Biologia animale e vegetale

MECCANISMO DI AZIONE DEGLI ENZIMI

-modello chiave serratura: siccome le proteine erano in quel tempo unici enzimi scoperti, per

formare il complesso enzima-substrato, il substrato doveva avere una struttura tridimensionale

complementare all’enzima e i due si sarebbero legati facendo avvenire la reazione. Questo spiegava

la specificità degli enzimi per alcuni substrati e reazioni.

-modello dell’adattamento indotto: studi più recenti hanno stabilito che questo è il più corretto.

L’enzima è tridimensionale e richiede una complementarietà ma non totale; infatti, dopo che si sono

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formate le prime interazioni tra amminoacidi e reagenti si ha una modifica di una porzione della

proteina che si adatta all’enzima. Questo ha portato alla scoperta del sito attivo nell’enzima, una

regione in cui il substrato va a legarsi. All’inizio c’è una parziale complementarietà e dopo che si

sono stabiliti i primi legami semplici poi il sito attivo si attacca al substrato che si modifica. Il ripiegamento

della proteina avvicina specifici amminoacidi (che nella sequenza lineare di un enzima sono spesso lontani

tra loro) formando il sito attivo. Se è mal ripiegato non si ha la reazione chimica.

-orientazione: favorisce l’incontro di due reagenti ponendoli nella giusta orientazione spaziale

-tensione fisica: favorisce la rottura del polisaccaride mettendolo nella giusta posizione per favorire l’arrivo

della molecola di acqua es. lisozima nel liquido lacrimale

-carica elettrica: può cedere cariche elettriche che favoriscono la rottura del legame peptidico.

Alla fine della reazione l’enzima ritorna immutato allo stato iniziale pronto a riniziare un’altra reazione.

Due parametri fondamentali alterano la capacità catalitica dell’enzima e quindi la velocità della reazione e

sono: la temperatura e i valori di ph che sono specifici per ogni enzima.

La maggior parte degli enzimi degli esseri viventi ha una temperatura ottimale di 37 gradi. Se questa viene

aumentata, la velocità di reazione diminuisce fino ad arrestarsi. I batteri termofili hanno invece

temperature ottimali molto elevate (le temperature ottimali vanno in base alle interazioni deboli che ad

alte temperature si rompono e si ha la denaturazione della proteina che quindi non è più funzionante).

A basse temperatura invece si ha il congelamento della proteina e non si ha il procedimento di

riconoscimento enzima-substrato. Ugualmente la variazione di ph altera le interazioni deboli. Altro

parametro è la concentrazione del substrato.

L’enzima si può regolare o modificando la sua capacità catalitica con inibizione o attivazione oppure

regolando l’espressione genica. Nei sistemi biologici la regolazione dell’enzima è sempre un processo

reversibile; le inibizioni non riversibili sono dovuti ad agenti chimici o farmaci o agenti tossici.

INIBIZIONE REVERSIBILE

Abbiamo due tipi di enzimi proteici, quelli allosterici e quelli non allosterici. In questi ultimi vi sono

due tipi di inibizione reversibile:

competitiva: la sostanza che funziona da inibitore blocca l’enzima e gli impedisce di formare il

complesso ES poiché ha una struttura simile al substrato che si va a legare al sito attivo. Di

conseguenza compete con il substrato. Posso bloccare un enzima con un inibizione competitiva

quando la concentrazione dell’inibitore è maggiore rispetto a quella del substrato. Vedo che sono

in presenza di questa inibizione perché si può rimuovere aumentando la concentrazione del

substrato.

non competitiva: vi sono due siti, uno attivo per il substrato e uno di regolazione dove si lega

l’inibitore che modifica il sito attivo e quindi il substrato non si lega e impedisce l’adattamento

indotto. Questa si elimina solo nel caso in cui si elimina l’inibitore.

Gli enzimi allosterici che hanno due conformazioni native differenti. Hanno sia degli attivatori che

inibitori. Gli attivatori si legano ad un sito specifico dell’enzima (NO sito attivo) e ne stabiliscono la

conformazione attiva. Gli inibitori stabilizzano invece la forma inattiva.

Spesso siamo in grado di regolare una via catabolica grazie alla presenza di enzimi allosterici. Si ha un

enzima chiave nella via catabolica di cui si va a modificare la struttura per poi regolare la velocità del

metabolismo. Ad esempio: nella sintesi dell’amminoacido isoleucina, una volta che questa si è formata

quando raggiunge concentrazioni discrete funziona da effettore allosterico negativo nei confronti del primo

enzima. Si va a legare nel sito specifico dell’enzima modificando la sua struttura e non rendendolo più in

grado di riconoscere la treonina. Meccanismo di feedback negativo (autoregolazione del prodotto stesso).

ESEMPIO DI CATABOLISMO: RESPIRAZIONE CELLULARE AEROBIA (respirazione carboidrati: glucosio)

Un catabolismo che permette di sottrarre energia dalle sostanze nutrienti trasformando il carbonio in

anidride carbonica. Reazioni di ossidoriduzione dove l’ossigeno è l’ossidante. A livello cellulare consumo

ossigeno e produco anidride carbonica, a livello polmonare si immette ossigeno e si toglie anidride

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carbonica. Si utilizza l’ossigeno per produrre ATP: glucosio+ossigeno—>biossido di

carbonio+acqua+energia.

Respirazione divisa in 4 fasi. La prima fase è la glicolisi, la seconda, terza e quarta (che avvengono nel caso

degli animali e piante nel mitocondrio) dove si ha consumo di ossigeno e produzione di anidride carbonica.

