Biochimica, dietistica (Samaja)

ENZIMI

Li enzimi sono dei catalizzatori biologici, ossia sostanze che favoriscono una reazione chimica spontanea. La loro funzione è minimizzare i prodotti di scarto, impedire le reazioni indesiderate e prevenire il dispendio energetico. Essi fanno in modo che una specifica reazione avvenga solo nel momento in cui è richiesta e che essa sia portata a termine nel più breve tempo possibile. Gli enzimi sono proteine molto complesse che richiederebbero un enorme dispendio energetico se dovessero essere sintetizzate ogni volta; essi, infatti, possono catalizzare una stessa reazione milioni di volte.

Le reazioni termodinamicamente favorevoli sono quelle che portano il sistema ad un livello energetico inferiore di quello a cui si trovava inizialmente. Tali reazioni avvengono spontaneamente e sono dette esoergoniche in quanto liberano energia. Per innescare tali reazioni, tuttavia, è necessario fornire una certa quantità di energia, detta energia di attivazione.

Il grafico a lato mostra la distribuzione dei livelli di energia di una popolazione di molecole. Perché una reazione avvenga, le molecole dei reagenti devono possedere una quantità di energia superiore a quella di attivazione. Per far sì che un numero maggiore di molecole possieda tale energia si può aumentare l'energia delle molecole, ad esempio innalzando la temperatura, oppure diminuire l'energia di attivazione; questo è ciò che fanno gli enzimi. L'enzima agisce facendo avvenire la reazione in più stati, detti di transizione, ciascuno avente un'energia di attivazione minore di quella della reazione non catalizzata. Le proprietà fondamentali degli enzimi sono: - Gli enzimi non modificano l'equilibrio della reazione, ma solo la velocità con la quale l'equilibrio viene raggiunto. Essi non possono quindi rendere spontanee reazioni che non lo sono. - Gli enzimi non vengono modificati nella

Reazione e, al termine di essa, sono subito disponibili per catalizzare una seconda reazione.

Gli enzimi sono composti da una porzione proteica preponderante, l'apoenzima, con la capacità di riconoscere il substrato e da una porzione non proteica, spesso vitaminica, che determina quale reazione deve essere catalizzata a partire da un dato substrato. Gli apoenzimi derivano da precursori, detti zimogeni, attraverso una protolisi, ossia tramite la rimozione di una loro porzione che copre il sito attivo. Quest'ultimo è la porzione dell'enzima preposta a legare il substrato.

Gli enzimi, oltre a quello attivo, hanno un secondo sito detto allosterico al quale può legarsi una molecola, modulatore, con la capacità di variare la loro attività. Quando un enzima risulta danneggiato o usurato viene degradato ad opera dei lisosomi e dell'ubiquitina, la quale ha la proprietà di riconoscere le proteine non più funzionali.

“segnalarle” ai lisosomi, che non hanno questa proprietà.In passato si credeva che per poter catalizzare una reazione l’enzima dovesse legarsi chimicamente in modo perfettamente al substrato in modo da riconoscerne la conformazione tridimensionale. Ciò implica che fra l’enzima ed il substrato ci debba essere una complementarietà esatta fra la struttura e la carica dell’enzima e la struttura e la carica del substrato. Questo modello, detto chiave-serratura, spiega la specificità degli enzimi, ma non spiega la stabilizzazione dello stadio intermedio. Nel 1958 Daniel Koshlan propose un nuovo modello detto “induced fit+substrate strain” secondo cui il sito di legame dell’enzima non è completamente formato, ma l’interazione con il substrato induce un cambiamento conformazionale nell’enzima che prelude ad un legame più stabile con esso.

(induced fit), successivamente il substrato è forzato verso la formazione dei prodotti in quanto l'enzima si riporta ad una conformazione più stabile. Ciò è dovuto al fatto che l'enzima non ha affinità con il substrato, ma con lo stato di transizione. Poiché la struttura terziaria, ossia la conformazione tridimensionale della catena polipeptidica, è determinata dalla struttura primaria, una modificazione di quest'ultima, anche solo puntiforme, può impedire o rallentare il riconoscimento del substrato; se questa alterazione interessa il dominio di riconoscimento essa induce uno stato patologico, se non interessa il dominio di riconoscimento lo stato indotto non è patologico e la mutazione è detta silente. Le malattie che originano una mutazione della struttura primaria delle proteine sono malattie genetiche.

Coenzimi

I coenzimi sono piccole molecole organiche, spesso derivate da vitamine, che si legano

velocità della reazione. Questo fenomeno è dovuto alla saturazione degli enzimi, cioè quando tutti i siti attivi degli enzimi sono occupati dai substrati. La cinetica enzimatica può essere descritta da diverse equazioni matematiche, tra cui l'equazione di Michaelis-Menten. Questa equazione descrive la relazione tra la velocità di reazione (V) e la concentrazione del substrato ([S]): V = (Vmax * [S]) / (Km + [S]) dove Vmax è la velocità massima della reazione, Km è la costante di Michaelis-Menten che rappresenta l'affinità dell'enzima per il substrato. Gli enzimi possono essere influenzati da diversi fattori, come la temperatura, il pH e la presenza di inibitori o attivatori. La temperatura ottimale per la maggior parte degli enzimi è intorno ai 37°C, ma alcuni enzimi possono funzionare meglio a temperature più basse o più alte. Il pH ottimale dipende dall'enzima specifico, ma molti enzimi funzionano meglio a pH neutro o leggermente acido. Gli inibitori possono bloccare l'attività degli enzimi, mentre gli attivatori possono aumentarla. Gli inibitori possono essere reversibili o irreversibili, competitivi o non competitivi. Gli inibitori competitivi competono con il substrato per il sito attivo dell'enzima, mentre gli inibitori non competitivi si legano ad altri siti dell'enzima, alterando la sua conformazione e riducendo la sua attività. In conclusione, gli enzimi sono molecole biologiche fondamentali per la catalisi delle reazioni chimiche nel nostro corpo. Sono altamente specifici per i loro substrati e possono essere regolati da diversi fattori. La comprensione della cinetica enzimatica è essenziale per comprendere i processi biochimici che avvengono all'interno delle cellule.

