1. A B V = - d[A]d[A] dtdt d[B]d[B] dtdt = Velocità di reazione V= Velocità istantanea:...

A B

V = -d[A]

dtd[B]

dt=

Velocità di reazione

V= Velocità istantaneaV= Velocità istantanea: coefficiente angolare della retta : coefficiente angolare della retta tangente alla curva in quel puntotangente alla curva in quel puntoQuando Quando t=0t=0 la velocità istantanea sarà massima ( la velocità istantanea sarà massima (VV00))

2

3

Teoria delle collisioni (Arrhenius, 1888)

Urti molecolari e velocità di reazione (1)

Ogni reazione chimica decorre attraverso la

formazione di un “Complesso

attivato” generato da un “urto efficace”Condizioni per un “urto

efficace”: Sufficiente energia (almeno pari a Ea)

Giusto orientamento (Effetto sterico)

Complesso attivato

EEaa Energia di

attivazione

Coordinata di reazione

Energ

ia lib

era

, G

A ─ A

Es: A2

B-B

+ B2

B B

A A

→ [A2B2]

B BA A

→ 2AB

2AB

A2B2

A2+ B2

A ─ A

B B

A A

B

A A

B

B B

4

Sono efficaci soltanto gli urti nei quali lo ione

ossidrile attacca l’alogeno-derivato alchilico dal lato

opposto a quello dove è legato l’atomo di

alogeno


Effetto Sterico

OHOH-- + CH + CH33Cl Cl [OH [OH … … CH CH33Cl]Cl]-- CH CH33OH + ClOH + Cl--Es1:

-- + --

Es2: N2O + NO N2 + NO2[N-N…O…N-O]#

5

L’energia di attivazione (Ea) corrisponde alla minima energia necessaria per un urto efficaceMinore è il valore di Ea maggiore è il numero di molecole in grado di superare la barriera energetica e formare i prodottiLa reazione anche se è termodinamicamente spontanea (Gr<0) potrebbe non avvenire se non attivata


Energia di attivazione

Spontaneità di reazione non vuol dire immediatezza

Istantanea

kJ -79=G OHOH+H

Lenta Molto

kJ396G COO C

o2982

-aq

+aq

o298g2g2diamante

l

Istantanea

kJ -79=G OHOH+H

Lenta Molto

kJ396G COO C

o2982

-aq

+aq

o298g2g2diamante

l

6

Es: 2H2 + O2 → 2 H20 G° = - 115 Kcal/mol La reazione da un punto di vista

termodinamico è spontanea ma non avviene. Occorre una scintilla che innesca la reazione la quale poi continuerà a fornire l’energia di

attivazione necessaria perché altre molecole di H2 e O2 reagiscano


Energia di attivazione

H

En

erg

ia lib

era

, G

H H

Coordinata di reazione

EEaaO - O

A A

O H

HH- Gr<0HH-

HH

HHO

O O

7

T1

TT22 TT33

Ea

NE=N • e-Ea /RT

NE

N

Energia cinetica

T1 < T2 < T3T1 < T2 < T3Aumentando la temperatura, aumenta l’energia cinetica media (ECm) delle molecole e di conseguenza aumenta il n°di molecole (NE) aventi l’energia minima necessaria

per formare il complesso attivato (Ea).Si può dimostrare (Arrhenius,1988) che a temperatura T,

la frazione di molecole che hanno energia Ea è proporzionale a e-E*/RT (area colorata sotto la curva)

AA BB

Teoria delle Collisioni e Temperatura

ECm1 ECm2 ECm3

8

Parametri che influenzano la velocità di reazione

Secondo quanto detto sulla teoria delle collisioni è evidente che la velocità di una reazione chimica dipende da:

Temperatura (energia cinetica) Energia di attivazione (barriera energetica) Fattore Sterico A (orientamento dell’urto molecolare)

k = A·e-Ea/RT Costante cinetica

Concentrazione dei reagentiConcentrazione dei reagenti (numero degli urti)

V = k · [ConcentrazioneConcentrazione]

