Appunti di biochimica

GLI ENZIMI

Gli enzimi sono proteine che fungono da catalizzatori biologici.

Prima di parlare di essi, bisogna chiarire alcune nozioni a riguardo:

COFATTORE: una qualsiasi molecola la cui presenza è indispensabile

perché l'enzima svolga la funzione catalitica.

COENZIMA: qualsiasi cofattore che sia una molecola organica

APOENZIMA: parte proteica dell'enzima

GRUPPO PROSTETICO: qualsiasi cofattore legato covalentemente

all'apoenzima

OLOENZIMA: enzima cataliticamente attivo

SUBSTRATO: la molecola di cui l'enzima catalizza la trasformazione

Gli enzimi sono divisi in sei classi:

Un esempio di enzima ossidoreduttasi è il lattico deidrogenasi, l'enzima

che catalizza la trasformazione dell'acido piruvico in acido lattico, grazie

al coenzima NADH.

Alcuni esempi di cofattori inorganici sono : Cu++, Fe++, Fe+++, K+,

Mg++, Mn++, Ni++, Zn++

Alcuni esempi di coenzimi sono: biotina, tetraidrofolato, coenzima A,

NAD, FAD ecc.

Come agiscono gli enzimi

Gli enzimi catalizzano le reazioni chimiche abbassandone l'energia di

attivazione. La loro azione avviene in 4 fasi:

CINETICA ENZIMATICA ALLO STATO STAZIONARIO

ll modello cinetico spiega come all'aumentare anche di poco della

concentrazione del substrato disponibile all'enzima (di concentrazione

supposta costante), la velocità della reazione aumenti fino al

raggiungimento di un massimo, chiamato Vmax. In questo punto la

reazione ha raggiunto la velocità massima possibile semplicemente

perché è presente tanto substrato da saturare tutto l'enzima presente

in soluzione, perciò un'ulteriore aggiunta di substrato non servirebbe in

quanto non verrebbe più attaccato da enzimi. Ciò avviene perché non

sono più presenti enzimi liberi, ma solo forme enzimatiche legate al

substrato. L'enzima libero, indicato dalla lettera maiuscola E, reagisce

dapprima con il substrato S dando il complesso enzima-substrato ES, il

quale si scomporrà originando il prodotto della reazione enzimatica, P,

e riformando l'enzima libero.

La costante di Michaelis-Menten (KM) è un indice di affinità tra

l'enzima e il substrato. La Costante di Michaelis-Menten è una

grandezza caratteristica di ciascun enzima. Più basso sarà il valore di Km

e più bassa sarà la concentrazione di substrato che permette di

raggiungere una velocità di reazione pari alla metà della velocità

massima (il che indica un'alta affinità enzima-substrato).

Gli inibitori enzimatici

Con il termine inibitore enzimatico si indica una molecola in grado di

instaurare un legame chimico con un enzima, diminuendone così

l'attività. L'inibitore infatti può intralciare l'enzima nella catalisi della

sua reazione, per esempio impedendo al substrato di entrare nel sito

attivo dell'enzima stesso. Il legame tra enzima ed inibitore può essere

reversibile o irreversibile. Gli inibitori irreversibili solitamente

reagiscono con l'enzima, modificando chimicamente residui

amminoacidici fondamentali per l'attività. Al contrario, gli inibitori

reversibili si legano non-covalentemente e producono diversi tipi di

inibizione a seconda che si leghino all'enzima, al complesso

enzima-substrato, o ad entrambi.

L'ENERGIA LIBERA

La variazione di energia libera, o ΔG, indica l'evolvere di una reazione a

temperatura (T) e pressione (P) costante.

Essa è uguale a ΔG= G prodotti - G reagenti

Se ΔG<0, la reazione è esoergonica favorita

Se ΔG>0, la reazione è endoergonica sfavorita

Se ΔG=0, la reazione è in equilibrio

(Una reazione esoergonica libera energia, come per esempio la

combustione del metano (CH4) a biossido di carbonio (CO2). Al

contrario le reazioni endoergoniche sono quelle che "intrappolano"

energia all'interno di nuovi legami formati, come per esempio nelle

reazioni di sintesi (A+B ---> C).)

L'ATP (ADENOSINA TRIFOSFATO)

E' una molecola formata da una base azotata, cioè l'adenina, dallo

zucchero pentoso ribosio e da tre gruppi fosfato. E' un trasportatore di

energia libera che permette il compimento delle reazioni

endoergoniche all'interno delle cellule.

Esso viene sintetizzato nei processi esoergonici:

ADP + Pi + energia -> ATP

Dalla respirazione, in cui si libera energia, una parte molto piccola di

essa viene immagazzinata nelle molecole di ATP. L'immagazzinamento

vero e proprio avviene quando la fosfocreatina cede alla molecola di

ADP un gruppo fosfato che appunto le mancava per divenire ATP.

Mentre si uniscono gruppo fosfato e ADP, l'energia viene imprigionata

nei nuovi legami chimici: adesso avremo finalmente la molecola di ATP.

L'ATP dona energia mediante reazione di idrolisi, mediata dall'enzima

ATPasi, che nella maggior parte dei casi coinvolge il trasferimento di un

gruppo fosfato:

ATP---- + H2O -> ADP--- + H+ con una variazione di energia libera ΔG=

-30,6 kJ/mol

IL SISTEMA DELLA CREATINA-FOSFOCREATINA

MUSCOLARE

All'interno di una cellula muscolare, in condizioni di riposo, sono

immagazzinate modeste quantità di ATP, ma essa non può farvi

affidamento a lungo, una volta che ha cominciato a contrarsi. Quindi

per evitare la diminuzione del rifornimento di ATP, la cellula muscolare

deve incrementarne il tasso di produzione per poter tenere il passo con

l'aumento della velocità di utilizzazione. L'ATP che fornisce l'energia

necessaria per la contrazione è prodotta nelle cellule muscolari dalla

fosforilazione a livello del substrato e dalla fosforilazione ossidativa.

