ENZIMI

Gli enzimi sono molecole biologiche con funzione catalitica a livello cellulare, la loro capacità di rendere più veloci le reazioni è molto maggiore rispetto ai catalizzatori inorganici, infatti riescono a trasformare il reagente in prodotto circa 10^7-8 più velocemente di quanto non avvenga in loro assenza.

Possiamo dividere gli enzimi in due categorie: proteine e ribozimi. I più comuni sono comunque di origine proteica.  Sono classificati in base al tipo di reazione che catalizzano in sei categorie.

1.                 Ossidoreduttasi: svolgono ruolo catalitico in reazioni di trasferimento di elettroni, anche                       sotto forma di ioni H- o radicali H.
2.                 Transferasi: reazioni di trasferimento di gruppi.
3.                 Idrolasi: reazioni di idrolisi di legami C=O,C-N,C-C,P-O-P ( in queste reazioni l’acqua è                   l’accettore del gruppo trasferito).
4.                 Liasi: reazioni di lisi di un substrato che danno luogo alla formazione di un doppio legame
5.                 Isomerasi: reazioni in cui vengono cambiamenti strutturali in una stessa molecola
6.                 Ligasi: reazioni di condensazione di due substrati che richiedono l’energia chimica di                             molecole di ATP.

L’attività enzimatica si esplica abbassando l’energia di attivazione della reazione intervenendo sul meccanismo di reazione senza però prendere parte al fenomeno, infatti al termine della reazione non sono alterati né fisicamente né chimicamente. Quindi in realtà influenzano la velocità con cui la reazione giunge all’equilibrio senza modificare l’equilibrio stesso; per esempio se dalla reazione otteniamo 2 moli in assenza di enzima, le stesse moli le otterremo in presenza del catalizzatore biologico, in un tempo significativamente minore.

Altre caratteristiche importanti degli enzimi:

•                 Presentano elevata specificità (possono essere attivi per un solo substrato o per una                             famiglia di substrati, ma in genere piccole variazioni della struttura chimica del substrato                       rende inefficace l’enzima)
•                 Accelerano specifiche reazioni senza formazione di sottoprodotti
•                 Funzionano in soluzione acquose diluite in condizioni blande di T e pH.

Durante la reazione abbiamo dei reagenti abbastanza stabili (cioè con un’ energia relativamente bassa), che per diventare prodotti devono passare da questo stato di stabilità a uno di instabilità a energia molto elevata, chiamato stato di transizione. Più è in  alto lo stato di transizione più energia bisognerà fornire per passare da reagenti a prodotti. L’enzima abbassa l’energia dello stato di transizione, anche detta energia di attivazione, che è l’energia minima necessaria affinché gli urti delle molecole causino la reazione, ed è fornita dall’energia cinetica delle molecole di reagente che si trasforma successivamente in energia libera. Infatti, la reazione avviene solamente se le molecole si urtano con una sufficiente energia cinetica e abbassando l’energia di attivazione sarà possibile passare più facilmente, e quindi più velocemente ai prodotti.

 La ∆G°# rappresenta l’energia di attivazione e le costanti cinetiche K sono correlate ad essa tramite l’equazione: K= cost (e^(deltaG°#/RT)) quindi all’aumentare di ∆G°# la K diminuisce.

In realtà in presenza dell’enzima abbiamo due tappe nel diagramma: coordinata di reazione-energia.

Infatti la reazione che avviene ha tre fasi:

La convessità in viola esprime il primo “prodotto” della reazione cioè il complesso enzima substrato, uno stato molto stabile chiamato stadio intermedio. 

Si possono verificare due casi

1.                 Una sola delle tappe è responsabile della velocità con cui la reazione avviene.
2.                 Le tappe hanno costante di equilibrio k simile e quindi entrambe condizionano la velocità                     della trasformazione.

Noi ci occuperemo del primo caso.

La tappa lenta sarà quella che porta dal complesso enzima substrato a quello enzima + prodotto, la cui velocità sarà determinante per tutta la trasformazione S ------> P. perciò la velocità complessiva della reazione catalizzata dall’enzima deve essere proporzionale alla concentrazione del complesso ES

 

V(tappa)=k2[ES]

Michaelis e Menten si occuparono della catalisi enzimatica sviluppando un equazione che mette in relazione la velocità di una reazione enzimatica e la concentrazione del substrato.

