Biochimica ed elementi di nutrizione - parte 1

E + S ES EP E+ P

⇄ ⇄ ⇄

Gli enzimi sono catalizzatori e aumentano la velocità della reazione. L’equilibrio tra S e P dipende dal loro

livello di energia libera allo stato basale. L’enzima va a interagire con il substrato andando a formare il

complesso enzima+substrato poi i prodotti, rimanendo inalterato.

L’enzima non “crea” una reazione ma ne accelera una che esiste già: reazione enzimatica = reazione chimica

Gli enzimi, cioè, accelerano il raggiungimento dell’equilibrio di una

reazione ma non modificano la sua posizione che dipende solo dalla

differenza di energia libera tra i reagenti e i prodotti.

Perché la reazione sia spontanea è necessario che l’energia libera (ΔG°’)

dei prodotti sia minore di quella dei reagenti. Le reazioni che

necessitano di ATP sono reazioni che avvengono anche con ΔG

sfavorevole (reazione non spontanea).

Il ΔG è utile per comprendere il funzionamento degli enzimi, durante una reazione chimica è sempre

associata una variazione di energia: ΔG = G(prodotti)-G(reagenti):

ΔG<0 la trasformazione dei reagenti nei prodotti avviene spontaneamente (reazione esoergonica)

ΔG=0 la reazione è all’equilibrio

ΔG>0 la trasformazione dei reagenti nei prodotti non avviene spontaneamente (reazione endoergonica)

Condizione standard prevedono concentrazione di reagenti e prodotti pari a 1 M, inoltre, se non

diversamente specificato, si fa riferimento a sistemi a pressione atmosferica e a temperatura di 25 °C. Gli

enzimi sono catalizzatori estremamente specifici enzima e substrato sono complementari tra di loro.

Durante la catalisi (stato di transizione) si formano interazioni tra enzima e substrato, principalmente deboli:

legami a idrogeno, ionici, elettrostatici, idrofobici, ma anche covalenti, ognuna delle

quali è accompagnata da un piccolo rilascio di energia libera (energia di legame ΔG).

L’energia dello stato di transizione rappresenta la soglia energetica da superare

affinché una reazione possa avvenire.

Come ogni catalizzatore, al termine della reazione l’enzima torna allo stato iniziale.

La quantità di enzima rispetto a quella del substrato, infatti, è estraneamente più

bassa. 44

7.3 Cinematica enzimatica: Michaelis e Menten

La cinetica enzimatica studia la velocità della reazione e come la velocità stessa varia in risposta a

modificazioni dei parametri.

Uno dei parametri chiave che modificano la velocità di una reazione catalizzata da un enzima purificato è la

concentrazione del substrato [S].

Lo studio degli effetti del substrato è complicato, in quanto la concentrazione di quest’ultimo varia nel corso

di una reazione, man mano che il substrato viene convertito in prodotto.

A concentrazioni basse di substrato, la velocità aumenta

in modo lineare con l’aumento di [S], mentre a

concentrazioni di substrato più elevate, la velocità

aumenta in misura sempre minore, in funzione

dell’aumento di [S].

Alla fine, si arriva ad un punto in cui gli aumenti di velocità

in funzione di [S] diventano di entità sempre minore.

In questa regione più piatta della curva, la velocità della

reazione si avvicina alla velocità massima Vmax.

La Vmax è la quantità massima di prodotto formato, è il

momento in cui si raggiunge il plateau.

Michaelis e Menten ipotizzarono che l’enzima innanzitutto si combina in modo

reversibile con il substrato, formando il complesso enzima- substrato in una tappa

veloce e reversibile.

Il complesso ES si decompone, poi, in una seconda tappa più lenta, che

produce l’enzima libero e il prodotto di reazione P.

La seconda reazione è più lenta e quindi limita la velocità della reazione complessiva.

La velocità della reazione complessiva deve essere quindi proporzionale alla

concentrazione delle specie chimiche che reagiscono nella seconda tappa, e cioè a ES.

In qualsiasi istante di una reazione catalizzata, l’enzima è presente in due forme: forma

libera E e quella combinata con il substrato ES.

Quando la concentrazione di substrato [S] è bassa, la maggior parte dell’enzima sarà nella forma libera E.

Quindi la velocità è proporzionale a [S] dato che, mano mano che [S] tende ad aumentare, viene favorita la

formazione del complesso ES.

La velocità iniziale massima della reazione catalizzata (Vmax) si osserva quando tutto l’enzima è presente

nella forma di complesso ES e la concentrazione di E libero diventa trascurabile.

In queste condizioni l’enzima è saturato con il suo substrato e quindi ulteriori aggiunte di substrato non

avranno effetti sulla velocità di reazione. Questa condizione si ha, però, quando la concentrazione di

substrato [S] è sufficientemente elevata da mantenere sempre tutto l’enzima nella forma di complesso ES.

Quando il complesso ES si dissocia e si forma il prodotto P, l’enzima torna libero e pronto ad iniziare un altro

ciclo catalitico.

L’effetto saturante del substrato è una proprietà caratteristica dei catalizzatori enzimatici ed è responsabile

dell’appiattimento della curva nell’immagine. Questo comportamento viene anche detto cinetica di

saturazione. Quando l’enzima viene prima mescolato con un grande eccesso di substrato, c’è un periodo

iniziale, detto stato pre-stazionario, durante il quale avviene la formazione di ES, ma questo avviene in un

periodo eccessivamente breve ed è impossibile visualizzarlo. La reazione raggiunge rapidamente lo stato

stazionario in cui [E] ed [ES] rimangono approssimativamente costante nel tempo.

