Riassunto esame Biochimica, Prof. Marcocci Lucia, libro consigliato Principi di biochimica , Lehninger

GLI ENZIMI

Un enzima è una proteina in grado di catalizzare una reazione chimica, cioè:

 Assicurare che la reazione avvenga con elevate velocità di reazione

 Assicurare che la reazione avvenga con elevata specificità di reazione: si usa un substrato per

ottenere risultati specifici.

 Assicurare che la reazione avvenga a valori di pH neutri, a temperature non estreme, a

pressione atmosferica ed in ambiente acquoso.

Esistono nella cellula anche enzimi non proteici. Questi sono costituiti da acidi nucleici e sono detti

l’evolversi la funzione catalitica si è distinta dalla funzione di conservazione

ribozimi. Con

dell’informazione genica, lasciata esclusivamente agli acidi nucleici.

Oltre che per la funzionalità cellulare, gli enzimi hanno un’elevata importanza in vari campi:

 Definiscono gli stadi patologici, quindi vengono usati sia come markers clinici che come

bersaglio del trattamento farmacologico (es. utilizzo di antibatterici e antivirali che vanno a

targettare la DNA polimerasi).

 Sono importanti nella chimica industriale per la preparazione di determinate molecole (kit per

la diagnosi) e nell’ambiente (es. distruzione delle macchie d’olio nei mari).

Enzimi e la storia della biochimica

La storia della biochimica è rappresentata dalla storia degli enzimi:

 Nasce alla fine del 700: per spiegare la digestione della carne dagli estratti di stomaco, la

conversione dell’amido in zuccheri ad opera della saliva e degli estratti di pianta. 68

 Intorno 1850: Pasteur si occupò della fermentazione e del vitalismo. Era, infatti, interessato

alla fermentazione della birra, grazie alla quale formulò l’idea per cui le trasformazioni

avvenute fossero connesse alla presenza di altri organismi con potere trasformativo.

 1887: Buchner si occupò della fermentazione indipendente dalla vitalità del lievito. Fine

dell’idea vitalista e inizio della ricerca ed isolamento degli enzimi

1926: Sumner si occupò dell’isolamento e della cristallizzazione dell’ureasi, localizzata

 all’interno dell'Helicobacter Pylori, definendone la sua natura proteica. Questa proteina è in

grado di metabolizzare l’urea in una molecola di anidride carbonica e due molecole di

ammonio. La reazione dell’ureasi ha una grand importanza dal punto di vista storico perché:

l’uno all’altro).

una molecola organica può dare luogo a molecole inorganiche (connessi

1930: Northrop e Kunitz si occuparono dell’isolamento della tripsina e della pepsina per

 confermarne la natura proteica. Esse vengono definite anche proteasi.

 Metà del XX secolo: la biochimica è stata caratterizzata dallo studio degli enzimi e dal cercare

di definire le vie metaboliche. Soprattutto in questi ultimi anni ci si sta concentrando sullo

studio degli acidi nucleici, portatori dell’informazione genica.

→

Classificazione degli enzimi (OTILIL) www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme

Un enzima in generale può avere un:

 Nome proposto

 Nome sistematico

 Numero di classificazione EC (Enzyme Commission): il primo numero è quello della classe,

mentre il secondo è il numero della sottoclasse.

Esempio: ↔ ADP + glucosio-6

ATP + D-glucosio fosfato

Questa reazione è catalizzata da un enzima che può essere nominato con:

 Nome proposto: esochinasi

 Nome sistematico: ATP glucosio fosfotransferasi

 Numero di classificazione: EC 2.7.1.1 69

Secondo la classificazione EC, gli enzimi sono assegnati a 6 classi principali, divise in sottoclassi a

seconda del tipo di reazione catalizzata. Ad ogni classe e sottoclasse è assegnato un numero, così un

enzima è identificato con un numero a 4 cifre.

La classe delle transferasi ha come EC 2 e poi:

 7: sottoclasse fosfotransferasi

 1: fosfotransferasi con un gruppo ossidrilico come accettore

 1: D-glucosio come accettore del gruppo fosforico

(vd. foto per le varie classi)

La nomenclatura “sovrapposta” → non bisogna confondere la colonna di sinistra con la colonna

di destra

Liasi Ligasi

È un enzima che forma o rompe legami. Usa Enzimi che formano o rompono legami.

l’energia del riarrangiamento elettronico (es. Usano l’energia di una molecola donatrice di

bisfosfato → energia, quale l’ATP (es. DNA ligasi).

le aldolasi: fruttosio 1-6

diidrossiacetone fosfato + gliceraldeide 3

fosfato).

Sintasi Sintetasi

Enzimi che catalizzano reazioni di Enzimi che catalizzano reazioni di

condensazione senza usare ATP come fonte condensazione usando ATP come fonte di

di energia (es. glicogeno sintasi: UDP energia (es. succinil coenzima A sintetasi:

glucosio → glicogeno). coA+chetoglutarato→ succinil CoA).

