costruire un equazione che potesse descrivere in generale il comportamento cinetico degli enzimi e quindi di determinare parametri cinetici più

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1 Cinetica Enzimatica

2 OBIETTIVO PRINCIPALE: costruire un equazione che potesse descrivere in generale il comportamento cinetico degli enzimi e quindi di determinare parametri cinetici più importanti (K M, V max, costante di specificità, costante catalitica) che sono la carta d identità di ogni enzima, misurando la VELOCITA della reazione catalitica

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4 Relazione tra Velocità e concentrazione del substrato V max Km

5 Relazione tra Velocità e concentrazione del substrato V max A (S) basse la reazione è lineare Km

6 Relazione tra Velocità e concentrazione del substrato V max A (S) alte, SATURAZIONE dell enzima Km

7 Relazione tra Velocità e concentrazione del substrato V max A (S) alte, SATURAZIONE dell enzima Km

8 La Formazione del complesso ES è la CHIAVE per la comprensione della Cinetica S E k 1 S E k -1 k 2 P dove i termini indicati con k rappresentano le costanti specifiche di velocità di reazione. ES è un intermedio di reazione il cui basso valore di energia di attivazione permette di fare avvenire una specifica reazione catalizzata Quando ES in seguito al raggiungimento di uno stato di equilibrio dinamico assume un valore di concentrazione che si mantiene costante nel tempo, si dice che è stato raggiunto lo stato stazionario (steady state).

9 S E k 1 S E k -1 k 2 P STEP 1 dove i termini indicati con k rappresentano le costanti specifiche di velocità di reazione. ES è un intermedio di reazione il cui basso valore di energia di attivazione permette di fare avvenire una specifica reazione catalizzata Quando ES in seguito al raggiungimento di uno stato di equilibrio dinamico assume un valore di concentrazione che si mantiene costante nel tempo, si dice che è stato raggiunto lo stato stazionario (steady state).

10 S E k 1 S E k -1 k 2 P STEP 2 dove i termini indicati con k rappresentano le costanti specifiche di velocità di reazione. ES è un intermedio di reazione il cui basso valore di energia di attivazione permette di fare avvenire una specifica reazione catalizzata Quando ES in seguito al raggiungimento di uno stato di equilibrio dinamico assume un valore di concentrazione che si mantiene costante nel tempo, si dice che è stato raggiunto lo stato stazionario (steady state).

11 Ragionando su questo modello di reazione ad un substrato venne elaborata L EQUAZIONE DI MICHAELIS-MENTEN 0 Perché è importante questa reazione? E GENERALE DA DUE GRANDEZZE MISURABILI SI OTTENGONO INFORMAZIONI CHE RIGUARDANO LA CINETICA DELL ENZIMA

12 ASSUNZIONI UTILIZZATE PER COSTRUIRE L EQUAZIONE DI MICHAELIS-MENTEN 0 Per ottenere l equazione di M. M. sono state considerate le seguenti assunzioni teoriche: VELOCITA INIZIALE (V 0 ), VIENE VALUTATA SOLO LA VELOCITA CATALITICA ALL INIZIO DELLA REAZIONE Step limitante è ES E + P EQUILIBRIO RAPIDO DEL COMPLESSO ENZIMA-SUBSTRATO e raggiungimento dello STATO STAZIONARIO DEL COMPLESSO ENZIMA-SUBSTRATO

13 Michaelis-Menten Kinetics V max Km

14 VELOCITA INIZIALE Un problema è costituito dalla variazione di (S) nel tempo. Per questo viene considerata la velocità iniziale. In condizioni di (S)>>(E), se si misura la velocità iniziale (V 0 ) la variazione di (S) è trascurabile. Inoltre la velocità iniziale viene misurata in in un periodo di tempo durante il quale la reazione inversa è fisicamente trascurabile in quanto poco è il prodotto formatosi: la velocità iniziale che può così essere determinata sarà la massima velocità ottenibile. (c è molto substrato e la velocità contraria alla direzione della reazione è bassissima) In condizioni di velocità iniziale la reazione è di fatto irreversibile (k -2 =0) e deve essere scritta nel seguente modo:

16 Limiting step, che determina la velocità della reazione Quindi la Vmax si raggiunge quando tutto l enzima è complessato in ES e la concentrazione di E libero diventa trascurabile. V o = K 2 (S)

18 STATO STAZIONARIO Il complesso ES si mantiene in uno stato stazionario durante tutto il periodo di tempo in cui si possono misurare delle velocità iniziali:[es] rimane costante perchè la velocità con cui il complesso ES si forma a partire da E+S è uguale alla somma delle velocità con cui si scinde a dare E+P ed E+S.

19 L approssimazione dello stato stazionario G. E. Briggs and J. B. S. Haldane (1925) Allo stato stazionario le velocità di formazione e rottura di ES sono uguali L ipotesi dello stato stazionario vale solo se: Il sistema di reazione sia un sistema chiuso (reattore batch) La concentrazione iniziale di substrato sia considerevolmente superiore alla concentrazione totale di enzima si considera la velocià iniziale della reazione

21 E adatta alle osservazioni sperimentali??

22 A basse (S) allora Km >> (S) e quindi (S) Al denominatore trascurabile

23 A alte (S) allora (S) >> Km e quindi Km al denominatore trascurabile

24 Modo più pratico per descrivere la cinetica: Grafico degli inversi

25 SIGNIFICATO DELLE COSTANTI CATALITICHE K M K cat K cat /K M

27 La km è caratteristica di un enzima per un certo substrato Glucosio] plasma: circa 5mM Glucosio + ATP Glucosio-6-P +ADP Km glucosio per GK epatica=15mm Km glucosio per HK cervello=0,01 mm

