CINETICA CHIMICA

• Cinetica: studio della velocità di una reazione

• Scopo della Cinetica: comprendere il meccanismo della reazione, ovvero la sequenza delle tappe elementari che compongono una trasformazione chimica

PBA

PIIIBA 321

La velocità di una reazione ed il modo in cui essa varia inrisposta a condizioni diverse sono strettamente correlati almeccanismo della reazione. Per questo, studiando la cineticadi una reazione si possono avere informazioni sul suo meccanismo.

PA

Molecolarità di una reazione

PBA

PCBA

Unimolecolare

Bimolecolare

Trimolecolare

Ordine di una reazione

Akv

BAkv

CBAkv

PA

PBA

PCBA

Primo ordine

Secondo ordine

Terzo ordine

PbBaA

ba BAkvelocità

a= ordine rispetto ad A

a+b = ordine della reazione

PCBA

PCIBA velocelenta

BAkv

Molecolarità e ordine non devono necessariamentecoincidere

Secondo ordine

Trimolecolare

kdtAdA

1

Akdt

Adv

t

t

A

A

dtkAdA

t

00

1

ktAA t lnln 0

ktt eAA 0

PA k

ktA

A

t

0ln

Equazione di velocità di primo ordine

t (s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ln

(A0

/A)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

t (s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ln

(A0

/A)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

t (s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

t (s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ln

(A0

/A)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Ln

(A0

/A)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

ktA

A

t

0ln

tA

A 0ln

)(st

Pendenza = k

k = 2 s-1

k = t-1

ktt eAA 0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 50 1 2 3 4 5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 50 1 2 3 4 5

)(m

Mio

neC

once

ntra

z

)(sTempo

2/1

0ln ktA

A

ktAA 0lnln

2/1

2lnt

k 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 50 1 2 3 4 5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 50 1 2 3 4 5

)(m

Mio

neC

once

ntra

z

)(sTempo

t1/2 = costantet1/2

PA 2 2Akdt

Adv

kdtA

Ad2

t

t

A

A

dtkA

Ad

0

2

ktAA

0

11k = M-1t-1

Equazione di velocità di secondo ordine

02/1

1A

kt

CINETICA ENZIMATICA

1902 – Adrian Brown dimostrò che quando laconcentrazione del saccarosio è molto più altadi quella dell’enzima, la velocità della reazionediventa indipendente da quella del substrato:la velocità è di ORDINE ZERO rispetto al saccarosio

ESkdt

Pdv 2

ESkESkSEkdt

ESd211

fruttosioiogluOHsaccarosio invertasi cos2

EPESSE kk 21 1k

Non può essere integrata a meno diassunzioni semplificatrici

ASSUNZIONE DI EQUILIBRIO

1913 – Leonor Michaelis e Maude Menten, lavorandosu una precedente ipotesi di Victor Henri, assunsero chek-1>>k2, cioè che la prima tappa della reazione potesseraggiungere l’equilibrio.

MS KES

SE

k

kK

1

1

v VS

S Km0

max

Equazione di Michaelis - Menten

S

S Km

1

2

MKS ][

SK

SEES

ESEE

M

T

T

SK

SEkv

M

T

20

max0 2

1Vv

1) Fase pre-stazionaria

2) Fase stazionaria (quando la reazione ha

raggiunto un equilibriodinamico)

ASSUNZIONE DI STATO STAZIONARIO

FASI DI UNA REAZIONE CATALIZZATA DA UN ENZIMA:

(G.E Briggs e James B.S. Haldane)

EPESSE kk 21

1k

ESEE T

ESkkSESEk T 211

SK

SEES

M

T

1

21

k

kkKM

0

dt

ESdEPESSE kk 21

1k

ESkkSEk 211

GRAFICO DEI DOPPI RECIPROCI

L’equazione di Michaelis – Menten può essere trasformata in una equazionelineare rispetto a 1/v0

][

111

maxmax0 SV

K

Vvm

Il rapporto kcat/Km (costante di specificità) è una misura dell’efficienza cataliticadi un enzima:

kV

EcatTOT

max

La costante catalitica di un enzima (kcat) è il numero di cicli catalitici completatinell’unità di tempo. Viene anche chiamata “numero di turnover” di un enzima edè di fatto una frequenza.

S Km v VS

Km0 max v E k

S

KTOT catm

0 v E Sk

KTOTcat

m0

S

PKeq

PS fk rk

rf vv

fMTf KS

SEv

rMTr KP

PEv

eqcat

M

M

catK

k

K

K

k

r

P

S

f

EQUAZIONE DI HALDANE

INIBIZIONE

ENZIMATICA

INIBIZIONE COMPETITIVA

mKS

SVv

max0

maxmax0

111

vSv

K

vM

INIBIZIONE INCOMPETITIVA

mKS

SVv

'max0

maxmax0

'11

vSv

K

vM

INIBIZIONE MISTA

mKS

SVv

'max0

maxmax0

'11

vSv

K

vM

Vmax/’

KM/’

EFFETTO DEL pH

IDROLISI DELL’RNA CATALIZZATA DALL’RNasi

REAZIONI A DUE SUBSTRATI

Le reazioni a due substrati sono quasi sempre reazioni di trasferimento

A + B P + Q

P-X + B P + B-X

Il trasferimento può avvenire:

• tramite un singolo spostamento : REAZIONI SEQUENZIALI O A SINGOLO SPOSTAMENTO

• tramite un doppio spostamento: REAZIONI PING - PONG O A DOPPIO SPOSTAMENTO

REAZIONI A SINGOLO SPOSTAMENTO (o sequenziali)

In questo tipo di reazioni entrambi i substrati devono legarsi all’enzima affinché possa avvenire la reazione

1) Meccanismo casuale

2) Meccanismo ordinato

REAZIONI A DOPPIO SPOSTAMENTO (o ping-pong)

In questo tipo di reazioni un prodotto viene rilasciato prima che entrambi i substrati si siano legati

Bi Bi sequenziale ordinato

Bi Bi sequenziale casuale

Bi Bi a ping pong

Bi Bi a

ping pong

Bi Bi sequenziale

1) Meccanismo casuale

2) Meccanismo ordinato

I meccanismi sequenziale e a ping pong possono essere differenziatimediante studi di scambi isotopici (oltre che mediante studi cinetici)

Se il meccanismo è a ping-pong:

• Esperimento in cui oltre all’enzima è presente solo uno dei due substrati (A) insieme al primo prodotto rilasciato, marcato radioattivamente (P*)

(è assente !)

(la reazione si blocca qui)

(è assente !)

E + P-X E-X + P (A) (F)

P* + E-X E + P*-X (F) (A*)

EAP*

EP*A*

Si forma A* !!

Se il meccanismo è sequenziale:(è assente !)

(è assente !)

(è assente !)

NON SI PUO’ FORMARE A* !!

Esempio

1) Saccarosio fosforilasi

glucosio-fruttosio + fosfato glucosio-1-fosfato + fruttosio

glucosio-fruttosio + fruttosio* glucosio-fruttosio* + fruttosio

Esperimento di scambio isotopico:

Il meccanismo è a ping pong

1) Maltosio fosforilasi

glucosio-glucosio + fosfato glucosio-1-fosfato + glucosio

glucosio-glucosio + glucosio* glucosio-glucosio + glucosio

Esperimento di scambio isotopico:

Il meccanismo è sequenziale