"Meccanismi catalitici"

Energie di legame enzima substrato

L'energia di legame netta rappresenta la differenza tra le energie di legame del substrato con l'acqua e del substrato con l'enzima. Perciò la costante di dissociazione del complesso enzima substrato riflette le stabilità relative del substrato legato all'enzima e quando questo è libero in soluzione. La costante dipende da

• la forza del legame ad idrogeno tra enzima e substrato comparati con le forze che separatamente instaurano con l'acqua
• la stabilità dei ponti salini tra enzimi e substrato comparati con la tendenza degli ioni individuali ad essere solvatati in acqua
• la presenza di interazioni idrofobiche.

Benchè ogni differenza possa seembrare piccola, messe insieme tutte le interazioni l'energia può essere considerevole.

Utilizzazione dell'energie di legame enzima substrato nella catalisi

L'energia di legame massima tra un enzima ed un substrato si ha quando si ha la complementarità massima tra le strutture del sito attivo e quella del substrato. La struttura del substrato cambia nel corso della reazione passando per lo stato di tranzione e poi devenendo prodotto. La struttura dell'enzima può essere complementare solo ad una delle forme del substrato. Se la struttura dell'enzima è complementare allo stato di tranzione allora il legame cresce man mano che la reazione procede abbassando l'energia di attivazione. Questo implica inoltre che anche il prodotto si lega debolmente all'enzima favorendo così la dissociazione del prodotto dall'enzima a reazione terminata. Quando il sito attivo è complemnentare allo stato di tranzione.

Evoluzione della velocità massima di una reazione enzimatica con forte legame enzima stato di tranzione e debole interazione col substrato.Si consideri il caso ipotetico dove k_cat/ K_M = 10⁶ M^-1s^-1 e [S] = 10^-3 M. La tabella di seguito mostra che la velocità di reazione v/[E] = {[S] k_cat]/[K_M + [S]}, espressa come mole di prodotto formato per mole di enzima al secondo, è massima quando K_M >> [S].

KM (M)	kcat (s-1)	Rate (s-1)
10-6	1	1
10-5	10	9.9
10-4	102	100
10-3	103	500
10-2	104	909
10-1	105	990
1	106	999

Dalla tabella si ricavano due informazioni:

• il credo che un basso valore di Km sia importante per la catalisi non è vero
• è invece importante il legame tra stato di transizone ed enzima.

L'evoluzione di un enzima per dare una velocità massimale può essere suddivisa in due momenti ipotetici

• il valore k_cat/K_M è massimizzato quando l'enzima è complementare al substrato
• la concentrazione dell'enzima libero è massimizzato dall'avere un alto valore di KM che vuol dire che avere quanto più enzima possibile nello stato libero. Ciò è una conseguenza della Michaelis Menten riscritta come v =[E][S] k_cat/ K_M.

Gli enzimi chiave dei processi metabolici hanno spesso un basso KM ce può essere di vantaggio per il primo enzima di un ciclo metabolico. Infatti questo regola l'entrata del materiale nel percorso operando in un vasto campo di concentrazione di substrato in quanto opera sempre alla velocità massimale.

Meccanismo molecolare per l'utilizzazione dell'energia di legame

La tensione è un concetto che implica che nel legarsi all'enzima il substrato in qualche modo si deformi verso lo stato di transizione.

La stabilizzazione dello stato di transizione è un concetto più moderno; afferma che non è il substrato ad essere distorto quanto lo stato di transizione a creare interazioni migliori con l'enzima di quanto faccia il substrato stesso, per cui l'energia di legame non è acquisita del tutto fintantochè non si raggiunge lo stato di tranzione.

L'adattamento indotto assume che il sito attivo di un enzima non è complementare a quello dello stato di tranzione in assenza del substrato. Tali enzimi avranno un più basso valore di k_cat/K_M, poichè una parte dell'energia di legame deve essere usata per favorire i cambiamenti conformazionali nell'enzima. L'adattamento indotto aumenta KM senza aumentare Kcat.

E' improbabile che sia a disposizione energia di legame sufficiente a deformare il substrato verso lo stato di transizone. E' possibile che substrato ed enzima interagiscano in modo sfavorevole e che questa interazione negativa sia persa nella formazione dello stato di transizone. Si può supporre che il substrato sia soggetto a forze ma non è distorto da esse. E' più probabile che sia l'enzima ad essere in tensione come nell'adattamento indotto.

Adattamento indotto

La esochinasi catalizza la fosforilazione del glucosio con ATP.

Il legarsi del glucosio all'enzima induce cambiamenti conformazioneali maggiori. Adattamento indotto: esochinasi. I due substrati sono condotti vicino nel sito attivo da un cambiamento di conformazione.

Un adattamento indotto atipico e quello all'interfaccia acqua olio di una lipasi che idrolizza il legame estere dei lipidi. Questi enzimi non mostrano alcuna attività con substrati solubili in acqua e idrolizzano substrati presenti all'interfaccia acua lipide. L'attivazione della lipasi all'interfaccia è il risultato di un adattamento indotto causato dall'enzima che si lega all'interfaccia. Questo cambio conformazionale espone all'esterno il sito attivo.