1.glicolisi: metabolismo anaerobio che avviene nel citoplasma e serve a rompere la molecola del glucosio in

una molecola più semplice. Si divide in due parti: una parte che comprende 5 reazioni chimiche (come

preparazione) e un’altra con altre 5 reazioni che portano alla formazione di ATP. Hanno bisogno di una fase

di preparazione perché spesso i nutrienti avendo energia potenziale elevata e dar luogo a reazioni

spontanee se non si stabilizzano restano lì. In questa prima fase di preparazione utilizzo due molecole di

ATP per creare dal glucosio uno zucchero a 6 atomi di carbonio modificato e ho quindi aumentato l’energia

potenziale della molecola. Questa molecola (fruttosio 1,6-bisfosfato) essendo instabile va incontro ad una

reazione di idrolisi che porta alla rottura della molecola a 6 atomi in due molecole a tre atomi di carbonio

(gliceraldeide 3-fosfato). Nella seconda fase queste due molecole sono substrato della prima reazione di

ossidazione del metabolismo, è una deidrogenazione che trasforma la molecola in acido piruvico. Si

formano due molecole di NADH e due di ATP. L’ATP si forma dal fatto che l’ADP si deve convertire in ATP e

ciò avviene da un meccanismo chiamato fosforilazione a livello del substrato. Il composto fosforilato

instabile che è in grado di cedere il suo gruppo fosfato all’ADP formando ATP.

2.formazione acetil-CoA: il piruvato presenta atomi di carbonio che devono essere trasformati in

anidride carbonica. La CO2 si forma all’interno del mitocondrio e quindi il piruvato in presenza di ossigeno

deve essere portato lì dove si svolgono le tre fasi della respirazione. Il piruvato deve quindi passare

attraverso le tre membrane, da quella esterna passa facilmente perché permeabile, e si accumula nello

spazio intermembrana, passa nella membrana interna tramite un simporto, un trasporto attivo indiretto

(piruvato e protoni). Il piruvato entra grazie ad un enzima e viene trasformato in acetil coenzima A tramite

una reazione di decarbossilazione ossidativa (ossida il piruvato staccando anidride carbonica). La CO2 si

libera e si forma NAD ridotto con parte degli elettroni (accumulati poi in un trasportatore temporaneo) e

parte dell’energia viene usata per formare un legame energetico tra carbonio e zolfo (acetil coenzima A)

3.ciclo di Krebs: l’acetil coenzima A entra nel ciclo di Krebs/ciclo dell’acido citrico per consentire

l’ossidazione degli atomi di C a CO2. I due atomi di C si vanno a legare ad un accettore chiamato

ossalacetato che ha 4 atomi di C (e quindi +2=6). Si forma quindi questo citrato che fa da supporto

per trasformare gli atomi di carbonio in CO2. Ci saranno quindi una serie di reazioni per formare l’accettore

iniziale (NADH e FADH2).

4.catena di trasporto degli elettroni/fosforilazione ossidativa: dove viene prodotta ATP. Il flusso di

elettroni che si genera dalla riossidazione dei composti NAD e FAD si accoppia con la fosforilazione di ADP.

Questa si chiama teoria semiosmotica. Il NAD e il FAD sono ridotti e possiedono tanta energia potenziale

(energia originaria del glucosio) che deve essere liberata. Se viene ceduta tutta all’O molecolare sarebbe

troppo grande e genererebbe un’esplosione; quindi, si ha un meccanismo che permette di liberare in piccoli

pacchetti questa energia e viene chiamato catena di trasporto degli elettroni. Sulle nostre membrane ci

sono dei complessi enzimatici che hanno il compito di sottrarre protoni e elettroni al FAD e NAD e cederli

all’O molecolare trasformandolo in acqua.

Questi enzimi che si indicano con i numeri romani (fino al IV) comunicano tra di loro tramite una molecola

lipidica (coenzima Q) e il citocromo c. Il NAD ridotto cede elettroni e protoni al complesso I che si riduce e

va a ridurre ossidandosi il coenzima Q che diventa qubichinolo. Il FAD cede elettroni al complesso II che li

cede al coenzima Q che va a ridurre il complesso III che riduce il complesso Cyt c che si ossida e riduce il

complesso IV. Questo flusso libera gradualmente energia fino all’O molecolare (accettore finale). Talvolta vi

è il complesso V che è l’ATP sintetasi collegata alla catena perché è lei che forma l’ATP in quanto il

complesso I, III, e IV sono pompe protoniche che accumulano protoni nello spazio intermembrana

utilizzando l’energia degli elettroni. Si crea un gradiente elettrochimico che permette di creare ATP. L’ATP

sintasi è un trasportatore che fa diffusione facilitata di protoni. Ha un canale che prende i protoni e li fa

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passare secondo gradiente elettrochimico. La diffusione facilitata fa cambiare la conformazione nella

matrice che attiva il sito enzimatico.

DESTINO DEL PIRUVATO (prodotto della glicolisi)

In condizioni anaerobiche cioè in assenza di ossigeno: il piruvato viene direttamente ridotto a lattato,

l’enzima NADH si ossida cedendo elettroni per la riduzione e si ha la formazione di NAD+ che manda avanti

la glicolisi. Il piruvato dall’enzima piruvato decarbossilasi può essere trasformato in acetaldeide per

ottenere l’etanolo grazie agli elettroni che provengono dal NADH che si riossida.

ESEMPIO DI ANABOLISMO: LA FOTOSINTESI

Fototrofi: organismi autotrofi che sfruttando la luce riescono a sintetizzare i composti organ