9

V = k · [A]m · [B]n

Concentrazione e velocità di reazione

aA + bB cC + dD

m,n : Ordine di reazione di un singolo reagente (si ricava solo sperimentalmente)

m + n : Ordine di reazione complessivoMolecolarità : n° di particelle (molecole, atomi, ioni) che urtano per dar

luogo ad un singolo atto reattivo (reazione elementare)

Es1: H2 + I2 2HI V=k[H2][ I2] 2° ordine, bimolecolareEs2: 2N2O5 4NO2 + O2 V=k[N2O5] 1° ordineEs3: 2NO+H2 N2 + 2H2O V=k[NO]2[H2] 3° ordine, trimolecolareEs4: NO2+2HClNO+H2O+Cl2 V=k[NO][HCl] 2°ordine

Solo nei processi elementari (Es1, 3) il coefficiente stechiometrico (a,b) coincide con l’ordine di reazione (m,n) e con la molecolarità

10

Dai dati sperimentali riportati in tabella è evidente che la reazione èdi 1° ordine, in quanto la sua velocità si dimezza quando viene

dimezzata la concentrazione di A mentre non si raddoppia quandoviene raddoppiata la concentrazione di B

V = k·[A]V = k·[A] [A] [B] velocità (moli/litro) (moli/litro) (moli/litro/minuto) 0,2 0,1 0,1 0,1 0,1 0,05 0,2 0,2 0,1

Determinazione ordine di reazione (1)

A + B C

11

[A] [B] velocità (moli/litro) (moli/litro) (moli/litro/minuto) 0,1 0,1 0,1 0,1 0,2 0,4 0,2 0,2 0,4

Dai dati sperimentali riportati in tabella è evidente che la reazione èdi 2° ordine rispetto a B, in quanto la sua velocità è proporzionale

alla seconda potenza della concentrazione di B e non varia al variaredella concentrazione di A

V = k·[B]V = k·[B]22V = k·[B]V = k·[B]22


A + B C

12

Dai dati sperimentali riportati in tabella è evidente che la reazione èdi 2° ordine, in quanto la sua velocità si duplica sia quando vieneraddoppiata la concentrazione di A che quando viene raddoppiata

la concentrazione di B

Dai dati sperimentali riportati in tabella è evidente che la reazione èdi 2° ordine, in quanto la sua velocità si duplica sia quando vieneraddoppiata la concentrazione di A che quando viene raddoppiata

la concentrazione di B

V = k·[A]·[B]V = k·[A]·[B]

[A] [B] velocità (moli/litro) (moli/litro) (moli/litro/minuto) 0,2 0,3 0,10 0,4 0,6 0,40 0,2 0,6 0,20


A + B C

Si può anche dire che la reazione è di 1° ordine rispetto ad A e di 1° ordine rispetto a B

13

V = k [A]V = k [A]22

In generale una reazione viene definita di 2° ordine se la sua velocitàrisulta sperimentalmente essere funzione lineare della concentrazione

di un solo reagente elevata al quadrato o al prodotto delle concentrazionidi due reagenti.

Quindi, la reazione è di secondo ordinesecondo ordine se si verifica sperimentalmentesperimentalmente uno dei casi seguenti:

V = k [B]V = k [B]22 V = k [A][B]V = k [A][B]


14

Meccanismo di reazione

Es: 2 ICl + H2 2 HCl + I2 V= k [ICl][H2]

La reazione è il risultato di due reazioni elementari ICl + H2 HCl + HI Stadio lento V= k [ICl][H2]

ICl + HI HCl + I2 Stadio veloce

2 ICl + H2 2 HCl + I2 V= k [ICl][H2]HI = “Intermedio di reazione”

Salvo rare eccezioni l’equazione chimica rappresenta la somma di un certo numero di reazioni intermedie

(Reazioni Elementari) da essa non desumibili

La velocità di reazione è data dallo stadio lento (tappa limitante)

15

La tappa limitante nelle reazioni a più stadi

Reagenti Intermedi Prodotti

Stadio 1 Stadio 2

Rapido

Stadio limitante la velocità

Lento

A B C D FG H I

La velocità totale del processo è uguale a quella della reazione più lenta (V= k[D])

