CATALISI CHIMICA

TEORIA DELLO STATO DI TRANSIZIONE (Henry Eyring – anni ’30) A-B + C  A + B-C (A····B····C) Complesso attivato Stato di transizione Coordinata di reazione

Energia di attivazione A-B + C A + B-C

 = frequenza vibrazionale del legame che si rompe

5,71 KJ mole-1 0,5 legami idrogeno k aumenta di 10 volte

e le variazioni dell’energia libera degli equilibri IL POSTULATO DI HAMMOND Valore  di Brønsted (costante per piccoli valori di G )  EFFETTO HAMMOND Esiste una relazione lineare tra le variazioni dell’energia libera di attivazione e le variazioni dell’energia libera degli equilibri

I MECCANISMI CATALITICI UTILIZZATI DAGLI ENZIMI: 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 acida generale Catalisi basica generale

(piridina) costante di second’ordine (acetato) costante di velocità della reazione spontanea

 = basi aminiche 0 < β < 1 o = basi ossianioniche Valore  di Brønsted Equazione di Brønsted

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 elettrostatica di cariche. In molte reazioni catalizzate da ioni metallici il metallo agisce come un acido di Lewis (protone) Decarbossilazione del dimetilossalacetato catalizzata da Cu2+ e Ni2+

Gli ioni metallici promuovono la catalisi nucleofila mediante la ionizzazione dell’acqua. Il caso dell’anidrasi carbonica:

Il reale substrato delle chinasi 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 La distribuzione della cariche in un mezzo a bassa costante dielettrica può influenzare profondamente la reattività chimica

CATALISI DA EFFETTI DI PROSSIMITA’ E ORIENTAMENTO [imidazolo] = 1M k’ = 0,0018 s-1 k’ = 0,0018 s-1

EFFETTO DELLA PROSSIMITA’ k2 = 0,043 s-1 k’ = 0,0018 s-1 k2 = 24 k’ Il gruppo imidazolico si comporta come se fosse presente alla concentrazione di 24 M

CALCOLO DELL’EFFETTO DELLA PROSSIMITA’ Daniel Koshland fece le seguenti assunzioni: I reagenti hanno le stesse dimensioni dell’acqua e sono rappresentabili come sfere Ogni molecola di reagente ha intorno a sé 12 molecole La reazione avviene solo quando i reagenti entrano in contatto La concentrazione dei reagenti è sufficientemente bassa da poter assumere che un reagente non collide mai con più di una molecola dell’altro reagente

k2 = 4,6 k1 Non spiega l’aumento di 24 volte osservato nella reazione tra imidazolo e p-nitrofenilacetato k2 = 4,6 k1

EFFETTO DELL’ORIENTAMENTO 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

KR KT

KR KT

KR KT

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 due legami idrogeno!

ANALOGHI DELLO STATO DI TRANSIZIONE: Inibitori competitivi e anticorpi catalitici

EFFETTO ISOTOPICO CINETICO EFFETTO ISOTOPICO PRIMARIO 6-10 volte più lenta se H è sostituito con D 1,06 volte più lenta se C12 è sostituito con C13

4,15 Kcal mole-1 3 Kcal mole-1 (energia al punto zero)

 4,15 Kcal mole-1 Aumento della velocità di un fattore 7 Nella realtà si trovano valori tra 0,3 e 24   3 Kcal mole-1 Reaction coordinate

EFFETTO ISOTOPICO MULTIPLO 2 passaggi consecutivi 2 passaggi concertati

EFFETTO ISOTOPICO SECONDARIO

EFFETTO ISOTOPICO DEL SOLVENTE