[s]vmax/(km+[s]) =vo

Gli enzimi che seguono la cinetica di Michaelis e Menten mostrano una dipendenza della velocità iniziale (v0) dalla [S] di tipo iperbolico.

Parametro importante dell’equazione è km   che indica la concentrazione di substrato quando l’enzima lavora a ½ vmax. Infatti sostituendo nell’equazione di MM al posto di V0, ½ vmax ,otterremo che KM=[S].

 km=((k-1)+(k2))/k1  

La km si può ridurre a ([k-1])/k1)infatti essendo la k2<<k1 è un fattore trascurabile. K2 è piccolo perché come abbiamo visto sopra c’è una relazione di proporzionalità inversa tra energia di attivazione e costante cinetica, e siccome k2 rappresenta la costante dell’equazione che determina lo stadio lento, avrà un alto valore di ∆G°# e quindi un basso valore di K2. (K= cost (e^(deltaG°/RT))

Km ci dice l’affinità dell’enzima per il substrato e corrisponde alla costante di dissociazione del complesso [ES].  All’equilibrio la velocità di formazione del complesso [ES] sarà uguale alla velocità di degradazione dello stesso e quindi potremo dire che: k1 [E][S]=(K-1)[ES] perciò k1/(k-1)=([ES])/([E][S])=Kassociazione. Il reciproco sarà la costante di dissociazione

Avremo la k1, che indica la costante di equilibrio di formazione di ES, al denominatore, perciò quando km è piccola avremo grande affinità verso il substrato.

•                 [S]>>10KM              la reazione è efficiente ma non controllabile variando [S] (infatti se S                 è molto grande, km risulta trascurabile e praticamente tutto l’enzima risulta saturato, quindi                   la reazione procederà molto velocemente ma anche se aumentiamo la concentrazione di S                   non ci sarà più enzima da legare al substrato e la velocità sarà già massima)
•                 [S]<<0,1 KM              la reazione non sarà efficiente ma la si può controllare variando [S]                 (ci sarà poco substrato legato all’enzima quindi avremo una bassa velocità ma si potrà                         facilmente aumentare regolando la concentrazione di substrato)
•                 [S] = KM            questa situazione è riscontrabile all’interno della cellula e in questo caso                   avremo una velocità intermedia e allo stesso tempo regolabile a seconda di [S]

Altro parametro fondamentale è la Kcat che esprime quanto velocemente un enzima può catalizzare una data reazione. Quindi ci dice quanto efficiente è l’enzima, il numero di eventi catalitici nell’unità di tempo.

Kcat=vmax/[E]tot . 

E poiché dall’equazione V(tappa)=k2[ES] vista precedentemente possiamo dire che k2=v[ES] avremo che alle condizioni in cui v=vmax e tutto l’enzima è saturato, k2 sarà uguale a kcat.

Sia km che kcat sono costanti specifiche per ogni reazione. Nonostante ciò il loro rapporto è quasi sempre invariato e oscilla tra 10^7/8 M^(-1) s^(-1).

kcat/km  tramite questo parametro siamo in grado di valutare insieme l’efficienza e la specificità di un enzima.

Orbitali Molecolari, teoria OM

La teoria OM combina la tendenza degli atomi a completare i loro ottetti condividendo i propri elettroni con le loro proprietà ondulatorie. I legami covalenti sono il risultato della combinazione di orbitali atomici per formare orbitali molecolari. Un orbitale molecolare  appartiene all’intera molecola piuttosto che ad un singolo atomo e descrive la regione intorno alla molecola dove è più probabile trovare l’elettrone.

Esempio: sovrapposizione di due orbitali s

Il legame covalente che si forma quando due orbitali atomici s si sovrappongono è detto legame sigma, ϭ, ha simmetria cilindrica (ovvero gli elettroni sono disposti simmetricamente intorno ad una linea immaginaria che unisce i due nuclei).

Durante la formazione del legame si libera energia, la stabilità è quindi incrementata. Questo è dovuto al fatto che mentre gli orbitali iniziano a sovrapporsi l’elettrone di ogni atomo è attratto non solo dal suo nucleo ma anche da quello appartenente all’altra molecola.

