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1. A B V = - d[A]d[A] dtdt d[B]d[B] dtdt = Velocità di reazione V= Velocità istantanea: coefficiente angolare della retta tangente alla curva in quel.

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2 A B V = - d[A]d[A] dtdt d[B]d[B] dtdt = Velocità di reazione V= Velocità istantanea: coefficiente angolare della retta tangente alla curva in quel punto Quando t=0 la velocità istantanea sarà massima (V 0 ) 2

3 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 E a ) Giusto orientamento (Effetto sterico ) Complesso attivato E a Energia di attivazione Coordinata di reazione Energia libera, G A Es: A 2 B-B + B 2 B A [A 2 B 2 ] B B A 2AB 2AB2AB A2B2A2B2 A 2 + B 2 A B A B A A B B B

4 4 Sono efficaci soltanto gli urti nei quali lo ione ossidrile attacca lalogeno-derivato alchilico dal lato opposto a quello dove è legato latomo di alogeno Urti molecolari e velocità di reazione (2) Effetto Sterico OH - + CH 3 Cl [OH … CH 3 Cl] - CH 3 OH + Cl - Es1: Es2: N 2 O + NO N 2 + NO 2 [N - N … O … N-O] #

5 5 Lenergia di attivazione (Ea) corrisponde alla minima energia necessaria per un urto efficace Minore è il valore di Ea maggiore è il numero di molecole in grado di superare la barriera energetica e formare i prodotti La reazione anche se è termodinamicamente spontanea ( G r <0) potrebbe non avvenire se non attivata Urti molecolari e velocità di reazione (3) Energia di attivazione Spontaneità di reazione non vuol dire immediatezza

6 6 Es: 2H 2 + O 2 2 H 2 0 G° = 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 lenergia di attivazione necessaria perché altre molecole di H 2 e O 2 reagiscano Urti molecolari e velocità di reazione (4) Energia di attivazione H Energia libera, G H Coordinata di reazione EaEaEaEa O - O A O H H H - G r <0 H H - H H H H O O

7 7 T1T1 T2T2T2T2 T3T3T3T3 Ea N E =N e -Ea /RT NENNEN Energia cinetica T1 < T2 < T3 Aumentando la temperatura, aumenta lenergia cinetica media ( E Cm ) delle molecole e di conseguenza aumenta il n°di molecole ( N E ) aventi lenergia 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) Teoria delle Collisioni e Temperatura E Cm1 E Cm2 E Cm3

8 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 dellurto molecolare) k = A·e -Ea/RT Costante cinetica Concentrazione dei reagenti Concentrazione dei reagenti (numero degli urti) Concentrazione V = k · [Concentrazione]

9 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 complessivo Molecolarità: n° di particelle (molecole, atomi, ioni) che urtano per dar luogo ad un singolo atto reattivo (reazione elementare) Es1: H 2 + I 2 2HI V=k[H 2 ][ I 2 ] 2° ordine, bimolecolare Es2 : 2N 2 O 5 4NO 2 + O 2 V=k[N 2 O 5 ] 1° ordine Es3: 2NO+H 2 N 2 + 2H 2 O V=k[NO] 2 [H 2 ]3° ordine, trimolecolare Es4: NO 2 +2HCl NO+H 2 O+Cl 2 V=k[NO][HCl]2°ordine Solo nei processi elementari ( Es1, 3 ) il coefficiente stechiometrico (a,b) coincide con lordine di reazione (m,n) e con la molecolarità

10 10 Dai dati sperimentali riportati in tabella è evidente che la reazione è di 1° ordine, in quanto la sua velocità si dimezza quando viene dimezzata la concentrazione di A mentre non si raddoppia quando viene raddoppiata la concentrazione di B 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 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 è di 2° ordine rispetto a B, in quanto la sua velocità è proporzionale alla seconda potenza della concentrazione di B e non varia al variare della concentrazione di A V = k·[B] 2 Determinazione ordine di reazione (2) A + B C

12 12 Dai dati sperimentali riportati in tabella è evidente che la reazione è di 2° ordine, in quanto la sua velocità si duplica sia quando viene raddoppiata la concentrazione di A che quando viene raddoppiata la concentrazione di 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 Determinazione ordine di reazione (3) 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 13 V = k [A]2 In generale una reazione viene definita di 2° ordine se la sua velocità risulta sperimentalmente essere funzione lineare della concentrazione di un solo reagente elevata al quadrato o al prodotto delle concentrazioni di due reagenti. secondo ordine Quindi, la reazione è di secondo ordine se si verifica sperimentalmente sperimentalmente uno dei casi seguenti: V = k [B]2V = k [A][B] Determinazione ordine di reazione (4)

