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Biochimica e biologia molecolare - meccanismo della reazione enzimatica Appunti scolastici Premium

Appunti di Biochimica e biologia molecolare per il corso del professor Ghigo. Nello specifico gli argomenti trattati sono i seguenti: gli enzimi, l'etimologia della parola enzima, la possibilità di modificazione dell'enzima nel corso della reazione, la classificazione, la specificità e la localizzazione.

Esame di Biochimica e biologia molecolare docente Prof. E. Ghigo

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classificato in ordine alfabetico a partire dalla lettera a. Ne consegue che ogni enzima è individuato

da quattro numeri preceduti dalle lettere maiuscole EC che significano Enzyme Commission,

Commissione per gli Enzimi che fa parte della International Union of Biochemistry (IUB).

Esempio: un enzima che catalizza una reazione di trasferimento avrà come primo numero 2; il

secondo numero in questa classe è formulato in base della natura del gruppo trasferito: esempio

enzimi che trasferiscono gruppi alcoolici sono inclusi nella prima sottoclasse, che trasferiscono

gruppi fosforici sono inclusi nella sottoclasse 7; la suddivisione in sotto-sottoclassi si fonda sulla

natura del gruppo che accetta; ad es. la prima sottoclasse comprenderà enzimi che hanno come

accettore un gruppo alcolico; nell’ambito della sotto-sottoclasse compete il numero 1 se la prima

lettera del nome del substrato su cui l’enzima agisce è a. Quale esempio la glucosocinasi trasferisce

un gruppo fosforico dall’adenosintrifosfato al gruppo alcoolico in 6 del glucoso formando glucoso-

6- fosfato. Questo enzima è così classificato: EC 2.7.1.10.

Le classi in cui gli enzimi sono raggruppati sono 6, e precisamente:

1) Ossidoriduttasi: enzimi che catalizzano reazioni di ossido-riduzione. La maggior parte di queste

reazioni nella cellula prevedono l’allontanamento di due atomi di idrogeno dal substrato che

quindi sarà ossidato, o viceversa l’addizione di due atomi di idrogeno sul substrato che quindi

sarà ridotto.

Transferasi: catalizzano reazioni di trasferimento e quindi agiscono sottraendo gruppi ad un

2) composto (donatore) trasferendoli ad un altro composto (accettore). Es. reazioni di trasferimento

di aminogruppi sono catalizzate da un gruppo particolare di transferasi identificate come

transaminasi.e prevedono come donatore un aminoacido ed accettore un chetoacido; le meglio

note sono la glutammico-piruvico transaminasi (GPT) che catalizza la trasformazione acido

glutammico + acido piruvico in chetoglutarato + alanina, e la glutammico-ossalcetato

transaminasi, che catalizza la trasformazione acido glutammico + acido ossalacetico in

chetoglutarato + aspartato (GOT).

Idrolasi: catalizzano reazioni di idrolisi in presenza di acqua. Sono reazioni facili da riconoscersi

3) perché il presenza di acqua un composto si scinde in altri due. Es: lattasi catalizza l’idrolisi del

lattoso in galattoso + glucoso. La maggior parte delle idrolasi è localizzata a livello del canale

digerente.

Liasi: caratteristica ella reazione liasica è la formazione su di una molecola di un doppio legame

4) per sottrazione di gruppi, o viceversa la scomparsa del doppio legame per addizione di gruppi su

di esso. Es: la formazione di acido fumarico da acido malico ed eliminazione di acqua e

viceversa l’addizione di acqua su acido fumarico e formazione di acido malico; la formazione di

fosfoenolpiruvato (PEP) da 2-fosfoglicerato ad opera dell’enolasi, e la formazione reversibile di

diossiacetonfosfato (DAP) e glyceraldeide-3-fosfato (GAP) da fruttoso-1,6-

bisfosfato.Nell’ambito delle liasi si effettuano delle distinzioni a seconda della natura del

gruppo che viene addizionato o sottratto e del legame che viene scisso o formato. Pertanto

abbiamo: 1) carbonio-carbonio liasi che scindono un legame carbonio-carbonio con formazione

di composti in cui compare un doppio legame, o viceversa quest’ultimo scompare per

formazione di un legame carbonio-carbonio (es. reazione di scissione del F-1,6-P in

diossiacetonfosfato e gliceraldeide -3-fosfato catalizzata dalla aldolasi nella glicolisi anaerobia;