L’energia minima e quindi la massima stabilità si ha quando i due nuclei sono ad una certa distanza reciproca definita come lunghezza di legame.

La rottura del legame così formato richiede esattamente la stessa quantità di energia che è stata liberata con la sua formazione perché le due molecole dovranno acquistare l’energia sufficiente per tornare stabili separatamente.

La forza del legame, detta anche energia di dissociazione del legame, è quindi l’energia necessaria per rompere un legame o l’energia che si libera per formarlo.

Ogni legame covalente ha la sua caratteristica lunghezza e forza di legame.

Ma gli orbitali si conservano quando si legano tra loro, perciò quando due orbitali atomici/molecolari interagiscono, per formare un legame, non si forma un solo orbitale molecolare bensì due. Ciascuno di questi si origina in maniera differente infatti proprio come le onde gli orbitali possono combinarsi in maniera costruttiva o distruttiva, con l’addizione costruttiva si sommano tra loro mentre addizionandosi distruttivamente si cancellano.

Nel caso della combinazione di due orbitali  sigma la combinazione costruttiva crea un orbitale ϭ di legame  mentre la combinazione distruttiva crea un orbitale ϭ* di antilegame.

Gli elettroni dell’orbitale sigma di legame hanno elevata probabilità di trovarsi tra i due nuclei, causano così un elevata densità elettronica in quella regione che tiene uniti i due nuclei, costituisce il legame.

Negli orbitali molecolari di sigma di antilegame  gli elettroni hanno un’elevata probabilità di non trovarsi tra i due nuclei, gli elettroni che si trovano in questo orbitale ostacolano la formazione del legame, inoltre hanno uno stato energetico più elevato, anche a causa della loro posizione, e quindi sfavorito, l’energia di un orbitale sigma di antilegame è maggiore rispetto a quella degli orbitali atomici presi singolarmente e sommati.

L’orbitale molecolare ϭ di legame  invece ha energia minore rispetto ai due orbitali atomici presi singolarmente e sommati ed è quindi decisamente favorito infatti l’elettrone è tanto più stabile quanto maggiore è il numero di nuclei con i quali interagisce.

Gli elettroni occupano sempre gli orbitali con minore energia disponibili: principio dell’ aufbau.

Maggiore è la sovrapposizione tra gli orbitali atomici più forte è il legame covalente. Il legame covalente più forte si forma quindi se gli elettroni occupano l’orbitale molecolare ad energia minore.

I due elettroni dell’orbitale ϭ* molecolare di antilegame sfruttano l’energia che avrebbero liberato quelli sigma di legame formandosi e rendono così la molecola instabile. Per questa ragione non esiste la molecola He-He.

Un atomo meno elettronegativo contribuisce di più all’orbitale di antilegame mentre l’atomo più elettronegativo contribuisce maggiormente a quello di legame. Ciò significa che in un legame C-O gli elettroni tenderanno maggiormente a trovarsi sull’atomo di O piuttosto che su C.

P.S. anche gli altri orbitali atomici possono unirsi. Per esempio gli orbitali p possono sovrapporsi lateralmente formando l’orbitale molecolare di legame П e l’orbitale molecolare di antilegame П* che si forma con la sovrapposizione di orbitali p non in fase ( sottrazione).

Prossimamente aggiorneremo questo pezzo 

Le reazioni di Cannizzaro: la Cannizzaro e la Cannizzaro incrociata

La Cannizzaro è una reazione di dismutazione (o disproporzione) ovvero un particolare tipo di ossidoriduzione nel quale la stessa sostanza funge sia da agente riducente che da agente ossidante. Si applica solo nel caso abbiamo un’ aldeide priva di idrogeni in alfa rispetto al gruppo carbonilico dell’aldeide, se l’aldeide possedesse idrogeni in alfa le reazione procederebbe verso una condensazione alcolica.

ex. la benzaldeide

Catalizzando con basi forti concentrate  la nostra aldeide subirà in parte un’ossidazione ad acido carbossilico, in parte una riduzione ad alcool. Se non aggiungiamo un acido a reazione avvenuta avremo il sale dell’acido carbossilico e l’alcool. Aggiungendo l’acido otteniamo l’acido carbossilico voluto. 