14 14 Meccanismo di reazione Es: 2 ICl + H 2 2 HCl + I 2 V= k [ICl][H 2 ] La reazione è il risultato di due reazioni elementari ICl + H 2 HCl + HI Stadio lento V= k [ICl][H 2 ] ICl + HI HCl + I 2 Stadio veloce 2 ICl + H 2 2 HCl + I 2 V= k [ICl][H 2 ] HI = Intermedio di reazione Salvo rare eccezioni lequazione 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 15 La tappa limitante nelle reazioni a più stadi ReagentiIntermedi Prodotti Stadio 1Stadio 2 Rapido Stadio limitante la velocità Lento A B C D F G 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 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 Lazione del catalizzatore (1) coordinata di reazione G Ea Ea C Energia libera, G X Y X + Y X-Y X C+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 17 Es1: Esterificazione di un acido carbossilico La reazione è lenta ma viene accelerata aggiungendo un acido inorganico alla miscela di reazione Lazione del catalizzatore (2) HOHHOH C O O CH 3 H3CH3C H+H+ C OH O CH 3 H3CH3C + C OH H O CH 3 H3CH3C OHOH + C- OH H O- CH 3 H 3 C- OHOH H3CH3C -C OHOH OH + H O CH 3 C - OH H O CH 3 H 3 C- OHOH + H+H+ H3CH3CC OHOH OH OHOH + H3CH3CC O H3CH3CC OHOH OHOH +

18 18 Lazione del catalizzatore (3) Es2: 2H H 2 O + O 2 G°= -50,2 Kcal/mol coordinata di reazione Gr Gr Ea c G H202H202 2H 2 O+O 2 Ea Le bollicine di O 2 che si sviluppano quando si versa H 2 O 2 su una ferita sanguinante sono dovute allazione catalitica della catalasi, un enzima presente nel sangue 1)H 2 O 2 +2Fe +2 +2H + 2H 2 O+2Fe +3 2)H 2 O 2 + 2Fe +3 O 2 +2H + +2Fe +2 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2 Fe +2, H + Fe +2 e H + = catalizzatori

19 19 Catalisi omogenea Il catalizzatore e i reagenti sono nella stessa fase Es: 1)H 2 O 2 + I - H 2 O + IO - 2)H 2 O 2 + IO - H 2 O + O 2 + I - 2H 2 O 2 2H 2 O +O 2 Video

20 20 Catalisi eterogenea Il catalizzatore e i reagenti NON sono nella stessa fase Es1: 2H H 2 O + O 2 MnO 2 Video Marmitta Catalitica Es2: Al 2 O 3 2 CO + O 2 2 CO 2 C x H y + a O 2 b CO 2 + c H 2 O 2 NO O 2 + N 2 2 NO 2 2 O 2 + N 2

21 21 Equilibrio chimico e velocità di reazione (1) k1k1 k -1 RP t=0 k1k1 k -1 R P t=eq

22 22 Equilibrio chimico e velocità di reazione (2) In generale per una reazione reversibile: aA + bB + pP + qQ + Allequilibrio avremo: Se lequazione è scritta nella forma inversa: pP + qQ + aA + bB + da cui:

23 23 Cinetica Enzimatica In vivo ogni reazione è catalizzata da un enzima specifico Enzimi: Proteina (PM12.000÷ ) 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 24 Gli enzimi sono classificati in base alle reazioni che catalizzano

25 25 Azione catalitica dellenzima (1) Laumento della velocità di reazione può variare di parecchi ordini di grandezza Es: Anidrasi carbonica 10 7 Fosfofruttomutasi10 12 Ureasi10 14

26 26 Azione catalitica dellenzima (2) Effetto prossimità: lenzima facilita lurto efficace mediante un aiuto sterico

27 27 Azione catalitica dellenzima (3) Un esempio di Effetto di prossimità nelle razioni organiche

28 28 Stereospecificità del sito catalitico Azione catalitica dellenzima (4)

29 29 Azione catalitica dellenzima (5) Stiramento e/o distorsione del legame da rompere

30 30 Analisi equazione di Michaelis & Menten E + S ES P + E k1k1 k -1 k cat

31 31 Grafico dei doppi reciproci (Lineweaver & Burk)

32 32 Significato di Km (1) Il valore di K m indica il grado di affinità di un enzima per un certo substrato Es1: confronto dei valori di K m tra due enzimi con i relativi substrati Anidrasi carbonica 10 7 Fosfofruttomutasi Ureasi 10 14