28 Spesso la K m è simile alle concentrazioni cellulari fisiologiche dei substrati (in rosa)

29 Costante catalitica (k cat ) o Numero di turn-over E rappresentata dalla k della reazione limitante V Max = k cat [E 0 ] Massimo numero di molecole di substrato convertite nella unità di tempo da una molecola (sito) di enzima È correlata alla velocità di decomposizione del complesso ES

30 Nel caso di reazioni complesse con molte tappe catalitiche, la costante catalitica è data dal contributo di tutte le costanti di velocità nei singoli step. Se una di queste velocità è molto più lenta delle altre: k cat sarà uguale alla K di quello step

31 Ogni enzima ha valori di k m e k cat che sono ottimali per le condizioni bilogiche in cui si trova ad operare. Dipendono quindi dal substrato, dalla sua concentrazione e dalla chimica della reazione da catalizzare. Il confronto di k m e k cat di enzimi diversi potrebbe non essere corretto

32 Rapporto k cat /K m (costante di specificità) Dà una idea della efficienza relativa con cui vengono trasformati substrati diversi (specificità) Tiene conto della velocità di catalisi (k cat ) e dell affinità tra E e S (K m ) Dà una idea della efficienza catalitica dell enzima (enzimi perfettamente evoluti hanno costanti cinetiche che si approssimano alla diffusione)

33 Acetlicolinesterasi 9 x x x 10 8 Fumarasi 5 x x x 10 8

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35 MOLTI ENZIMI CATALIZZANO REAZIONI A DUE O PIU SUBSTRATI

36 Meccanismo a ping-pong

37 Meccanismo a ping-pong

38 GLI ENZIMI POSSONO ESSERE INIBITI

39 Inibizione Reversibile

40 Gli inibitori reversibili competitivi sono molto simili al substrato (eccedono entrambi al sito attivo dell enzima) substrato inibitore

41 INIBIZIONE COMPETITIVA Stessa Vmax Aumento Km

42 INIBIZIONE INCOMPETITIVA Calo Vmax Cala Km (ESI porta a un calo di ES e quindi altro ES deve formarsi)

43 INIBIZIONE MISTA (sia Km che Vmax sono modificate

44 INIBITORI IRREVERSIBILI

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46 La Velocità di reazione è influenzata da numerose variabili: concentrazione di substrato concentrazione di enzima Inibitori Cofattori/coenzimi attivatori ph temperatura

48 Effetti del ph sull attività enzimatica L attività di molti enzimi varia con il ph nello stesso modo in cui semplici acidi e basi si ionizzano. nel sito catalitico vi sono spesso residui acidi e basici Variazioni di ph modificano le interazioni intra- ed inter-catena

49 Tutti gli amminoacidi liberi possiedono almeno due pk perché possiedono almeno il gruppo carbossilico (ACIDO) e il gruppo amminico (BASICO). Per esempio l alanina che ha una catena laterale alifatica possiede solo questi due gruppi ionizzabili: Diminuisce concentrazione H+ pk è il ph in cui la forma protonata e la deprotonata dell amminoacido si trovano alla stessa concentrazione: Henderson- Hasselbach: Per acido: AH A - + H + ph = pk a + log A- / AH Per base: BH + B + H + ph = pk b + log B/ BH +

50 Enzima proteolitico digestivo che agisce nello stomaco ad un ph tra 1 e 2

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53 Sperimentalmente, in vitro, si è rilevato che la velocità di gran parte delle reazioni enzimatiche in media raddoppia per ogni aumento di 10 C di temperatura: Temperatura ottimale: varia da un enzima all'altro; dipende dal particolare sistema cellulare;

54 L aumento della temperatura porta ad un aumento dell energia cinetica del sistema ed ha un effetto importante sulla velocità di reazione Quando le molecole collidono l energia cinetica può essere convertita in energia chimica potenziale. Se questa forma di energia diventa grande abbastanza, può venire raggiunta la soglia dell energia di attivazione di una reazione. Se tale reazione è esoergonica, può avvenire la trasformazione dei reagenti in prodotti. Così se la temperatura di un sistema aumenta, più molecole per unità di tempo possono raggiungere l energia di attivazione, e la velocità di una reazione può aumentare. Per convertire il substrato in prodotti, gli enzimi devono collidere e legare il substrato nel sito attivo. Aumentando la T aumenterà questo numero di collisioni. L aumento della temperatura del sistema può anche rompere i legami deboli dell enzima e denaturare così la sua struttura tridimensionale. QUINDI: Il calore fino ad una certo punto aumenta l attività enzimatica, poi, superata una certa soglia, può indurre la denaturazione dell enzima e quindi la sua completa inattivazione.

55 Enzimi Andamento dell'attività enzimatica in funzione della temperatura. (tratto AB), crescente, corrisponde all'aumento dell'attività dell'enzima fino a un massimo per effetto di una contemporanea diminuzione dell'energia di attivazione della reazione (tratto BC), decrescente fino a un valore asintotico della temperatura, è l'effetto combinato dell'aumento di attività enzimatica proporzionale all'aumento di temperatura e della diminuzione brusca di tale attività per sottrazione di enzima denaturato (tratto CD) asintotica a un valore limite di temperatura, corrisponde alla totale e irreversibile inattivazione dell'enzima per denaturazione.

56 EFFETTO DELL TEMPERATURA SULL ATTIVITA ENZIMATICA Chimotripsina da maiale Gambero da ALASKA Enzima di batterio che vive in acque calde

58 Struttura generale degli enzimi coenzima (vitamina) ione metallico OLOENZIMA gruppo prostetico (legato covalentemente) APOENZIMA (Parte proteica)

59 MECCANISMI DI AZIONE