché una reazione chimica possa avvenire è necessario che i reagenti:

  • abbiano il giusto orientamento;
  • vengano a contatto;
  • acquistino l’energia necessaria per rompere e formare legami chimici.

Ogni reazione chimica è caratterizzata da una determinata energia, l’energia libera (G).

In una reazione chimica la differenza tra l’energia dei reagenti e l’energia dei prodotti rappresenta la variazione di energia libera (ΔG).

Energia di attivazione

L’energia di attivazione è la quantità di energia richiesta perché una reazione chimica possa iniziare.

L’energia di attivazione rappresenta la barriera energetica che separa i reagenti dai prodotti.

La velocità di una reazione dipende dall’energia di attivazione.

Minore è l’energia di attivazione maggiore sarà la velocità della reazione

Reazioni ed energia libera

Una reazione chimica può essere descritta dal grafico della coordinata di reazione che rappresenta l’avanzamento della reazione in funzione della variazione di energia libera (Figura 1). Dove X rappresenta il reagente e Y il prodotto; ΔG± indica l’energia di attivazione e ΔG la variazione energia libera tra reagente e prodotto.

Lo stato di transizione rappresenta un momento molecolare transitorio in cui i reagenti hanno l’energia sufficiente per trasformarsi in prodotti.

Fig. 1 Grafico della coordinata di reazione di una reazione chimica.

Fig. 1 Grafico della coordinata di reazione di una reazione chimica.


Enzimi

Gli enzimi sono catalizzatori biologici che:

  • abbassano l’energia di attivazione;
  • aumentano la velocità della reazione;
  • non modificano l’equilibrio della reazione.

Nella Figura 2 è riportato il grafico della coordinata di reazione di una reazione catalizzata da un enzima a paragone con quello di una reazione non catalizzata.

A parte un piccolo gruppo di molecole di RNA catalitici, tutti gli enzimi sono proteine.

Come per tutte le proteine la struttura è essenziale per la funzione.

Fig. 2 Confronto tra il grafico della coordinata di reazione di una reazione non catalizzata e quello di una reazione catalizzata da un enzima

Fig. 2 Confronto tra il grafico della coordinata di reazione di una reazione non catalizzata e quello di una reazione catalizzata da un enzima


Cofattori

Alcuni enzimi svolgono l’attività catalitica esclusivamente grazie alla loro struttura proteica.

Per altri enzimi la funzione catalitica dipende anche da componenti chimici aggiuntivi, detti cofattori.

Un cofattore può essere uno ione inorganico o una complessa molecola organica, detta coenzima (Figura 3).

Se lo ione metallico o il coenzima sono legati all’enzima mediante un legame covalente, si parla di gruppo prostetico.

Fig. 3 Rappresentazione schematica della struttura di un enzima

Fig. 3 Rappresentazione schematica della struttura di un enzima


Classificazione degli enzimi

Gli enzimi sono classificati in base al tipo di reazione che catalizzano in sei classi funzionali, ognuna suddivisa in sottoclassi. Nella Figura 4 è riportata la classificazione degli enzimi.

Nella denominazione specifica dell’enzima di solito è riportato il nome del substrato ed il tipo di reazione catalizzata con l’aggiunta del suffisso “asi”.

Fig. 4 Classificazione degli enzimi

Fig. 4 Classificazione degli enzimi


Interazioni enzima-substrato

Gli enzimi interagiscono specificamente con un determinato substrato.

Enzima e substrato interagiscono mediante interazioni chimiche deboli (legami ionici, legami idrogeno, interazioni idrofobiche, forze di van Der Waals).

L’energia di legame di queste interazioni serve ad abbassare l’energia di attivazione della reazione chimica.

Sito attivo

Le interazioni enzima/substrato interessano una determinata regione della molecola dell’enzima, detta sito attivo.

Sul sito attivo avviene l’interazione col substrato e la sua trasformazione in prodotto.

L’enzima e il substrato si adattano reciprocamente per favorire al meglio le interazioni chimiche (modello dell’adattamento indotto).

Quando il substrato si lega al sito attivo dell’enzima determina un cambio conformazionale nella molecola di enzima che consente l’attività catalitica.

Cinetica enzimatica

La cinetica enzimatica studia la velocità delle reazioni catalizzate da enzimi in funzione di:

  • concentrazione del substrato;
  • temperatura;
  • pH;
  • presenza di inibitori o attivatori.

