Enzimi

Enzimi

Gli enzimi sono catalizzatori proteici, ovvero sostanze in grado di accelerare determinate reazioni. Nelle nostre cellule, gli enzimi sono principalmente:

• Proteine evolutesi per la specifica funzione di catalizzare le reazioni biochimiche che avvengono nelle cellule aumentandone la velocità di reazione. Sono perciò costituite da una struttura primaria, secondaria o terziaria e sono composti da amminoacidi. In realtà, esistono anche molecole RNA che si comportano da enzimi e in questo caso si parla di ribozimi.
• Controllo di tutti i processi metabolici.

Una proteina è definita da cos'è:

• PM
• Composizione aminoacidica
• Dimensioni e forma (struttura)

Un enzima è definito da cosa fa:

• Reazione catalizzata
• Specificità substrato/prodotto
• Meccanismo catalitico con cui il substrato viene trasformato in prodotto

Reazione catalizzata dall'enzima

E + S ↔ ES → E + P

L'enzima si combina con il substrato S formando il complesso enzima-substrato ES in una tappa veloce e reversibile. Nella seconda tappa, spesso più lenta, il complesso ES si decompone per dare il prodotto P più l’enzima libero E. L’enzima non si consuma. La reazione è veloce e reversibile.

(S ↔ P reazione non catalizzata)

Attività enzimatica

È espressa in base alla velocità della reazione promossa dall’enzima. È misurata da due unità di misura:

• Katal (SI): quantità di enzima che converte 1 mol di substrato in 1 sec
• Unità internazionale (IU): quantità di enzima che converte 1 μmol di substrato in 1 min

Proprietà

Il sito attivo è la parte dell'enzima in cui si lega il substrato. Per effetto dell'enzima, questo substrato viene trasformato in un prodotto. In questo sito avviene la catalisi. Viene definito come tasca più o meno interna all'enzima e deve essere complementare al substrato.

Specificità: ogni enzima è in grado di legare uno o pochi substrati. Per questo motivo si dice che gli enzimi sono molto specifici. Dovuto alla complementarietà tra enzima e substrato. Le interazioni che vengono a originarsi possono essere: legami H, elettrostatici, interazioni idrofobiche e in alcuni casi anche legami covalenti. A seconda di queste interazioni si hanno diversi meccanismi di catalisi.

Efficienza catalitica: l'enzima aumenta la velocità di reazione: 10⁸ - 10¹⁰ superiore della velocità di reazione non catalizzata.

• Numero di turnover: numero di molecole di substrato convertire in prodotto da una molecola di enzima. Mi dà l'idea dell'efficienza catalitica.

Cofattori

Di natura non proteica. Gli enzimi infatti non lavorano mai da soli. Ci sono molecole che aiutano l'enzima nella sua funzione. Sono classificati in due gruppi:

• Ioni metallici (Zn²⁺, Fe²⁺ …)
• Molecole organiche: se di natura organica sono chiamati coenzimi. I più importanti sono piridinici (NAD) e flavinici (FAD) e il Coenzima A. Molti di questi coenzimi hanno all'interno della loro struttura delle vitamine. NAD: miocina, FAD: lipoflavina. Importanza delle vitamine nel funzionamento dei coenzimi.

Regolazione

Dell'attivazione o dell'inibizione dell'enzima. Gli inibitori. Gli enzimi perciò non sono sempre in funzione. Le vie metaboliche si dividono in:

• Vie cataboliche: vie di degradazione.
• Vie anaboliche: vie di sintesi.

Queste non possono avvenire contemporaneamente. In entrambe le vie ci sono degli enzimi che perciò vengono attivati o inibiti o da molecole organiche o da inibitori (ad esempio farmaci).

Localizzazione intracellulare

Ciò significa che gli enzimi hanno una diversa compartimentazione in specifici organelli cellulari. In base a dove avviene una via metabolica.

Nomenclatura

Da cosa fa: es. reazione catalizzata

• Acido lattico + NAD ↔ piruvato + NADH + H⁺

Semplicemente acido lattico deidrogenasi, lattato deidrogenasi, 2-idrossipropionato deidrogenasi, 2-idrossipropionato:NAD ossidoreduttasi.