Nella parte iniziale, dove in tempo si misura in

millisecondi, è quello che viene chiamato stato

pre-stazionario (graifco); nello stato stazionario

le concentrazioni di E e del complesso ES posso

ritenerle costanti.

La relazione tra concentrazione di substrato e

velocità della reazione enzimatica può essere

espressa in modo quantitativo. 45

7.3.1 Definizione di KM

Il valore di km è equivalente alla concentrazione del substrato a cui V è

0

metà della Vmax: Km = 1/2Vmax.

L’equazione di Michaelis-Menten descrive il comportamento cinetico di

molti enzimi, ovvero tutti gli enzimi che presentano una relazione di tipo

iperbolico tra velocità della reazione catalizzata e concentrazione del

substrato.

La regola pratica che Km = [S] quando V0 = ½ Vmax è valida per tutti gli

enzimi che seguono la cinetica di Michaelis- Menten.

Se un enzima ha una km bassa è più affine per il substrato perché raggiunge prima metà della Vmax.

Quindi il km per gli enzimi che seguono la cinetica di Michaelis e Menten è un’indicazione dell’affinità

dell’enzima per il substrato. Il km è inversamente proporzionale all’affinità. Più basso è il km, maggiore è

l’affinità dell’enzima per il substrato (più presto raggiungo la Vmax della reazione).

Inoltre, il km è anche un’indicazione della concentrazione di quella molecola nel sito biologico.

Nella cinetica di Michaelis e Menten la velocita di reazione dipende:

Concentrazione del substrato,

- efficienza di un enzima, forma tanto prodotto in bassa

Vmax:

- unità di tempo (sec )

-1

Costante di Michaelis e Menten K , con K e K che sono costanti

- M -1 2

di scissione del complesso ES; mentre K è la costante di

1

formazione del complesso ES.

K → affinità dell’enzima con il substrato, l’enzima più affine ha la

- M

K più bassa; più alta è la K minore è l’affinità dell’enzima per il

M M

suo substrato.

L’equazione ottenuta corrisponde a quella di un’iperbole e può essere

considerata un esempio di modello matematico che descrive, con le

opportune approssimazioni, un modello biologico.

7.4 Isoenzimi e Complessi Enzimatici

Gli isoenzimi hanno la stessa attività catalitica ovvero , ma in compartimenti

catalizzano la stessa reazione

cellulari diversi o in cellule che appartengono a tessuti diversi.

Quindi hanno anche la stessa nomenclatura, ma agiscono in luoghi diversi, a seconda del tessuto in cui si

trovano catalizzano la stessa reazione, ma in modi diversi, ovvero con proprietà cinetiche diverse.

Ciò fondamentalmente avviene in quanto nella loro struttura primaria hanno piccole differenze

amminoacidiche che sono in grado di conferire a questi enzimi delle

caratteristiche differenti.

Esempio esochinasi: realizza la trasformazione del glucosio in glucosio 6

fosfato ed è un enzima ubiquitario presente in tutte le cellule con una km

millimolare. Esiste un’altra isoforma di questo enzima, la glucochinasi, che è

presente nel muscolo e nelle cellule epatiche con una km micromolare. Se è

presente un’elevata concentrazione di glucosio nel sangue, interviene la

glucochinasi che lavora con una km più elevata rispetto all’esochinasi.

Quindi gli isoenzimi sono proteine catalitiche che hanno proprietà cinetiche

diverse, ma catalizzano le stesse reazioni in zone diverse, con diverse

modalità.

I Complessi Enzimatici come la piruvato deidrogenasi è formata da tre enzimi e cinque diversi coenzimi

che si associano a formare un complesso enzimatico; catalizza la trasformazione del piruvato in acetil Co -A.

Sono gruppi di enzimi legati non covalentemente tra di loro che catalizzano due o più passaggi successivi

lungo una via metabolica. Rappresentano un miglioramento dell’efficienza catalitica perché essendo molto

vicini tra di loro catalizzano meglio, da un punto di vista evolutivo sono più efficienti.

Hanno una migliore catalisi, quindi riduzione dei tempi di diffusione di un intermedio da un enzima all’altro;

Regolazione ed espressione coordinate: attraverso la regolazione di una singola entità nel complesso

enzimatico è possibile regolare tutto il processo metabolico. 46

7.5 Classificazione degli Enzimi

Gli enzimi sono classificati in base alla reazione catalizzata, ciascun enzima è

identificato da un codice a 4 cifre, dove la prima cifra indica la classe, la seconda

cifra indica la sottoclasse, la terza la sotto-sottoclasse e la quarta, l’ordine progressivo di scoperta. In totale

le classi sono 6: 1.-.-.- ossidoreduttasi; 2.-.-.- transferasi; 3.-.-.- idrolasi; 4.-.-.- liasi; 5.-.-.- isomerasi; 6.ligasi

1) Ossidoreduttasi: enzima che catalizza il trasferimento di

elettroni (RedOx) da una molecola detta riducente, ad un’altra,

detta ossidante.

a. Deidrogenasi: catalizzano reazioni di ossidoriduzione che ve