Cinetica di Michaelis e Menten

La cinetica enzimatica è stata studiata in dettaglio da Michaelis e Menten (1913).

Alla base della catalisi enzimatica c’è la formazione del complesso enzima-substrato (ES) che successivamente si dissocia in enzima libero (E) e prodotto (P):

E + S ES E + P

Per analizzare la cinetica di una reazione enzimatica si valuta l’effetto della concentrazione del substrato sulla velocità iniziale della reazione in presenza di una quantità costante di enzima.

Come risulta dal grafico in Figura 5 la velocità della reazione aumenta esponenzialmente fino a raggiungere un plateau che rappresenta la velocità massima.

La velocità massima (Vmax) viene raggiunta quando tutto l’enzima è saturato con il substrato.

Una volta raggiunta, la velocità massima non varia più anche se aumenta la concentrazione del substrato.

Fig. 5 Effetto della concentrazione del substrato sulla velocità iniziale di una reazione enzimatica. La velocità iniziale della reazione Vo è la velocità misurata all’inizio della reazione

Fig. 5 Effetto della concentrazione del substrato sulla velocità iniziale di una reazione enzimatica. La velocità iniziale della reazione Vo è la velocità misurata all'inizio della reazione


Equazione di Michaelis-Menten

La maggior parte degli enzimi segue la cinetica di Michaelis-Menten.

La curva che descrive la relazione tra concentrazione del substrato e velocità della reazione è un’iperbole ed è espressa algebricamente dall’equazione di Michaelis-Menten.

Vo= Vmax [S] / Km + [S]

La Km (costante di Michaelis-Menten) è caratteristica di ogni enzima.

La Km corrisponde alla concentrazione di substrato alla quale si raggiunge la metà della Vmax.

La Km:

  • fornisce una misura dell’affinità di un enzima per il suo substrato;
  • dipenda dalla natura del substrato e dal tipo di enzima.

Grafico dei doppi reciproci

L’equazione di Michaelis-Menten può essere trasformata algebricamente in una forma più utile per analizzare i dati sperimentali.

L’inverso dell’equazione di Michaelis e Menten:

\frac{1}{v_0} = \frac{Km}{v_{max}} \frac {1}{[S]} + \frac{1}{v_{max}}

corrisponde all’equazione di una retta.

La Figura 6 riporta il grafico ottenuto da questa equazione, noto come grafico dei doppi reciproci o di Lineweaver-Burk.

Fig. 6 Rappresentazione grafica della cinetica enzimatica mediante grafico dei doppi reciproci o di Lineweaver-Burk

Fig. 6 Rappresentazione grafica della cinetica enzimatica mediante grafico dei doppi reciproci o di Lineweaver-Burk


Reazioni enzimatiche con più di un substrato

Molti enzimi catalizzano reazioni a due o più substrati.

Le reazioni enzimatiche con più di un substrato possono avvenire:

  • A) Mediante formazione di un complesso ternario enzima/substrati.
    • Entrambi i substrati si legano contemporaneamente all’enzima formando un complesso ternario.
    • I substrati possono legarsi all’enzima in una sequenza casuale o ordinata.
  • B) Senza formazione di un complesso ternario enzima/substrati
    • Non si forma il complesso ternario
    • Il primo substrato si lega all’enzima, viene convertito in prodotto e si dissocia dall’enzima prima del legame del secondo substrato.

Nella Figura 7 sono schematicamente rappresentati alcuni meccanismi di reazioni enzimatiche a due substrati.

Fig. 7 Meccanismi di reazioni enzimatiche con due substrati. S1 e S2 rappresentano i due substrati che si trasformano nei rispettivi prodotti, P1 e P2

Fig. 7 Meccanismi di reazioni enzimatiche con due substrati. S1 e S2 rappresentano i due substrati che si trasformano nei rispettivi prodotti, P1 e P2


Effetto del pH e della temperatura

Il pH influenza le interazioni enzima/substrato.

Ogni enzima possiede un valore ottimale di pH che corrisponde alla sua massima attività.

Gli enzimi lavorano meglio a pH fisiologico.

Valori estremi di pH denaturano la proteina.

Ogni enzima ha una temperatura ottimale generalmente vicina alla temperatura fisiologica.

Il calore eccessivo può denaturare la proteina e distruggere il suo potere catalitico.

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