velocità di reazione. Si dice che l'enzima ha raggiunto la saturazione. La reazione in cui l'enzima si lega al substrato per formare il complesso ES è relativamente lenta, quella che dal complesso ES porta ai prodotti è ancora più lenta, mentre quella che porta al rilascio dei prodotti è veloce. Dunque, la velocità globale è determinata. L'equazione di Michaelis-Menten, sviluppata nel 1913 da Leonor Michaelis e Maud Menten, mette in relazione la velocità [S]max quantità di substrato alla velocità iniziale della reazione v = V * [S] / (K + [S]), V è la velocità massima e indica l'attività max0 K + [S]M massima di un enzima, mentre K indica la concentrazione di substrato alla quale la velocità è la metà di quella M massima ed è un indicatore dell'affinità dell'enzima al substrato. Regolazione dell'attività enzimatica Di tutte le reazioni possibili con

un substrato l'enzima ne favorisce una sola, quella giusta. I coenzimi svolgono delle attività molto specifiche e ridotte, e così gli enzimi a cui appartengono. Dunque più enzimi devono collaborare perché avvengano complesse catene di reazioni dette vie metaboliche che possono constare anche di 20 reazioni successive. Gli enzimi conosciuti che operano nelle cellule umane sono circa 12000 e complessivamente favoriscono il flusso unidirezionale di materiale.

Nello stato stazionario i processi cellulari non funzionano mai al massimo delle loro capacità, ma in alcune condizioni possono anche venire completamente disattivati (ex. coagulazione del sangue, secrezione di acidi sa7BiochimicaPastorelli Giada Corso di laurea in dietistica parte dello stomaco). In teoria un enzima, poiché favorisce il raggiungimento dell'equilibrio, può catalizzare anche la reazione inversa, ma se il prodotto di una reazione catalizzata da un enzima è il

Il substrato di un secondo enzima che catalizza una reazione successiva, il substrato della prima reazione inversa è continuamente sottratto. Affinché le reazioni non avvengano fuori controllo il prodotto finale di una catena enzimatica funge da inibitore per l'enzima che catalizza la prima o la seconda reazione della catena enzimatica, così che non vi siano accumuli di intermedi. La mancanza del prodotto finale provoca una riattivazione degli enzimi iniziali.

I fattori che determinano la capacità catalitica totale di un enzima sono la sua quantità e la sua efficienza. La regolazione della quantità di enzima è lenta poiché agisce sul suo processo di sintesi. Tutte le strutture cellulari ed extracellulari sono sottoposte ad un equilibrio dinamico determinato dalla velocità con cui vengono prodotti (sintesi promossa dalla presenza di substrato), attivati (rimozione fisica di alcune sue porzioni, taglio proteolitico), distrutte.

(degradate) e dalla compartimentalizzazione intercellulare. Quest’ultima sfrutta il fatto che determiniate proteine per funzionare devono trovarsi in un particolare compartimento cellulare dai quali possono essere “spostate” determinandone un’inattivazione. Per esempio il Glucose Transporter per svolgere la sua funzione deve trovarsi sulla membrana plasmatica; in presenza di ridotte concentrazioni di glucosio e insulina nel sangue il G.T. viene endocitato rendendolo inattivo, quando, al contrario, la concentrazione di glucosio e insulina nel sangue si alzano, le vescicole si fondono con la membrana cellulare ristabilendo la loro funzionalità. La regolazione dell’efficienza di un enzima è immediata, acuta e può avvenire attraverso variazioni di pH e temperatura. Ogni enzima agisce in modo ottimale ad uno specifico valore di pH e ad una specifica temperatura che non è detto corrispondano a 37°C e pH 7. Quando un enzima si trova ad una

temperatura inferiore di quella ottimale un suo aumento provoca un aumento dell'attività enzimatica. Un aumento della temperatura al di sopra di quella ottimale provoca la progressiva denaturazione dell'enzima. Infine, un enzima può essere regolato per inibizione competitiva o non competitiva. L'inibizione competitiva prevede che una molecola avente una struttura simile al substrato competa con esso per lo stesso sito attivo, facendo sì che il numero di siti attivi liberi per il substrato sia ridotto perché occupati da altre molecole. Questo è il principio base della farmacologia. L'inibizione non competitiva consiste nel legame di un inibitore in un sito diverso da quello attivo, l'inibitore modificandone la conformazione e rendendolo inattivo. Questo è il principio dei veleni.

Allosterismo: L'allosterismo è il processo per cui l'attività di un enzima è sottoposta al controllo di un

legame con un effettore. Queste subunità possono essere identiche o diverse tra loro. Il legame dell'effettore con la subunità che presenta il sito attivo può influenzare l'attività enzimatica, modificando la sua conformazione e quindi la sua capacità di legare il substrato. Questo meccanismo di regolazione è chiamato allosteria e permette all'enzima di adattarsi alle condizioni del suo ambiente e di rispondere a segnali chimici o fisici.