2) idroliasi che sottraggono H O con formazione di un doppio legame e viceversa soppressione

2

di un doppio legame per addizione di H O (es. serina deidratasi nel metabolismo della serina,

2

enolasi nella glicolisi; 3) desulfidrasi che sottraggono idrogeno solforato con formazione di un

doppio legame (es. cisteina desulfidrasi attiva su cisteina); desammonniasi che sottraggono NH 3

con formazione di un doppio legame (es. istdina desammoniasi).

Isomerasi: caratteristica di questi enzimi è la conversione reversibile di un isomero in un altro.

5) Es: la trasformazione glucoso-6-fosfato in fruttoso-6-fosfato, di glucoso-1-fosfato in glucoso-6-

fosfato, di un L-aminoacido in D-aminoacido, di UDP-galattoso in UDP-glucoso.

Ligasi: caratteristica di questi enzimi è la formazione di un composto da altri due con consumo

6) di energia sottoforma di un nucleoside trifosfato quale ATP che si scinde in ADP + fosfato o

AMP + pirofosfato. Frequentemente, ma non sempre, questi enzimi catalizzano reazioni

irreversibili. Es: Succinil CoA + GDP + Pi originano succinato + GTP (reazione reversibile

perché c’è conservazione dell’energia di legame); piruvato + CO + ATP si trasformano in

2

ossalcetato + ADP + fosfato (reazione irreversibile perché comporta una caduta del livello

energetico dei prodotti di reazione).

SPECIFICITÀ DEGLI ENZIMI

Si differenzia in specificità di reazione, di solito assoluta, specificità di legame, di solito assoluta,

eccetto tripsina, chimotripsina, elastasi che riconoscono oltre legami peptidici anche legami esterei,

specificità di substrato, solitamente assoluta ma per alcuni enzimi relativa (esempio esosocinasi e

glucosocinasi, succinatodeidrogenasi, aconitasi) specificità stereochimica differenziata in anomerica

(riconoscimento di solito di uno solo degli anomeri possibili), enantiosterichimica (riconoscimento

di solito di uno solo degli enantiomeri possibili)

LOCALIZZAZIONE DEGLI ENZIMI

Possiamo distinguerli in esocellulari (esoenzimi) ed endocellulari (endoenzimi), e questi ultimi in

lioenzimi, se distribuiti liberi nel citoplasma, e desmoenzini se legati alla membrana plasmatica o

alle membrane degli organelli intracellulari.

MECCANISMO DELLA REAZIONE ENZIMATICA

In ogni reazione chimica le molecole reagenti, affinchè possano risolversi in prodotto della

reazione, devono soddisfare esigenze energetiche e steriche o conformazionali che nella loro totalità

corrispondono all’energia di attivazione necessaria perché la reazione possa avvenire.

Affinchè una molecola possa convertirsi in un’altra, o due molecole possano interagire fra di loro, i

seguenti requisiti devono essere soddisfatti:

1) le molecole devono innanzi tutto urtarsi ed è evidente che tanto più elevato è il numero di

molecole in reazione tanto più elevata sarà la probabilità che l’urto possa avvenire;

2) le molecole devono urtarsi con una energia sufficientemente elevata affinchè i loro orbitali di

legame possano interagire;

3) nell’urto gli orbitali di legame devono orientarsi in modo adeguato e questo evento è del tutto

legato al caso.

Il verificarsi di queste tre condizioni è un evento noto come urto efficace.

In rapporto alla necessità che le condizioni sopra elencate siano soddisfatte per ottenere un urto

efficace, ne consegue che a seconda della temperatura soltanto un numero ridotto di molecole si

troverà in gardo di andare incontro ad un urto efficace. La velocità di reazione, misurata come

quantità di prodotto ottenuto, sarà quindi molto variabile ed in alcuni casi anche molto bassa.