Questo è spesso sfruttato negli organismi viventi per regolare il metabolismo

k

16

X + Y → X-Y Reazione non catalizzata (Ea alta, V bassa)X + C → X-C Reazioni in presenza di catalizzatore (C)X-C + Y → X-Y + C (Ea bassa, V alta)X + Y → X-Y C non si consuma perché riciclato

L’azione del catalizzatore (1)

coordinata di reazione

GG

EaEa

EaC

En

erg

ia lib

era

, G

XY

X + Y

X-Y

XC+Y

Il catalizzatore diminuisce Ea facendo percorrere alla reazione un

cammino diverso senza variare il valore di G

Il catalizzatore non rende spontaneo un processo endoergonico

17

H3C CO

OH H O CH3

H3C CO

OCH3

H2O

Es1: Esterificazione di un acido carbossilico

La reazione è lenta ma viene accelerata aggiungendo un acido inorganico alla miscela di reazione


HOH

C

O

O CH3H3C

H+

C

OH

O CH3H3C+

C

OH

H

O CH3H3C

OH+

C-

OH

H

O- CH3H3C-

OH

H3C -COH

OH

+H

O CH3 C -

OH

H

O

CH3

H3C-

OH

+

H+H3C C

OH

OH

OH+

H3C CO

OHH3C C

OH

OH

OH+

18


Es2: 2H202 → 2H2O + O2 G°= -50,2 Kcal/mol

coordinata di reazione

GrGr

EacEac

G

H202

2H2O+O2

Ea

Le bollicine di O2 che si sviluppano quando si versa H2O2 su una ferita sanguinante sono dovute all’azione catalitica della catalasi, un enzima presente nel sangue

1) H2O2+2Fe+2+2H+→2H2O+2Fe+3

2) H2O2 + 2Fe+3 →O2+2H++2Fe+2

2H2O2 2H2O + O2

Fe+2 , H+

Fe+2 e H+ = catalizzatori

19

Catalisi omogeneaIl catalizzatore e i reagenti sono nella stessa fase

Es: 1)H2O2 + I- →H2O + IO-

2)H2O2 + IO- →H2O + O2+ I-

2H2O2 → 2H2O +O2

Video

20

Catalisi eterogeneaIl catalizzatore e i reagenti NON sono nella stessa fase

Es1: 2H202 → 2H2O + O2

MnO2

Video

Marmitta Catalitica

Es2:

Al2O3

2 CO + O2 2 CO2

CxHy + a O2 b CO2 + c H2O

2 NO O2 + N2

2 NO2 2 O2 + N2

21

Equilibrio chimico e velocità di reazione (1)

k1

k-

1

R Pt=0 vvH

k1

k-

1

RP

t=eq vvH

][1 Rkv

][1 Pkv H

KeqR

P

k

k

eq

eq

][

][

1

1eqeq PkRk ][][ 11

22

Equilibrio chimico e velocità di reazione (2)

In generale per una reazione reversibile:

aA + bB + pP + qQ +

All’equilibrio avremo:••••

••••

==1

ba

qp

1- ]B[]A[

]Q[]P[

k

kKeq

Se l’equazione è scritta nella forma inversa:

pP + qQ + aA + bB +

••••

••••

==1

1qp

ba-

]Q[]P[

]B[]A[

k

keq'K da cui:

Keqeq'K

1=

23

Cinetica Enzimatica

“In vivo” ogni reazione è catalizzata da un enzima specifico

Enzimi: Proteina (PM12.000÷1.000.000) Alto potere catalitico in condizioni blande

di T, P e pH Elevata specificità e assenza di sottoprodotti Possibilità di regolazione fine

Composizione

CATENA POLIPEPTIDICA ÷ COFATTORE

Apoenzima Oloenzima

Coenzima o Gruppo prostetico(se legato covalentemente)

24

Gli enzimi sono classificati in base alle reazioni che catalizzano

25

Azione catalitica dell’enzima (1)

L’aumento della velocità di reazione può

variare di parecchi ordini di grandezza Es: Anidrasi carbonica 107

Fosfofruttomutasi 1012

Ureasi 1014

26


Effetto prossimità:l’enzima facilita l’urto efficace

mediante un “aiuto sterico”

27

Azione catalitica dell’enzima (3)Un esempio di “Effetto di prossimità”

nelle razioni organiche

28

Stereospecificità del sito catalitico


29

Azione catalitica dell’enzima (5)Stiramento e/o distorsione del legame da rompere

30

Analisi equazione di Michaelis & Menten

1

1

K

KcatkKm

]S[+K

]S[V=v

m

•maxo

]S[+K

]S[V=

2

V

m

•maxmax

mK=]S[

]S[+K=]S[2 m

E + S ES P + E

k1

k-1

kcat

1

- +=

k

kkK

cat1

m

31

Grafico dei doppi reciproci (Lineweaver & Burk)

]S[+K

]S[V=V

m

•maxo

]S[V

]S[

]S[V

K

]S[V

]S[K

v maxmax

m

max

m

o •••+=

+=

1

[ ]maxmax

m

o V

1+

S

1•

V

K=

V

1

32

Significato di Km (1)

Il valore di Km indica il grado di affinità di un enzima

per un certo substrato

Es1: confronto dei valori di Km tra due enzimi con i relativi substrati

Anidrasi carbonica 107

Fosfofruttomutasi 1012

Ureasi 1014

33


Es2: Confronto dei valori di Km della Esochinasi con due substrati diversi

Minore è il valore di Km, maggiore è l’affinità dell’enzima per quel

substrato

D-Glucosio (S1) Km=0,05D-Fruttosio (S2) Km=1,5

La Km più bassa riflette una maggiore affinità

dell’enzima per S 1

La Km più alta riflette una minore affinità dell’enzima per S 2

34

Spiegazione alternativa


1

cat1-

kk+k

=mK se kcat<<k-1 (ipotesi quasi sempre verificata) avremo:

“Costante di Dissociazione” del Complesso ES

E + S ES P + E k1

k-1

kcat

]ES[

]S][E[Ks ==

1

1-

kk

ES E + S k1

k-1

[ES] Alta → Ks bassa → Alta Affinità

sK==1

1-

kk

mK

35

Significato di Vmax

V0 = kcat [ES]

Vmax = kcat [ET]

[ET] = [E] + [ES]

Vmax è una misura della concentrazione enzimatica

e si esprime in Unità Internazionali (U)

1U= Quantità di enzima che catalizza la formazione di 1M di prodotto

per min in condizioni definite (pH, T, ...)

Conoscendo [ET] e Vmax si può calcolare Kcat

]E[

V

T

max=catK“Costante catalitica” o “Numero di turnover”

(M di substrato trasformate per min)

V0

[S]

Vmax3

Vmax2

Vmax1

[E3]>[E2]>[E1]

36

Effetto del pH sulla stabilità e attività dell’enzima

E EES

S P

E ES

S

E ES

S

H+

OH-

37

Effetto della Temperatura sulla stabilità e attività dell’enzima

Risultato di due processi concorrenti:

Aumento di V0 all’aumentare di T k = A·e-Ea/RT

(vedi teoria degli urti di Arrenius)

Diminuzione di V0 a temperature superiori a quella ottimale per la rottura di legami deboli della struttura terziaria della catena polipeptidica della proteina(vedi denaturazione delle proteine)

T ottimale

Km =Vmax

E + S ES P + E

+ I EI “Complesso abortivo irreversibile”

38

Inibizione enzimaticaL’inibizione (Reversibile o Irreversibile) è uno dei maggiori sistemi di regolazione del metabolismoInibizione Irreversibile

k1

k-1

kcat

Es: Inibizione dell’ Acetilcolinesterasi con il gas nervino Diisopropilfluorofosfato (DIFP) (“Inibitore suicida” vedi anche 5F-U)

