Biochimica II - dalle proteine che legano l'ossigeno alle vitamine

Caratteristiche degli enzimi

Gli enzimi presentano delle caratteristiche che li rendono tali: velocizzano la reazione, agiscono anche se sono in piccole quantità rispetto al substrato, non risultano modificati alla fine della reazione. Inoltre alcune caratteristiche degli enzimi come catalizzatori biologici sono: specificità di reazione e di substrato, azione catalitica in condizioni più normali (T<100°C, Patm, pH neutro tranne alcuni enzimi), funzione regolabile. Gli enzimi sono anche stereospecifici, in quanto riconoscono gli isomeri delle molecole chirali riconoscendo le posizioni dei sostituenti.

Terminologia degli enzimi

Alcuni enzimi svolgono la loro funzione con la sola componente proteica, altri necessitano di una componente non proteica, un cofattore, formando delle proteine coniugate dette loenzimi. Se il cofattore viene allontanato l'enzima non funzionante viene chiamato apoenzima. Se il cofattore è uno ione metallico si formano metalloenzimi, se il cofattore...

è una molecola organica essa prende il nome di coenzima e se è legato all'enzima in modo stretto prende il nome di gruppo prostetico. I coenzimi derivano dalle vitamine del gruppo B.

3.3. Classificazione

Gli enzimi si dividono in sei classi che catalizzano tipi di reazioni differenti.

1. Ossidoreduttasi → ossidoriduzioni
2. Transferasi → trasferimento di gruppi chimici
3. Idrolasi → idrolisi
4. Liasi → eliminazione di gruppi per formare doppi legami
5. Isomerasi → isomerizzazioni
6. Ligasi → formazione di nuovi legami chimici

In ogni classe esistono sotto classi e sotto sotto classi all'interno delle quali si hanno i singoli enzimi che catalizzano singole reazioni. Ogni enzima ha una diversa nomenclatura, un nome corrente dato al momento della scoperta e un nome sistematico attribuito ufficialmente composto dal substrato e dal tipo di reazione catalizzata col suffisso -asi.

3.4. Classe 1: Ossidoreduttasi

Sottoclasse Deidrogenasi → agiscono

ridotta FADH₂. Sottoclasse Ossidasi → che rimuovono due atomi di idrogeno utilizzando ossigeno come agente ossidante producendo perossido di idrogeno. Sono enzimi poco comuni ma presenti all'interno dei perossisomi.

Sottoclasse Ossigenasi → inseriscono atomi di ossigeno da ossigeno molecolare come ossidante. Si dividono in monossigenasi (idrossilasi) ediossigenasi, che legano rispettivamente uno o due atomi di ossigeno. Le monossigenasi necessitano di una molecola che cede atomi di idrogeno in quanto l'ultimo atomo di ossigeno forma una molecola di H₂O.

Sottoclasse Perossidasi → eliminano dall'ambiente il perossido di idrogeno utilizzandolo come agente ossidante. Sono enzimi utili per evitare l'azione fortemente ossidante dell'H₂O₂ senza controllo.

Sottoclasse Reduttasi → catalizzano riduzioni nelle quali un donatore di atomi di idrogeno (spesso NADH+H⁺) si ossida permettendo la riduzione del substrato.

Classe 2: Transferasi

trasferiscono i gruppi chimici da un donatore a un accettore.

Sottoclasse Amminotransferasi → il donatore del gruppo amminico è un amminoacido e l’accettore è solitamente α-chetoglutarato producendo glutammato e l’α-chetoacido dell’amminoacido di partenza. Utilizzano come coenzima il piridossalfosfato che presenta un gruppo aldeidico che può legare il gruppo amminico.

Sottoclasse Fosfotransferasi → comunemente chiamate chinasi, trasferiscono gruppi fosfato dall’ATP al substrato fosforilandolo.

Sottoclasse Metiltransferasi → trasferiscono un gruppo metilico dalla S-adenosilmetionina, che forma S-adenosil omocisteina, al substrato metilandolo.

Sottoclasse Transchetolasi/Transaldolasi → trasferiscono frammenti bicarboniosi e tricarboniosi che presentano il gruppo carbonilico. Utilizzano come coenzima il TPP derivante dalla vitamina B1. Reagisce sul carbonio 2 dell’anello tiazolico in quanto l’idrogeno è

acido cedibile formando un carbanione.