La veloctà di una reazione può essere aumentata almeno in due modi, laddove si mantenga costante

la quantità di specie in reazione:

1) aumentando la temperatura della reazione;

2) introducendo nel sistema di reazione un catalizzatore.

In un laboratorio chimico di solito si ricorre in primis alla prima modalità. Le cellule, soprattutto

quelle degli animali omeotermi, come l’uomo, che mantengono costante la temperatura corporea

indipendentemente da quella dell’ambiente esterno, non possono utilizzare che la seconda modalità,

e questo spiega l’importanza degli enzimi negli esseri viventi ed in particolare nell’uomo. Il

catalizzatore serve per abbassare l’energia di attivazione necessaria per un efficace urto, cioè

abbassano la barriera di energia che le molecole devono superare per convertirsi in prodotto della

reazione. Questo abbassamento viene raggiunto in quanto l’enzima promuove la formazione di

prodotti intermedi in cui il substrato diventa via via più instabile e l’enzima via via meno affine al

substrato di partenza; la formazione di questi intermedi prevede la formazione continua di nuovi

legami, comparsa e scomparsa così da creare una situazione di bilicotra in ritorno alle speci

reagenti o in passaggio verso il prodotto finale. E’ quindi altamente probabile la formazione di un

complesso enzima-substrato in continua modificazione fino a fornire il prodotto finale che per

l’enzima avrà scarsa affinità e quindi da questo si separerà. In ognuno degli stadi intermedi l’enzima

assumerà forme conformazionali differenti e del pari sarà perle specie differenti fino a raggiungere

forme che per l’enzima non sono più idonee a legare la specie reagente e che per il substrato

saranno sempre più prossime al prodotto della reazione. Perognuno di questi stadi sarà richiesta una

certa energia di attivazione tuttavia molto inferiore a quella totale indispensabile per la formazione

del prodotto e raggiungibile in tampi infinitamenti inferiori. Ne consegue che per la reazione nella

sua completezza l’energia di attivazione non sarà di molto inferiore a quella richiesta se la reazione

avvenisse in assenza di catalizzatore ma il tempo richiesto sarà di migliaia di volte inferiore e quindi

la velocità di miglia di volte più elevata. In definitiva il ruolo svolto dall’enzima si traduce in un

aumento cospicuo del numero di urti efficaci per unità di tempo, aumento che è da rifersi ad un

aumento della concentrazione delle specie reattive in punti ben definiti che costituisce uno dei

requisiti per lo svolgimento di una reazione.

SITO ATTIVO DELL’ENZIMA

Le parti sulla molecola dell’enzima su cui le speci reagenti si accentrano sono regioni ben

delimitate che vengono definite siti attivi. Questi siti occupano sull’enzima una parte assai limitata

rispetto alla superficie totale della molecola enzimatica e risultano dal concorso di aminoacidi, in

particolare le loro catene laterali, che nella struttura primaria sono assai lontani fra di loro ma

ravvicinati a seguito della struttura tridimensionale che l’enzima assume. Nel sito attivo per alcuni

enzimi si distingue un sito di legame su cui viene ad ancorarsi il substrato ed in sito catalitico in cui

si compie la reazione, entrambi i siti suscettibili di continua modificazione conformazionale nel

corso della reazione.

Per comprendere la modalità di interazione enzima-substrato sono stati proposti alcuni modelli. Uno

di questi è chiamato chiave-serratura, in cui la serratura è l’enzima e la chiave è il substrato ed

ovviamente la chiave potrà inserirsi solo se la serratura avrà una forma confacente e viceversa. Un

secondo modello è definito adattamento indotto. E’stato formulato dopo lo sviluppo della teoria del

complesso enzima-substratoe prevede che il sito attivo si formi solo dopo che il substrato ha preso

contatto con l’enzima e quest’ultimo di conseguenza si sia modificato strutturalmente. Con lo

sviluppo degli elaboratori elettronici che permette di creare innumerevoli modelli molecolari ci si

rende sempre più conto di quanto complessa sia la dinamica a cui va incontro la molecola

dell’enzima durante la catalisi e quindi quanto ancora scarsa sia l’informazione al riguardo.

