Perché una reazione chimica possa avvenire è necessario che i reagenti:
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).
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
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.
Gli enzimi sono catalizzatori biologici che:
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.
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.
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”.
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.
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.
La cinetica enzimatica studia la velocità delle reazioni catalizzate da enzimi in funzione di:
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.
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:
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:
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.
Molti enzimi catalizzano reazioni a due o più substrati.
Le reazioni enzimatiche con più di un substrato possono avvenire:
Nella Figura 7 sono schematicamente rappresentati alcuni meccanismi di reazioni enzimatiche a due substrati.
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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