*se KOH non fosse stato concentrato non sarebbe avvenuta alcuna reazione

                

La Cannizzaro incrociata sfrutta il fatto che la formaldeide si ossidi più facilmente delle altre aldeidi per ottenere acido formico, l’altra aldeide si ridurrà all’alcool corrispondente.

Si noti che è possibile affrontare la reazione secondo due stadi:

1. Attacco nucleofilo dello ione ossidrile con formazione del dianione

2. Riduzione dell'aldeide per trasferimento di idruro con evoluzione del di anione ad acido carbossilico e dell'aldeide all'alcool corrispondente

Il meccanismo ci fa capire perché non sia possibile in aldeidi con idrogeni in alfa, infatti avverrebbe la reazione di condensazione aldolica che è molto più veloce.

Bioenergetica e Termodinamica

Le cellule e gli organismi viventi devono produrre lavoro per vivere, crescere, riprodursi, sono in grado di trasdurre l’energia attraverso diverse forme convertendola nella forma più adatta alle esigenze momentanee.

Possono convertire l’energia chimica di diversi tipi di sostanze in gradienti di concentrazione, gradienti elettrici, movimento e calore, in alcuni casi in luce.

Le trasduzioni biologiche di energia obbediscono agli stessi principi e leggi fisiche che governano tutti i processi naturali.

Bioenergetica e Termodinamica

La bioenergetica è lo studio quantitativo delle trasduzioni energetiche, ovvero dei cambiamenti dell’energia da una forma ad un’altra che avvengono nelle cellule.

Le trasformazioni biologiche dell’energia seguono le leggi della termodinamica:

il principio di conservazione dell’energia

secondo principio, in tutti i processi naturali l’entropia tende ad aumentare

Il sistema che stà reagendo e l’ambiente che lo circonda costituiscono l’universo. Le cellule e gli organismi viventi sono sistemi aperti, cioè esse scambiano energia e materia con il loro ambiente esterno per questo pur creando ordine al loro interno non violano il secondo principio in quanto all’esterno l’entropia aumenta.

3 entità termodinamiche descrivono le variazioni di energia in una reazione chimica:

• l’Energia libera di Gibbs, G, esprime la quantità di energia in grado di produrre lavoro durante una reazione a temperatura e pressione costanti. Quando la reazione procede con il rilascio di energia libera cioè quando il sistema si modifica verso uno stato che possiede meno energia libera, la variazione di energia ha un valore negativo e la reazione viene detta esoergonica. Se la variazione di energia libera è positiva allora è il sistema a guadagnare energia e la reazione è detta endoergonica.
• L’Entalpia, H, è il contenuto termico del sistema che stà reagendo, riflette il numero e il tipo di legami chimici dei reagenti e dei prodotti. Quando una reazione rilascia calore viene detta esotermica e ha variazione di entalpia negativa, quando un sistema assume calore è detto endotermico e ha una variazione di entalpia positiva.
• L’Entropia, S, è un’espressione quantitativa della casualità e del disordine di un sistema. Le tre variabili sono regolate dall’equazione ∆G=∆- T∆S

Il valore ∆G di un sistema che reagisce spontaneamente è sempre negativo e non è necessario che l’aumento di entropia abbia luogo nel sistema che stà reagendo.

Le cellule hanno bisogno di fonti di energia libera, questa viene trasformata in ATP e altri composti ricchi di energia, che poi saranno in grado di fornirla per il lavoro biologico a temperatura costante.

La variazione di energia libera standard è direttamente correlata alla costante d’equilibrio. Quando un sistema non è all’equilibrio, la tendenza a spostarsi verso l’equilibrio diventa una forza trainante la cui intensità è espressa dalla variazione di energia libera ∆G della reazione.

In condizioni standard la forza che spinge la reazione verso l’equilibrio è la ∆G°, però nei sistemi biologici la concentrazione degli ioni H+ non è 1 M quindi i biochimici hanno definito lo stato standard in modo diverso: si considera lo stato standard con [H+]= 10^-7, [H2O]= 55.5 M e per le reazioni che convolgono lo ione magnesio Mg2+( la maggior parte delle reazioni che usano ATP come substrato) con concentrazione 1mM.

Le costanti cosi definite vengono dette costanti standard trasformate e si indicano come ∆G’° e K’eq

∆G’°= -RTln(K’eq) la variazione di energia libera standard è semplicemente un modo alternativo per esprimere la costante di equilibrio.

