Appunti di Chimica biologica

ΔG

Questo grafico presenta il ΔG in funzione delle coordinate di reazione. La curva ha un suo andamento: se la reazione avviene in assenza di catalizzatore, la curva è in blu. Mentre con un catalizzatore, l'energia libera dei reagenti e prodotti rimane invariata (non influisce sulla termodinamica), bensì abbassa l'energia di attivazione. Scopo della catalisi: agire sulla cinetica, accelerare la reazione. Il catalizzatore è tale se alla fine del processo, dovendo avere energia libera di tutte le specie invariata, ne deriva che il catalizzatore non entra nella stechiometria: ovvero il catalizzatore al termine della reazione dovrà essere rilasciato tale e quale, invariato.

Teoria della stabilizzazione dello stato di transizione, di Pauling 1946

Definiti gli enzimi, eccezionali catalizzatori che come tali hanno le capacità di catalizzatori, ma potenziate. La teoria suggerisce che l'interazione dell'enzima con il substrato, porta ad...

undecremento dell'entalpia dello stato di transizione, diminuzione dell'energia di attivazione.Il substrato si lega all'enzima, in una regione ben definita, il sito attivo (in un enzima possonoesistere più siti attivi, quindi avremo un enzima formato da più subunità, ogni subunitàpresenta un sito attivo). I residui amminoacidici che compongono il sito attivo possono ancheessere molto distanti, ma trovarsi nelle immediate vicinanze tramite ripiegamento, creando latasca in cui la molecola si infila.il sito attivo dell'enzima, la regione che lega la molecola, avrà unaPassaggio chiave:struttura con la massima affinità per NON per il substrato, altrimenti lo stabilizzerebbe,e non avrebbe interesse ad evolvere verso i prodotti; quindi ha la massima stabilità perlo stato di transizione: è fatto apposta per contenere la struttura dello stato ditransizione, che è a metà tra prodotti e reagenti. La

La struttura stessa del sito attivo garantisce la modificazione del substrato, tale che esso si possa collocare nel sito attivo, e formare il maggior numero possibile di interazioni, abbassando l'energia interna. Questo è contestualmente accettabile, mentre formalmente l'interazione avviene tra stato di transizione ed enzima. Ciò non implica che l'enzima non cambi la forma, tutt'altro, ma finita la reazione la struttura originale si ripristina. Nel momento in cui lega il substrato, lo distorce, fino a costringerlo ad assumere la forma dello stato di transizione, stabilizzandolo.

Qui vediamo un esempio: data una banana (substrato) convessa verso l'alto, mentre il prodotto è una banana concava. Per ottenerla, necessito di passare attraverso una banana raddrizzata. Il sito attivo dell'enzima avrà massima affinità per la banana raddrizzata; indurrà quindi il substrato a raggiungere questa forma, per stabilizzarla.

Raramente

Sono poche interazioni, di norma sono diverse e di diverso tipo (idrofobiche spesso presenti, legami a idrogeno, forze di van der Waals), che stabilizzano lo stato di transizione. L'energia ottenuta da queste interazioni viene usata per distorcere il substrato e per spingerla verso i prodotti. Per specifiche trasformazioni, catalizzate da specifici enzimi, possiamo disegnare molecole con struttura simile allo stato di transizione, che avranno azione inibitoria alla reazione. Questo perché la molecola sarà affine al sito catalitico, affinità maggiore del substrato, competerrà con esso, riducendo le possibilità alla reazione di procedere. I farmaci spesso usati oggi sono proprio inibitori. Nell'immagine vediamo la prolina-racemasi, che converte la prolina nel suo enantiomero (e viceversa), passando attraverso una struttura planare.

Ricapitolando: i catalizzatori (enzimi compresi) non modificano l'equilibrio della reazione chimica;

bensìaccelerano la reazione bilateralmente, non spostano quindi l'equilibrio, da qui deriva che nonentrano nella stechiometria della reazione.- i catalizzatori sono presenti in concentrazioni variabili, spesso basse, perché riciclati manmano che la reazione procede;- alla base dell'efficienza catalitica degli enzimi, è legare con massima affinità lo stato ditransizione.- analoghe molecole allo stadio di transizione possono concorrere all'interazione del substrato. Reazione catalizzata da enzimi Il grafico riporta la conversione substrato → prodotti. Con in azzurro la reazione enzima catalizzata. La curva azzurra non presenta un grafico abbassato, bensì un curva differente, con 3 picchi, dove ilmassimo assoluto corrisponde allo stato di transizione (la coordinata di reazione non varia, ma varial'energia ad essa associata). Questo è il trucco che l'enzima usa per abbassare l'energia diattivazione. Formandosi

Un complesso enzima-substrato richiede un'energia di attivazione per passare dal complesso enzima-stato di transizione e superare la barriera per raggiungere il complesso enzima-prodotto, che verrà infine rilasciato. Il percorso è differente, ma gli estremi rimangono invariati, ne deriva un alto guadagno energetico.

