Enzimi e cinetica enzimatica, Biochimica

Enzimi

Biagio Flavietti

Energia di attivazione

Affinché una reazione chimica possa avvenire portando alla formazione di prodotti a partire da reagenti, devono esserci degli elementi fondamentali:

• Le molecole che devono reagire devono avere un giusto orientamento nello spazio.
• Devono avvenire collisioni tra i reagenti, in modo che questi ultimi acquistino l’energia necessaria e sufficiente per rompere vecchi legami e formarne di nuovi.

La barriera energetica che divide i reagenti dal divenire prodotti si chiama energia di attivazione (determina la velocità della reazione).

Infatti, più è alta l’energia di attivazione, più la barriera energetica da scavalcare sarà alta e così la reazione sarà più lenta e viceversa. Se non si raggiunge il livello necessario a superare la barriera energetica, la reazione non avverrà.

Definizione di enzima

Per far avvenire più velocemente queste reazioni, si possono usare degli enzimi, che fanno sì che il reagente raggiunga prima l’energia di attivazione.

Quindi possiamo definire l’enzima come un catalizzatore biologico che abbassa l’energia di attivazione e quindi aumenta la velocità di reazione, senza però modificare l’equazione della reazione.

In realtà, per superare la barriera, basterebbe anche un aumento di temperatura, che però nel nostro corpo non può avvenire.

Generali su un enzima

• Si combina transitoriamente con un substrato.
• Abbassa l’energia di attivazione.
• Non sposta l’equazione di reazione.
• Non subisce modificazioni permanenti.
• Dopo la reazione è di nuovo disponibile.

Come si lega l’enzima

L’enzima si lega al suo reagente, detto substrato, con cui instaura legami chimici di un certo valore energetico, ed è questo valore energetico a far aumentare l’energia del reagente.

Alla fine l’enzima romperà i legami che lo tengono unito al reagente e tornerà allo stato iniziale, pronto per una nuova catalizzazione.

Le interazioni che l’enzima instaura con il reagente sono del tipo debole, circa 10 a.a., ma sommandosi formano un legame ad alta energia, energia utile al reagente per superare la barriera di attivazione e trasformarsi in prodotto.

Enzima-substrato

Il legame enzima-substrato è un’interazione specifica per far avvenire la reazione.

Infatti ogni enzima riconosce il suo substrato specifico da legare, per far avvenire al meglio la reazione.

Enzima: proteina con alta specificità per il suo substrato.

Gruppi R

In una proteina non tutti i gruppi R sono interessati alla struttura, altri sporgono liberi fuori dalla struttura stessa e sono questi che creano le interazioni deboli con il substrato.

I gruppi R liberi sono sparsi sulla superficie anche a notevoli distanze uno dall’altro.

Di solito formano però una sacca, dove avverrà il legame con il substrato, ma se il reagente è troppo grande da non entrare nella tasca, farà entrare solo una parte necessaria al legame.

Enzimi semplici o complessi

• Proteina semplice: solo a.a.
• Proteina coniugata o complessa: struttura proteica + cofattore.

Elementi inorganici: ioni Fe²⁺ e Mg²⁺ hanno carica + che interagisce con carica − dell’ATP.

Coenzima formato da vitamine o nucleotidi, elementi organici (C, N, O). Ogni coenzima ha quasi sempre una parte vitaminica e se questa è legata covalentemente allora si può chiamare gruppo prostetico.

“Una proteina complessa senza cofattore non fa avvenire la reazione o la fa avvenire più difficilmente.”

Enzimi specifici per reazioni

1. Ossidoreduttasi: trasferimento di elettroni.
2. Transferasi: trasferimento di gruppi, il nome cambia in base al gruppo.
3. Idrolasi: idrolisi di legami.
4. Liasi: addizione di gruppi a doppi legami o a risonanze di gruppi formati da doppi legami.
5. Isomerasi: trasferimento di gruppi all’interno della stessa molecola con formazione di isomeri.
6. Ligasi: formazione di legami per condensazione.