FATTORI CHE INFLUENZANO L’ATTIVITA’ ENZIMATICA

Li possiamo così suddividere:

1) concentrazione dell’enzima;

2) concentrazione del substrato;

3) concentrazione dei cofattori;

4) concentrazione idrogenionica del mezzo (pH);

5) temperatura;

6) effettori (attivatori ed inibitori).

Nell’esaminare ciascuno di questi fattori si presuppone di mantenere costanti gli altri.

la velocità della reazione è direttamente proporzionale alla concentrazione dell’enzima. La

1) cinetica della reazione catalizzata in funzione della concentrazione dell’enzima sarà

rappresentata da una retta. Il discostamento da questa cinetica sarà indice di fattori di disturbo,

quali la presenza di inibitori od attivatori. Si definisce come attività specifica di un enzima la

moli di substrato che scompaiono o di prodotto della reazione che si formano nell’unità di

tempo per su intervento di una determinata quantità di proteina ( di solipo la attività specifics è

moli

espressa come di prodotto della reazione formate in un secondo da mg di protide). Nota la

massa molecolare dell’enzima in questione, laddove l’enzima sia in forma pura le moli di

prodotto di reazione per secondo e per mole di enzima defiscono il numero di turnover che sarà

una misura della velocità di ricambio sulla proteina enzimatica delle molecole di substrato ed

indirettamente della affinità del

La cinetica della reazione catalizzata in funzione della concentrazione del substrato è

2) rappresentata da una retta solo per concentrazioni basse di substrato, espresso in moli, e si

discosta sempre più da questo andamento quanto più elevata sarà questa concentrazione sino

alla scomparsa di qualsiasi relazione. Nelaa totalità la curva della velocità di reazione sarà un

iperbole rettangola in cui si definirà come velocità massimale (V ) la velocità a cui la reazione

max

si rende indipedente da [S], che si configura con quella concentrazione di substrato in grado di

saturare completamente tutti i siti attivi presenti sull’enzima e per la quale la concentrazione

dell’enzima e la concentrazione del complesso ES si eguagliano. Questa velocità è chiamata

anche velocità di saturazione. Dalla curva è possibile ricavare la velocità semimassimale (1/2

V ) a cui corrisponde un definito valore di [S]. Questo valore sarà specifico per ogni enzima e

max

per ogni substrato su esso agisce ed è definito come costante di Michaelis o Km, numericamente

uguale a quella concentrazione di S a cui l’enzima è saturato per metà dal suo substrato. La

relazione matematica che lega che la velocità all’istante con [S] e (V ) è la seguente:

max

V = V [S]/ Km + [S]

0 max

Se poniamo V uguale a 1/2 V , l’equazione diventa:

0 max

Km + [S] = 2 [S] da cui Km = [S]

La Km è misura dell’attrazione che l’enzima ha per il suo substrato e quindi con approssimazione

della sua affintà per il substrato. Valori elevati di Km sono indice di scarsa attrazione,l’opposto vale

-1 -6

per valori piccoli. I valori di Km sono compresi fra 10 e 10 M. Esempio la glucoso cinasi del

fegato (Km 20 mM) e l’esosocinasi del cervello (Km 0.05 mM) e la concentrazione ematica del

glucoso a digiuno (5 mM). Altro esempio è il seguente: Bere metanolo può essere fatale. Il

metanolo di per sé non è tossico, ma nel fegato per azione dell’alcool deidrogenasi viene convertito

in formaldeide, altamente tossica perché derivatizza gruppi aminici presenti sulle proteine. L’alcool

deidrogenasi normalmente ossida l’etanolo ad acetaldeide utilizzando come accettore dell’idrogeno

+

rimosso il NAD che legandosi alla deidrogenasi funge da coenzima. L’antidoto contro

l’avvelenamento da metanolo è rappresentato dalla somministrazione di bevande alcooliche, in


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DETTAGLI
Corso di laurea: medicina e chirurgia
SSD:
Docente: Ghigo Ezio
Università: Torino - Unito
A.A.: 2013-2014

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher cecilialll di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Biochimica e biologia molecolare e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Torino - Unito o del prof Ghigo Ezio.

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