Fattori che concorrono all'efficienza catalitica degli enzimi:

1. Stabilizzazione dello stato di transizione, che coinvolge stiramento e distorsione dei legami.
2. Contributo entropico, rientra nell'equazione cinetica e si riferisce alla probabilità di avere urti efficaci. Dobbiamo immaginare che la presenza dell'enzima favorisca l'avvicinamento dei substrati, già nella direzione favorevole alla reazione.
3. Catalisi generale acido-basico.
4. Catalisi covalente.
5. Catalisi ad ioni metallici.
6. Meccanismo indotto.

Le tappe

Vediamo passo passo il meccanismo tra due substrati che formano un prodotto. L'enzima contiene due siti attivi, ognuno reagisce con i relativi substrati. Per poter interagire con l'enzima, i substrati si pongono in posizione più vicina e con orientamento corretto, perché i siti attivi sono modulati per favorire un contatto efficace; quindi facciamo un bilancio entropico. Se l'entropia è lo stato di disordine generale del sistema, inizialmente abbiamo 3 molecole separate, massima entropia.

1. Tappa di legame: Nel momento in cui queste si legano ai siti attivi, abbiamo perdita entropica, nel complesso abbiamo un oggetto solo. La reazione di aggancio è sfavorita entropicamente, ma poiché abbiamo formato una serie di legami, si abbassa l'entalpia; contributo entalpico ΔG favorevole: ne deriva un leggermente positivo, o negativo, grazie al compenso energetico entalpico. ΔH

2. Tappa catalitica: abbiamo la barriera

energetica più alta del processo. Abbiamo un elevato,non abbiamo un vantaggio, si rompono i legami con l’enzima e si iniziano a formare interazioniΔHfra substrati: quindi alto, ma stabilizzato dalle interazioni con l’enzima ed il complesso deiΔSsubstrati. o poco positivo o negativo, perché non varia l’entropia come disordine; abbiamoperò una statistica che la reazione avvenga ben maggiore che senza l’enzima, perchéΔGl’orientamento é corretto. ne deriva un elevato, sfavorevole, ma molto meno elevato chesenza l’enzima, ciò grazie alla stabilizzazione entropica. ΔH3. Tappa di rilascio dei prodotti: energia di attivazione bassa, dovuta ad un negativo o pocopositivo, perché si forma una nuova molecola; reazione favorita entropicamente, aumenta ilnumero di molecole in soluzioni.La tappa catalitica essenziale é la seconda.Le catalisi acido-baseDivisa in specificata e generale.

Si tratta di eventi catalitici che comportano l'acquisto o cessione di protoni da parte delle molecole coinvolte nelle reazione, laddove ciò sia necessario per rompere un legame, e portare alla formazione di un prodotto. Per catalisi acido-base specifica, abbiamo acquisto o perdita attuato da specie chimiche acquose. Mentre parliamo di catalisi acido-base generale, se le molecole che reagiscono sono loro stesse acidi o basi. Catalisi covalente Prevede un intermedio di reazione che si lega covalentemente (ma reversibilmente) all'enzima, ovvio: l'enzima deve essere ripristinato. Catalisi da ioni metallici Fondamentali che siano presenti ioni metallici per attivare l'enzima, spesso abbiamo ioni dicationici o tricationici. Adattamento indotto Nella trattazione iniziale ci siamo focalizzati su una descrizione del meccanismo enzima-substrato detto chiave-serratura, suggerito da Pauling. Spesso in realtà abbiamo cose differenti: il sito attivo non ha la struttura

perfetta per accomodare il substrato (e ciò già lo sappiamo), bensì affine allo stato di transizione. Per tendere allo stato di transizione, l'enzima stesso favorisce l'interazione con il substrato: quindi l'enzima stesso in parte si modifica: il cambio di conformazione dell'enzima favorisce l'avvicinamento e allontanamento delle molecole, aiutando anche il rilascio di prodotti. Adattamento indotto dall'interazione con il substrato. L'esochinasi cambia la conformazione dell'enzima durante il legame. Per legare una molecola così piccola, una molecola così grande deve modificarsi.

Lezione di Chimica Biologica, di Lorenzo Di Palmaa

Le proteasi

Classe particolare di enzimi, vediamo quindi alcuni meccanismi molecolari con cui gli enzimi agiscono; quello delle proteasi, una sua sottoclasse per la precisione, perché vogliamo mostrare come a livello delle sequenza amminoacidica, i residui interagiscono fra loro,

In modo da favorire una determinata reazione chimica per ottenere i prodotti. Le proteasi sono enzimi in grado di idrolizzare i legami peptidici di proteine. Si suddividono in due sottoclassi:

• Esopeptidasi, quelle che rilasciano singoli amminoacidi all'N o C terminale; divise in:
  • Amminopeptidasi
  • Carbossipeptidasi
• Endopeptidasi, quelle che riconoscono una specifica sequenza nella catena, e rompono il legame peptidico, rilasciando due frammenti.

Le proteasi svolgono un ruolo molto importante: oltre a favorire la degradazione delle proteine, quindi la messa a disposizione dei frammenti ottenuti; ma hanno spesso anche funzioni vitali nella cellula o patologiche: alcuni patogeni utilizzano proteasi per agire a livello dell'infezione.

Esistono vari tipi di peptidasi, ecco alcuni esempi: tripsina e chimotripsina, si trovano nell'intestino dei mammiferi superiori; le carbossipeptidasi A e B, sono divise in aromatiche e basiche rispettivamente.

La maggior parte si