33 33 Significato di Km (2) Es2: Confronto dei valori di K m della Esochinasi con due substrati diversi Minore è il valore di K m, maggiore è laffinità dellenzima per quel substrato D-Glucosio (S 1 ) K m =0,05 D-Fruttosio (S 2 ) K m =1,5 La Km più bassa riflette una maggiore affinità dellenzima per S 1 La Km più alta riflette una minore affinità dellenzima per S 2

34 34 Spiegazione alternativa Significato di Km (3) se k cat <

35 35 Significato di Vmax V 0 = k cat [ES] V max = k cat [E T ] [E T ] = [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 1 M di prodotto per min in condizioni definite (pH, T,...) Conoscendo [E T ] e V max si può calcolare K cat Costante catalitica o Numero di turnover ( M di substrato trasformate per min) V0V0 [S] Vmax 3 Vmax 2 Vmax 1 [E 3 ]>[E 2 ]>[E 1 ]

36 36 Effetto del pH sulla stabilità e attività dellenzima E E ES S P E ES S E ES S H+H+ OH -

37 37 Effetto della Temperatura sulla stabilità e attività dellenzima Risultato di due processi concorrenti: Aumento di V 0 allaumentare di T k = A·e -Ea/RT (vedi teoria degli urti di Arrenius) Diminuzione di V 0 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

38 K m = V max E + S ES P + E + I EI Complesso abortivo irreversibile 38 Inibizione enzimatica Linibizione (Reversibile o Irreversibile) è uno dei maggiori sistemi di regolazione del metabolismo Inibizione Irreversibile k1k1 k -1 k cat Es: Inibizione dell Acetilcolinesterasi con il gas nervino Diisopropilfluorofosfato (DIFP) (Inibitore suicida vedi anche 5F-U) E E O CH 3 CH 2 - O H + F -P-O-CH O CH 3 H 3 C-CH-CH 3 O CH 3 CH 2 -OH- O -P-O-CH + H F O CH 3 H 3 C-CH-CH 3.. Acetilcolinesterasi (degrada lacetilcolina)

39 39 Inibizione Competitiva (IC) V max = Km app

40 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 NH 2 COOH NH 2 O=S=O H–N–R Parte essenziale per lattività dUMPdTMP Timidilato Sintetasi Negli animali non esiste la diidrofolato reduttasi. Lacido folico deve essere assunto dalla dieta (vitamina) Antagonizza lincorporazione dellacido p-aminobenzoico nellacido folico

41 41 Inibizione Competitiva (3) Succinico deidrogenasi Succinato Fumarato Es2: Analogo non metabolizzabile COO - CH 2 COO - Malonato COO - CH 2 COO - CH HC COO - E-FAD E-FADH 2 ) )+)+ + Sito attivo

42 42 Es3: Analogo metabolizzabile Inibizione Competitiva (4) Etanolo Metanolo Acetaldeide Formaldeide Alcool deidrogenasi NAD NADH + H + C-O-H H H H C-C-O-H H H H H H H C-C=OH H H C=O H H Idrossimetila proteine e acidi nucleici 30 ml di metanolo sono letali

43 43 Inibizione Non Competitiva (INC) V max K m =

44 44 Inibizione Incompetitiva (IIC) V max Km app

45 45 Schema riassuntivo dei grafici dei doppi reciproci IC, INC, IIC Vmax Km app

46 46 Macromolecole proteiche a più subunità (monomeri o protomeri) Se i siti catalitici sono indipendenti (non cooperativi) avremo enzimi con cinetica classica Micheliana (V 0 /[S] curva iperbolica) Se i siti sono dipendenti (cooperativi) avremoenzimi allosterici (V 0 /[S] curva sigmoide) Enzimi oligomerici Km K 0.5

47 47 Enzimi allosterici Linterazione ( binding ) di una molecola di legando (substrato, inibitore, attivatore) con un sito catalitico di una subunità, modifica il binding, aumentando o diminuendo laffinità degli altri siti liberi Interazioni omotropiche:stesso legando ( substrato ) Interazioni eterotropiche:legandi diversi ( substrato,inibitore,attivatore)

48 S S C C S S CC S S C C Interazioni Omotropiche Regolazione degli enzimi allosterici (1) [S] V0V0 K 0.5 ½ V max

49 49 Regolazione degli enzimi allosterici (2) Interazioni Eterotropiche C R + - S R C S S Substrato Modulatore positivo(Attivatore) Modulatore negativo (Inibitore)

50 50 Due possibili modulazioni allosteriche Vmax K 0.5 = Vmax = K 0.5

51 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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