Il nome comune non risultava univoco perciò nel 1972 si sono adottati tre nomi per ciascun enzima:

• Nome comune (es. lattato deidrogenasi) substrato + tipo di reazione catalizzata
• Nome sistematico: più specifico, meno ambiguo (es. Lattato: NAD ossidoreduttasi)

Il nome sistematico è composto da due parti:

• Nome del substrato (o dei substrati) o prodotto.
• Nome specifico del processo catalizzato in “asi”.

Enzyme Commission (EC) numeric designation: EC number, è un numero univoco per ogni enzima. EC. n1, n2, n3, n4 (es. L-lattato:NAD ossidoreduttasi EC.1.1.1.27)

• n1: è il più importante perché classifica gli enzimi in 6 classi di reazione:
• 1. Ossidoreduttasi
• 2. Transferasi
• 3. Idrolasi
• 4. Liasi
• 5. Isomerasi
• 6. Ligasi
• n2: indica delle sottoclassi specifiche per ogni classe precedente. es. per EC 1.n2 specifica il gruppo chimico donatore di elettroni

Suffissi importanti

• Chinasi: le chinasi sono enzimi che inseriscono un gruppo fosfato su un determinato substrato. Sono reazioni di fosforilazione del substrato. Sono chiamate chinasi o fosfatasi
• Deidrogenasi: enzimi che catalizzano le reazioni di ossidoriduzione quindi ci deve sempre essere un substrato che si ossida o si riduce e quindi deve essere presente una coppia (substrato si ossida/altra molecola che si riduce).
• HMG-CoA reduttasi: è un enzima che interviene nella sintesi del colesterolo. Viene inibito dalle statine nei farmaci (problemi di accumulo del colesterolo). Affinché questo enzima sia attivo deve essere fosforilato. HMG-CoA reduttasi-chinasi la fosforila. HMG-CoA reduttasi-chinasi-chinasi fosforila quella precedente. Per questo viene affibbiato l'EC number al nome degli enzimi.

Termodinamica, cinetica e meccanismo di reazione degli enzimi

Gli enzimi agiscono sulla cinetica di reazione ma non sulla termodinamica. Essi influenzano sull'equilibrio della reazione. S ↔ P

1. What? È una reazione che avviene o non avviene? La risposta ci viene fornita dalla termodinamica, scienza che studia l’energia.

Energia libera di Gibbs ΔG

Sia le molecole di S che le molecole di P hanno una determinata energia. Questa è legata ai legami presenti nella molecola. S può trasformarsi in P quando l’energia dei prodotti è minore di quella del substrato. Questa reazione avviene quando: G prodotti > G substrato. Esiste perciò una variazione di energia libera data da:

ΔG = G prodotti – G substrato

• Se ΔG > 0 la reazione non è spontanea, sfavorita termodinamicamente. La reazione non avviene.
• Se ΔG < 0 la reazione procede nel verso ed è spontanea.
• Se ΔG = 0 la reazione è all’equilibrio: tanto substrato diventa P quanto P diventa substrato.

Grafico delle coordinate di reazione

G in funzione della coordinata di reazione (andamento della reazione). Le molecole di S hanno un determinati valore di G come le molecole di P ma minore. Questa differenza è chiamata ΔG. È la termodinamica che mi dice se la reazione avviene o non avviene. Il substrato S si trasforma in un intermedio che viene chiamato S* che è uno stato di transizione. Questo avviene perché affinché S si trasformi in P ci sono dei legami che si devono rompere e altri che si devono formare, si devono muovere delle cariche. Si forma un intermedio che è un intermedio instabile e perciò con valore energetico molto altro. S deve quindi superare una barriera energetica per poter diventare P.

2. When? Termodinamica. È determinato dallo stato di transizione. Ogni reazione ha un valore più o meno altro di S*. Più è basso, più la reazione sarà veloce: più molecole di substrato raggiungeranno il valore di s*. Gli enzimi modificano questo salto di energia chiamato energia di attivazione. Essi vanno a diminuire l’energia di attivazione: il salto che c’è tra energia del substrato e energia dello stato intermedio di reazione.

3. How? Diversi meccanismi di catalisi enzimatica. Valore di ΔG standard valutato in concentrazione standard di 1M dei reagenti. Poiché anche il pH, ovvero la concentrazione degli ioni H+ può influenzare la reazione.