Fosforilasi Fosfatasi

Sono enzimi che catalizzano su un substrato Enzimi che rimuovono gruppi fosforici da

la rottura di un legame covalente attraverso legami fosfoesterici per attacco nucleofilo da

parte di molecole d’acqua

attacco nucleofilo di un gruppo fosforico (es.

glicogeno fosfatasi: glicogeno→ glucosio 1 (es. fruttosio bisfosfatasi 1: fruttosio 1,6 bis

fosfato → fruttosio 6 fosfato).

fosfato). Chinasi

Trasferiscono un gruppo fosforico da un

nucleotide trifosfato ad una molecola

accettatrice (es. le esochinasi: glucosio +

ATP → glucosio 6 fosfato)

Struttura delle proteine a funzione enzimatica

Gli enzimi sono costituiti dalla catena peptidica (parte proteica) con o senza cofattore. Se il cofattore

è legato stabilmente e non lascia mai la catena peptidica è detto gruppo prostetico, mentre se entra ed

esce dalla proteina è detto coenzima. Un enzima completo del suo cofattore è detto oloenzima. La

sola parte proteica, costituisce l’apoenzima o apoproteina. Il cofattore può essere costituito da:

 Metalli

 Molecole organiche

 Molecole metallo organiche 70

I cofattori organici

Molte vitamine sono precursori di cofattori organici. Si chiamano vitamine perché sono molecole che

le cellule non riescono a sintetizzare e devono essere introdotte con la dieta. L’acido lipoico, in realtà,

non è una vitamina in quanto viene sintetizzata dal nostro organismo. Molto importante è anche la

vitamina C: vitamina importante per il metabolismo catalizzato dalla prolil ossidasi (vd. collagene).

(!! aggiungere la colonna degli enzimi che le contengono)

TERMODINAMICA DI UNA REAZIONE

In una sistema costituito da una molecola substrato che diventa prodotto secondo la reazione:

S↔P

si può valutare il contenuto energetico definito dalla energia libera G:

G = H - TS

G risulta dal contenuto di:

 entalpia H, che riflette il numero ed il tipo di legami chimici

 entropia S, che riflette la casualità del sistema, il grado di disordine

 temperatura T del sistema

Quando in un sistema avviene una reazione, il sistema passa da un livello di energia libera iniziale

Gs a un livello di energia libera finale Gp e può essere definita la variazione di energia libera come

la differenza tra G finale e G iniziale: 71

ΔG= Gp-Gs o nel caso di una reazione generica ΔG= G . Più è alta, maggiore sarà l’energia per

- G

2 1

compiere lavoro.

 si parla di variazione di energia libera standard ΔG°; variazione di energia

Per i sistemi chimici

libera che avviene a:

 T = 298°K (25°C: °K=273+°C)

 pressione parziale di ogni gas a 1 atm o 101,3 Kpa o 758 torr

 concentrazione iniziale di ogni soluto 1M

 si parla di variazione di energia libera standard biochimica ΔG’°;

Per i sistemi biologici

variazione di energia libera che avviene a:

 T = 298°K (25°C)

 Pressione parziale di ogni gas a 1 atm o 101,3 Kpa o 758 torr

 pH = 7, concentrazione H = 10 M (si spiega perché non 1M come gli altri reagenti, se così

+ -7

fosse il pH sarebbe 0)

La variazione di energia libera ci dà un’idea della quantità di energia scambiata con l’ambiente. Si

hanno due tipi di reazioni:

Endoergoniche: assorbono energia dall’ambiente G2-G1> 0, quindi ΔG> 0



 Esoergoniche: cedono energia G2-G1< 0

Dal punto di vista termodinamico, un processo avviene spontaneamente (ma non necessariamente a

velocità elevata) solo quando ΔG < 0; ΔGp ΔGs < 0. Questo si realizza quando si passa da uno stato

-

disordinato (l’entropia S aumenta), e quando si perde calore (ΔG= ΔH-TΔS).

ordinato ad uno stato

Nei sistemi biologici avvengono reazioni endoergoniche perché accoppiate a reazioni esoergoniche e

il valore totale dell'energia di attivazione del sistema che contiene le due reazioni è negativo.

Il sistema, quindi, tende a progredire verso una condizione di maggior disordine (l’entropia

aumenta), difatti per mantenere l’ordine occorre spendere energia.

In una reazione semplice (S↔P) si definisce Keq:

Keq = [P]/[S]

di energia libera ΔG= Gp-Gs

La variazione è correlata alla Keq:

ΔG’°= Gp-Gs= -RTlnKeq

R= 8,3 J/mol K; T=25°C

Maggiore è Keq allora più negativa sarà ΔG’°, di conseguenza la reazione è favorita

CINETICA DI UNA REAZIONE

La spontaneità di un processo non determina però la velocità alla quale una reazione avviene. Infatti

un processo termodinamicamente favorevole (ΔG < 0) può avvenire con una velocità così bassa da

non avvenire mai. →12 CO ΔG << 0

Saccarosio + 12 O + 11 H O

2 2 2 senza catalizzatore), ΔG

(termodinamicamente favorevole ma non avviene è energia di attivazione.

# 72

Nella reazione di trasformazione di S a P in cui si passa al

livello energetico G partendo da G , il sistema passa per lo

2 1

stato di transizione (che dipende dalla natura di S), uno

stato molecolare transitorio in cui è favorita la rottura e la

formazione di legami. Lo stato di transizione ha un suo

contenuto energetico, una sua una energia libera (GAtt) che

è detta energia di attivazione ed è la differenza energetica

tra substrato (nello stato basale) e stato di transizione. La

velocità di una reazione è determinata dal valore

dell’energia di attivazione.

Costante di equilibrio - termodinamica - velocità di una reazione

La velocità di una reazione è proporzionale alla concentrazione di reagente (anche più di uno) secondo

la costante k (in s ), costante di velocità, che indica la probabilità che la reazione avvenga in

-1

determinate condizioni di T, pH…:

V= k[S] (ordine della reazione)

n

k=(KT/h)