Quando in una cellula aumenta il consumo energetico, si ha una

riduzione della concentrazione di ATP e un aumento di quella dell'ADP.

Queste variazioni inducono un aumento dell'attività degli enzimi

responsabili della formazione dell'ATP, con la conseguenza che l'ATP

viene prodotta a un tasso più elevato. Anche se questo avviene non

appena la cellula inizia a contrarsi, queste reazioni richiedono alcuni

secondi per arrivare alla velocità necessaria. Quindi per assicurare la

disponibilità dell'ATP necessaria nel frattempo, i muscoli fanno

affidamento su una riserva di fosfati ad alta energia ed

immediatamente disponibile, la fosfocreatina, che cede il suo gruppo

fosfato all'ADP (che è sempre presente) per formare ATP. La cellula a

riposo contiene una quantità di fosfocreatina sufficiente a fornire una

quantità di ATP pari a 4-5 volte quella presente normalmente, che

consente alla cellula di mantenere la sua attività, fino a quando non

entrano in gioco le altre reazioni in grado di produrre l'ATP.

La reazione del creatinfosfato con l'ADP è catalizzata dall'enzima

creatinchinasi ed è reversibile: ΔG= -10,3 kcal/mol

N.B. La fosforilazione è una reazione chimica che consiste

nell'addizione di un gruppo fosfato (PO4---) ad una proteina o ad

un'altra molecola.

IL NADH (Nicotinammide Adenina Dinucleotide):

E' un coenzima ossidoriduttivo il cui ruolo biologico consiste nel

trasferire gli elettroni tramite lo spostamento di atomi di idrogeno. Ad

esso può essere aggiunto un gruppo fosfato, trasformando la molecola

in NADPH.

IL FAD (Flavina Adenina Dinucleotide)

È un coenzima ossidoriduttivo e partecipa a innumerevoli reazioni che

comportano il trasferimento di 1 o 2 elettroni. E' un importante agente

ossidante.

LA GLICOLISI

La glicolisi è un processo metabolico (fermentazione anaerobia),

attraverso cui la maggior parte degli organismi trae energia in assenza

di ossigeno. La glicolisi (o via di Embden-Meyerhof-Parnas) è il mezzo

per ottenere energia più sfruttato in natura, soprattutto grazie alla sua

anaerobioticità, sebbene non sia il più efficiente.

Attraverso la glicolisi, il glucosio viene parzialmente ossidato con la

produzione di molecole organiche. In una prima fase del processo,

composta da cinque passaggi, viene consumata energia (fase di

consumo energetico) per ottenere dal glucosio molecole di un derivato

del glucosio a più alta energia (gliceraldeide-3-fosfato), che verranno

poi trasformate nella fase successiva, composta di altri cinque passaggi,

in molecole nettamente meno energetiche di piruvato, con produzione

di energia superiore a quella consumata nella prima fase. Il processo

nel suo insieme è quindi di tipo catabolico, cioè in cui molecole più

complesse ed energetiche, vengono trasformate in altre più semplici e

meno energetiche, con accumulo di energia.

La reazione completa della glicolisi è la seguente:

→

Glucosio + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi 2 NADH + 2 piruvato + 2 ATP + 2

H2O + 2 H+

La glicolisi può essere suddivisa in due fasi: la prima fase è detta fase di

investimento, la seconda è la fase di rendimento.

Nella fase di investimento, il glucosio viene fosforilato a

glucosio-6-fosfato ed infine scisso in due molecole di

gliceraldeide-3-fosfato; ciò avviene attraverso l'utilizzo di due molecole

di ATP. I primi cinque passaggi della via metabolica, dunque,

comportano un consumo netto di energia.

Nella seconda fase, quella di rendimento, le due molecole di

gliceraldeide-3-fosfato vengono trasformate in due molecole di

piruvato (acido piruvico) con conseguente produzione di quattro

molecole di ATP e due di NADH (per riduzione del NAD+), le quali

permettono di rigenerare anche il pool di molecole riducenti presenti

nella cellula. Questa seconda fase, dunque, vede un recupero di

energia, che porta l'intero pathway glicolitico ad un guadagno netto di

energia.

1) Il glucosio (Glu) viene fosforilato a glucosio-6-fosfato (G6P)

dall'enzima esochinasi, che utilizza ATP come donatore di fosfato,

idrolizzandolo ad ADP.

2) G6P viene convertito nel suo isomero fruttosio-6-fosfato (F6P)

dall'enzima fosfoglucosio isomerasi.

3) F6P viene fosforilato a fruttosio-1.6-bisfosfato (FBP) dall'enzima

fosfofruttochinasi-1 (PFK1), che idrolizza ATP ad ADP.

4) FBP viene scisso in due molecole, il diidrossiaceton fosfato (DHAP) e

la gliceraldeide-3-fosfato (G3P) dall'enzima aldolasi.

5) DHAP viene convertito nel suo isomero G3P dall'enzima trioso

fosfato isomerasi.

6) Ogni G3P viene fosforilato e poi ossidato a 1,3 bifosfoglicerato

(1-3BPG) dall'enzima gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi, che non

consuma ATP per la fosforilazione, ma usa direttamente fosfato

inorganico presente nella cellula. L'altro cofattore usato dell'enzima è il

NAD+ che viene qui ridotto a NADH. La reazione presenta un

intermedio in cui il subs