Nomenclatura degli enzimi

Gliceraldeide 3 fosfato deidrogenasi

Suffisso “ASI”

(1) Nome del substrato. Tipo di reazione catalizzata, in questo caso ossidoriduzione.

Se è presente si aggiunge anche il coenzima.

Complesso enzima-substrato

E + S → ES

Le interazioni tra le due molecole coinvolgono una zona detta “sito attivo”, composto da circa 10 a.a. che vanno a formare il sito di legame per il substrato e il sito catalitico per la trasformazione chimica del substrato. Questi due siti possono essere lo stesso sito o essere vicini.

In passato si pensava che l’enzima e il suo substrato dovessero essere perfettamente complementari, interazione chiave-serratura; invece con gli studi si è scoperto che non devono per forza essere “perfettamente complementari”, poiché questa concezione dà un senso di staticità delle molecole, cosa fisiologicamente impossibile.

Quindi è nata un’altra teoria, che sostituisce quella chiave-serratura, che è la teoria dell’adattamento indotto.

Questa teoria nasce dal fatto che si è vista l’interazione di alcuni enzimi con dei substrati e si è visto come sia il substrato, ma anche l’enzima, si adattassero tra loro, per interagire nel modo migliore e produrre il prodotto finale.

Di solito è l’enzima a cambiare di poco la sua forma per adattarsi al substrato, in modo reversibile; invece si è visto che anche il substrato si adatta all’enzima, tipo esponendo meglio i gruppi R, e queste variazioni sono irreversibili e permanenti, tanto è che è così che si inizia a ottenere la formazione del prodotto.

Reazioni chimiche

• Stato fondamentale: reagenti.
• Stato di transizione: specie chimiche con legami non completamente formati.
• Intermedi: specie chimiche con legami completamente formati.
• Prodotti.

Lo stato di transizione è uno stadio intermedio tra la struttura del substrato e quella dei prodotti e le migliori interazioni enzima-substrato si verificano proprio in questo stadio.

Cinetica enzimatica

È lo studio della velocità delle reazioni enzimatiche tenendo conto della:

• Concentrazione variabile di substrato: quanto prodotto si forma in un’unità di tempo a seconda della quantità di substrato. Quota enzima fissa.
• Temperature: reazione a che temperatura avviene meglio, cellule sempre uguale.
• pH: quasi sempre costante.
• Presenza di attivatori o inibitori.

Quindi noi possiamo velocizzare o bloccare una reazione modificando i seguenti parametri di una reazione, scopo dei farmaci.

Cinetica di Michaelis-Menten

La cinetica di Michaelis-Menten descrive l'andamento della velocità di una reazione catalizzata da enzimi, al variare della concentrazione del substrato e dell'enzima. Questo modello, valido per enzimi non allosterici, fu proposto da Michaelis e Menten nel 1913.

Inibitori ed induttori enzimatici sono sostanze in grado di alterare la cinetica enzimatica.

Il modello cinetico spiega come all'aumentare anche di poco della concentrazione del substrato disponibile all'enzima, la velocità della reazione aumenti vertiginosamente fino al raggiungimento di un massimo, chiamato Vmax. In questo punto la reazione ha raggiunto la velocità massima possibile semplicemente perché è presente tanto substrato da saturare tutto l'enzima presente in soluzione, perciò un'ulteriore aggiunta di substrato non servirebbe in quanto non verrebbe più.

L'enzima libero, indicato dalla lettera maiuscola E, reagisce dapprima con il substrato S dando il complesso enzima-substrato, ES, il quale si scomporrà originando il prodotto della reazione en.

Fare clic per modificare gli stili del testo dello schema.

• Enzima.
• Enzima legato forma libera.
• Secondo livello.
• Terzo livello.
• Quarto livello.
• Quinto livello.

Reazione veloce di legame enzima-substrato, che può avvenire in un senso e nell’altro.

Reazione lenta, stadio limitante la velocità.

1. [sub] bassa: E libero, enzima man mano si lega al sub, quindi la velocità dipende dal substrato.
2. [sub] alta: E legato, enzima è tutto legato al substrato e quindi la velo