Se K’eq=1 allora ∆G’°=0

Se K’eq>1 allora ∆G’°<0

Se K’eq<1 allora ∆G’°>0

Il valore di ∆G’° corrisponde alla differenza tra il contenuto di energia libera dei prodotti e quello dei reagenti.

Bioenergetica e Metabolismo

Il metabolismo è un’attività cellulare altamente coordinata a cui cooperano molti sistemi multienzimatici (le vie metaboliche) per adempiere a diverse funzioni quali : ottenere energia dall’ambiente, convertire molecole delle sostanze nutrienti in molecole della cellula stessa, polimerizzare monomeri/precursori in polimeri utili alla vita cellulare, sintetizzare e degradare le biomolecole necessarie per le funzioni specializzate della cellula.

Gli organismi si dividono in autotrofi ed eterotrofi.

Nelle vie metaboliche le molecole di precursore vengono convertite in prodotti attraverso una serie di intermedi metabolici chiamati metaboliti.

Il catabolismo è la fase degradativa del metabolismo in cui le molecole organiche dei nutrienti vengono convertite in prodotti finali più semplici, le vie cataboliche rilasciano energia parte della quale viene conservata mediante la produzione di ATP e di trasportatori di elettroni in forma ridotta.

Nell’anabolismo, chiamato anche biosintesi, i precursori semplici vengono uniti tra loro per costruire molecole più grandi. Le reazioni anaboliche hanno bisogno di un rifornimento di energia sotto forma del trasferimento del gruppo fosforico dall’ATP e del potere riducente dei trasportatori di elettroni in forma ridotta come NADH NADPH FADH2.

Le vie metaboliche possono essere lineari o ramificate ( si generano più prodotti diversi a partire da un unico precursore). In genere le vie cataboliche sono convergenti mentre quelle anaboliche divergenti, alcune vie sono cicliche.

Le vie anaboliche e cataboliche possono avere in comune composti di partenza o prodotti finali, possono avere molti enzimi in comune ma almeno una delle tappe deve essere catalizzata nella direzione anabolica o catabolica da enzimi diversi che saranno sottoposti a regolazione separata. Perché una via sia irreversibilmente anabolica/catabolica è necessario che in ogni direzione esista almeno una reazione termodinamicamente favorita in un senso e quindi sfavorita nel senso opposto. Inoltre le diverse vie sono segregate in compartimenti cellulari differenti, questo permette di mantenere costanti e controllate le concentrazioni delle diverse specie che prendono parte ad una via e quindi controllare l’esito delle reazioni. Questo si spiega con il fatto che le vie metaboliche sono sotto controllo cinetico da parte delle concentrazioni dei prodotti e dei substrati.

Le vie metaboliche sono regolate a livelli diversi sia dall’interno che dall’esterno della cellula. La più immediata forma di controllo dipende dalla disponibilità del substrato. Quando la concentrazione di substrato intracellulare è minore di Km la velocità della reazione dipende fortemente da lui. Un secondo tipo di regolazione è la regolazione allosterica da parte di intermedi metabolici o di coenzimi che segnalano lo stato metabolico della cellula.

Negli organismi pluricellulari le attività metaboliche di tessuti differenti vengono regolate ed integrate tra di loro mediante molecole quali fattori di crescita ed ormoni che agiscono dall’esterno della cellula.

Benvenuti

Ciao a tutti,

Siamo due studenti dell'Università di Napoli Federico II 
e dell'Università degli studi di Cagliari, durante gli studi
abbiamo riscontrato come molto spesso manchi il materiale 
online e quanto sia difficile trovarlo nei libri per questo pubblicheremo 
argomenti volti sopratutto agli studenti in modo che possano usufruire
di ciò che è mancato a noi. 

Come potete notare gli argomenti sono vari e non completi ma 
ci stiamo lavorando. Per qualunque dubbio o richiesta 
scriveteci, i consigli e le critiche sono sempre ben accetti.

Se avete delle richieste ricordate che siamo aperti

a qualunque suggerimento ;)

Chimico Nato

Fattore di Spearman
. 

Per ultimo alleghiamo un immagine che può servire da guida all'utilizzo del blog: