I MECCANISMI
DELLA
CATALISI
ENZIMATICA
#
k E KKES
KT
=
=
≈
#
kN K
KR
KNT
kE
=e
kN
(ΔG
E
#
− ΔGN #
RT
)
Per aumentare la costante di velocità di una reazione di 106 volte è
sufficiente che lo stato di transizione si leghi all enzima con
un energia 34,2 KJ mole-1 superiore rispetto al substrato: l energia
di pochi legami idrogeno!
I MECCANISMI CATALITICI UTILIZZATI
DAGLI ENZIMI:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Perdita di entropia nella formazione di ES
Destabilizzazione di ES
Catalisi acido-basica
Catalisi covalente
Catalisi da ioni metallici
Catalisi elettrostatica
Effetti di prossimità e orientamento
Legame preferenziale dello stato di transizione
1. Perdita di entropia nella formazione di ES
1. Perdita di entropia nella formazione di ES
2. Destabilizzazione di ES
I MECCANISMI CATALITICI UTILIZZATI
DAGLI ENZIMI:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Perdita di entropia nella formazione di ES
Destabilizzazione di ES
Catalisi acido-basica
Catalisi covalente
Catalisi da ioni metallici
Catalisi elettrostatica
Effetti di prossimità e orientamento
Legame preferenziale dello stato di transizione
LA CATALISI ACIDO BASICA
Catalisi
acida
generale
Catalisi
basica
generale
IDROLISI DELL RNA CATALIZZATA DALL RNasi
LA CATALISI COVALENTE
Decarbossilazione dell acetoacetato:
REAZIONI CATALIZZATE DAL PIRIDOSSAL FOSFATO
LA CATALISI DA IONI METALLICI
I metalloenzimi contengono ioni metallici saldamente
legati: Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+, Mn2+, Co3+
Gli enzimi attivati dai metalli legano debolmente ioni
metallici presenti nella soluzione, di solito ioni di metalli
alcalini, come Na+, K+, Mg2+ e Ca2+
Gli ioni metallici partecipano alla catalisi
in tre modi diversi:
1. Legandosi al substrato per orientarlo in modo
corretto per la reazione
2. Partecipando a reazioni di ossido-riduzione mediante
modificazioni reversibili del loro stato di ossidazione
3. Stabilizzando elettrostaticamente, ionizzando
l acqua o proteggendo cariche negative
Stabilizzazione di cariche.
In molte reazioni catalizzate da ioni metallici
il metallo agisce come un acido di Lewis (protone)
Catalizzatori migliori del protone
Decarbossilazione del
dimetilossalacetato
catalizzata da Cu2+ e Ni2+
Gli ioni metallici promuovono la catalisi nucleofila
mediante la ionizzazione dell acqua
Gli ioni metallici accelerano le reazioni
mediante la protezioni di cariche
Il reale substrato delle chinasi
LA CATALISI ELETTROSTATICA
• Il legame del substrato tende ad escludere l acqua
dal sito attivo
• La costante dielettrica del sito attivo ricorda quella
di un solvente organico
• Le interazioni elettrostatiche sono quindi più forti che in acqua
(in questo modo gli enzimi guidano i substrati nei siti attivi)
• La distribuzione della cariche in un mezzo a bassa costante
dielettrica può influenzare profondamente al reattività chimica
• La distribuzione di carica al sito attivo è arrangiata in modo tale
da stabilizzare lo stato di transizione
CATALISI DA EFFETTI DI PROSSIMITA
E ORIENTAMENTO
La chimica è la chimica organica, per cui devono essere presenti
nel sito attivo di un enzima anche specifiche condizioni fisiche
che aiutino la catalisi
d [P]
= k1 [imidazolo ][ p − NO2φAc ]
dt
d [P ]
= k ' [ p − NO2φAc ]
dt
[imidazolo] = 1M
k = 0,0018 s-1
k2 = 0,043 s-1
k2 = 24 k
Il gruppo imidazolico si comporta come se fosse presente
alla concentrazione di 24 M
EFFETTO DELL ORIENTAMENTO
• Blocco dei movimenti di vibrazione e translazione
• Il corretto orientamento dei reagenti può aumentare la
velocità di una reazione di un fattore pari a circa 100
CATALISI DA LEGAME DELLO STATO
DI TRANSIZIONE
La velocità di questa reazione è 315 volte maggiore
quando Rche
= -CH
che R = -Hlo stato
Le interazioni
legano
3, piuttosto
preferenzialmente
di transizione aumentano la sua concentrazione e
proporzionalmente elevano la velocità della reazione
Legame dell enzima allo stato di
transizione
Analoghi dello stato di transizione per congelare una
struttura evanescente (10-13-10-14 sec)
X
X
Gli analoghi di transizione sono inibitori potentissimi
X
ANALOGHI DELLO STATO DI TRANSIZIONE:
anticorpi catalitici, gli ABZIMI
Un anticorpo contro l analogo dello stato di transizione catalizza
l idrolisi dell estere di circa 1000 volte
Design di enzimi con nuove specificità