3.6. Classe 3: Idrolasi

Solitamente non necessitano coenzimi e prendono il nome dal legame che idrolizzano (esterasi, glicosidasi, peptidasi, fosfatasi…)

3.7. Classe 4: Liasi

Sottoclasse Decarbossilasi → allontanano CO dal substrato rimuovendo un gruppo carbossilico. Utilizzano vari coenzimi a seconda del substrato da decarbossilare.

Sottoclasse Deidratasi → eliminano una molecola d’acqua formando un doppio legame nel substrato.

Sottoclasse Sintasi → permettono la condensazione di due molecole senza consumo diretto d’energia che viene fornita direttamente da una delle due molecole condensate.

3.8. Classe 5: Isomerasi

Sottoclasse Isomerasi → catalizzano isomerizzazioni di gruppo, come da chetone ad aldeide

Sottoclasse Epimerasi → catalizzano reazioni di epimerizzazione.

Sottoclasse Mutasi → catalizzano isomerizzazioni strutturali trasformando il substrato in un isomero strutturale.

3.9. Classe 6: Ligasi

Formano legami

covalenti con consumo diretto d'energia.

Sottoclasse Sintetasi → sintetizzano con consumo di ATP

Sottoclasse Carbossilasi → permettono di addizionare CO con consumo di ATP.

Utilizzano come coenzima biocitina (biotina legata ad una catena di Lys) oppure vitamina K.

4. Catalisi enzimatica

La catalisi avviene nel sito attivo, formato come una tasca dalle catene laterali degli amminoacidi che lo compongono. Durante questo processo si può formare un complesso enzima-substrato (ES) secondo due modelli.

Modello Chiave-Serratura di Fischer → il substrato si lega al sito attivo che è già complementare ad esso formando il complesso ES. Si ha una reazione più lenta a causa della stabilizzazione del substrato dovuta alla complementarietà.

Modello dell'adattamento indotto di Koshland → il substrato induce un cambiamento conformazionale dell'enzima che si adatta al complesso ES che deve formarsi. La reazione avviene più velocemente.

Grazie alla stabilizzazione del complesso ES rispetto al substrato. A livello energetico una reazione passa per uno stato di transizione instabile e l'energia necessaria per raggiungerlo è l'Ea della reazione, un enzima riduce l'Ea senza influenzare l'energia libera della reazione aumentando quindi la velocità della reazione. All'interno del sito attivo viene stabilizzato lo stato di transizione riducendo l'Ea, uno strato di molecole d'acqua espulse favorisce la solvatazione riducendo ulteriormente l'Ea. Il sito attivo presenta inoltre gruppi reattivi e cofattori che contribuiscono alla catalisi.

4.1. Meccanismi di catalisi

Catalisi di prossimità → i gruppi reattivi e i substrati si avvicinano e vengono orientati nel modo corretto. Tramite catalisi elettrostatica viene stabilizzato lo stato di transizione distribuendo le cariche elettriche, si ha riduzione entropica bloccando i movimenti dei gruppi reattivi e attuano

desolvatazione rimuovendol’acqua attorno al substrato.

Catalisi acido-base → modificano il substrato grazie a reazioni acido-base, si+ -definisce specifica se si scambiano H O e OH derivanti dall’acqua oppure3generale se i gruppi acidi e basici derivano dalle catene laterali degliamminoacidi.

Glu e Asp si comportano da basi, Lys e Arg si comportano da acidi, His subiscecambiamenti di protonazione ai minimi cambiamenti di pH, Ser e Tyr presentanoun OH che produce un alcossido stabilizzato che agisce da nucleofilo.

Catalisi covalente → si formano legami covalenti temporanei tra E e S. Unesempio è la decarbossilazione dell’acetoacetato che sfrutta la formazione di unabase di Schiff che stabilizza l’enolato che si forma come stato di transizione.

Catalisi con metallo → i metalloenzimi necessitano di ioni metallici comecofattori che agiscono legando i substrati, scambiando elettroni effettuando2+ossidoriduzioni e stabilizzando le cariche elettriche opposte.