In questo caso parliamo di un processo entalpico. Si tratta di un processo entalpico.

Transcript

1 LEZIONE DEL 10/04/2017 ENZIMOLOGIA - APPLICAZIONI DELLA CINETICA ENZIMATICA Essa trova applicazioni nel processamento dei rifiuti, nelle materie organiche. Si tratta dell'ingegnerizzazione dei processi enzimatici, che va dalla produzione di insulina alla ricerca di nuovi materiali da sintetizzare con enzimi artificiali. Esperimenti in silico: simulazione di un sistema biologico a livello molecolare. REAZIONE DEL PRIMO ORDINE Processi esoergonico (che favorisce la reazione) ed endoergonico (che la sfavorice). A ---> B In questo caso parliamo di un processo entalpico. Si tratta di un processo entalpico. 1

2 G A > G B => ΔG = G A - G B > 0 => processo entalpico. C6H12O6 + O2 ---> 6CO2 + 6H2O kj(il sistema è stabile quando brucio tutto l'ossigeno). E' una reazione favorita termodinamicamente, ma serve energia extra per far avviare il processo (c'è una barriera di energia di attivazione). Fisica statistica. La molecola reagente è contornata da un ambiente (ad es. acquoso). Le molecole dell'ambiente si scontrano col reagente, aumenta l'energia. Questo processo spontaneo e casuale implica però il passare di molto tempo; esso dipende dalle fluttuazioni statistiche (di Boltzmann) che seguono un andamento esponenziale. Per questo motivo è necessario l'intervento di un enzima. L'utilità del catalizzatore: abbassa la barriera di energia di attivazione: 1) aumenta la velocità con cui il processo si svolge; 2) ha una specificità (come ogni enzima, velocizza solo la/le reazioni interessate); 3) può modulare la funzione delle reazioni in termini di velocità, di energia cinetica. A ---> A* B (A* indica lo stato eccitato di A) Le interazioni dei residui amminoacidici con A: abbassamento dello stato intermedio - si abbassa A*. [A] 0 ; [A](t); VA = d[a]/dt > 0; V B = d[b]/dt >0 (V B = -V A ). Indicano rispettivamente la concentrazione iniziale di reagente, la funzione della variazione di concentrazione del reagente nel tempo e la velocità della reazione (di deperimento di A, di formazione di B rispettivamente). Ogni istante che passa la concentrazione diminuisce. La velocità di reazione è la velocità con cui scompare la reazione. 2

3 La velocità della reazione varia in funzione della concentrazione di A, di quanto ne rimane in ogni isgtante. Se questo procedimento è casuale, senza una spinta esterna: V = -d[a]/dt = k[a] -d[a]/[a] = kdt ln[a] = -kt + α [A] = e -kt + α = e -kt e α = βe -kt β = [A]/e -kt = [A]e kt k è la costante di velocità del processo. Se considero τ = 1/k, ottengo Se t 0 = 0 Se t τ = τ [A] = βe -t/τ => [A] = β = [A] 0 => [A] = 1/e 37% [A] 0 Se t 1/2 = 0,693/k (emivita o tempo di dimezzamento) => [A] = 50% [A] 0 3

4 Se riporto l'andamento in un grafico semilogaritmico, ottengo una dipendenza in funzione di τ. In t=0 si ha la velocità massima. EQUAZIONE DI ARRHENIUS CONFORMAZIONI INDOTTE DAL CAMBIAMENTO ( INDUCED FILL MODEL) SULL'ESOCHINASI (aggiunge un gruppo fosfato su uno zucchero esoso) [chiusura diversa delle subuntà dell'esochinasi per induzione da substrato] Finché l'enzima possa associarsi in catalisi al substrato ho bisogno di due fattori (entropico ed entalpico). MODELLO CHIAVE-SERRATURA Il sito attivo è in grado di ospitare chimicamente e geometricamente il substrato. Vi è la catalisi del 4

5 substrato (la molecola che andrà a reagire). Introdotte le nuove terminologie in ambito di reazioni in biochimica, in un parallelismo con la biochimica possiamo rendere la proporzione SUBSTRATO : MATRICE PROTEICA = REAGENTE : CATALIZZATORE TRIOSO FOSFATO ISOMERASI Consideriamo la reazione particolare che segue dalla generica sopra riportata: gliceraldeide-3-fosfato ---> enediolo ---> diidrossiacetone fosfato Glu 165 si lega al sito attivo dell'enzima nella fase primaria. Nella fase intermedia C2 interagisce col glutammico, His 95 col carbonile. Lys deprotona. Infine DHAP (diidrossiacetone fosfato) attiva il sito. EQUAZIONE CINETICA L'enzima E, nella complessazione col substrato S, 5

6 porta alla formazione di un complesso (di Michaelis- Menten) enzima-substrato mantenuto da interazioni deboli. k è la costante di velocità. Noto che k -2 = 0, oppure k -2 k -1 ( : "molto minore di"), ottengo Ricaviamo con i seguenti calcoli l' EQUAZIONE DI MICHAELIS-MENTEN Assunzione sullo stato stazionario per l'integrazione 6

7 7

8 Riassumendo 8

9 NUMERO DI TURNOVER ED EFFICIENZA CATALITICA 9

10 10

11 11

12 12