E E

O CH3

CH2-OH + F-P-O-CH

O CH3

H3C-CH-CH3

O CH3

CH2-OH-O-P-O-CH + HF

O CH3

H3C-CH-CH3

..Acetilcolinesterasi(degrada l’acetilcolina)

39

[ ]( ) [S]+KiI+1m

•maxo K

[S]V=v

Inibizione Competitiva (IC)

[ ]( )maxmax

m

o V1

+[S]1

VK

=v1

•Ki I +1

Vmax =Kmapp

Km app

40

Diidrofolato Sintetasi(Solo batterica)

Es1: Antimetaboliti (sulfamidici, pro-farmaci analoghi di basi e nucleosidi purinici e pirimidinici)

Inibizione Competitiva (2)

Acido p-aminobenzoico

R=H: Sulfanilamide

Acido Folico DNA

NH2

COOH

NH2

O=S=O

H–N–R

Parte essenziale per l’attività

dUMP dTMPTimidilato Sintetasi

Negli animali non esiste la diidrofolato reduttasi.

L’acido folico deve essere assunto dalla dieta

(vitamina)

“Antagonizza” l’incorporazione dell’acido

p-aminobenzoico nell’acido folico

41

Inibizione Competitiva (3)

Succinico deidrogenasi

Succinato

Fumarato

Es2: Analogo non metabolizzabile

COO-

CH2

CH2

COO-

Malonato

COO-

CH2

COO-

COO-

CHHC COO-

E-FAD E-FADH2

)

)+

+

Sito attivo

42

Es3: Analogo metabolizzabile Inibizione Competitiva (4)

Etanolo

Metanolo

Acetaldeide

Formaldeide

Alcool deidrogenasi

NAD NADH + H+

C-O-HH

HH

C-C-O-HH

HH

H

H

HC-C=OH

H H

C=OH

HIdrossimetila

proteine e acidi nucleici

30 ml di metanolo sono letali

43

Inibizione Non Competitiva (INC)

[S]+K

[S]V

=Vm

max

o

•Ki[I]

+1

( ) ( )Ki

[I]+1

Ki

[I]+1

maxmax

m

o V1

+ [S]1

VK

=v1

•Vmax Km =

44

Inibizione Incompetitiva (IIC)

[S]+K

[S]V

=Vm

max

o

•

Ki

[I]+1

Ki

[I]+1

[ ][ ]( )ki I +1•

maxmax

m

o V1

+ S1

VK

=v1

Vmax

Kmapp

45

Schema riassuntivo dei grafici dei doppi reciproci

IC, INC, IIC

Ki

I

VV

Km

vo

][maxmax

111

Vmax Kmapp

46

Macromolecole proteiche a più subunità

(monomeri o protomeri) Se i siti catalitici sono indipendenti (non

cooperativi) avremo enzimi con “cinetica classica Micheliana” (V0/[S] curva iperbolica)

Se i siti sono dipendenti (cooperativi) avremo “enzimi allosterici”(V0/[S] curva sigmoide)

Enzimi oligomerici

Km K0.5

47

Enzimi allosterici

L’interazione (binding) di una molecola di “legando” (substrato, inibitore, attivatore) con un sito catalitico di una subunità, modifica il binding, aumentando

o diminuendo l’affinità degli altri siti liberi

Interazioni omotropiche:stesso legando (substrato)Interazioni eterotropiche:legandi diversi (substrato,inibitore,attivatore)

48

+ - S S

C C

SS CC

S SCC

Interazioni Omotropiche

Regolazione degli enzimi allosterici (1)

[S]

V0

K0.5

½ Vmax

49

Regolazione degli enzimi allosterici (2)

Interazioni Eterotropiche

C R

+ -

S RC

S

S

► Substrato

● Modulatore positivo(Attivatore)

■ Modulatore negativo (Inibitore)

50

Due possibili modulazioni allosteriche

Vmax K0.5 =

Vmax =K0.5

51

Enzimi allosterici: chiave di controllo nella regolazione metabolica

Gli enzimi allosterici si trovano spesso in punti strategici delle vie metaboliche ed agiscono con “effetto switch on-off”

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