Enzimi, Basi biologiche

GLI ENZIMI

Premessa

Sono proteine che svolgono attività catalitica e regolatrice nei sistemi biologici.

Un organismo può sviluppare uno stato morboso sia in assenza che in eccessiva quantità di un dato

enzima.

Classificazione e Nomenclatura degli enzimi

Inizialmente nessuna relazione con la funzione svolta, Classi e azione

suffisso -INA. catalitica Funzione

Successivamente arrangiamento al substrato, suffisso Catalizzano le reazioni

1. Ossidoreduttasi di ossidoriduzione

-ASI, ma più enzimi catalizzavano per lo stesso substrato Catalizzano il

quindi introduzione di un sistema di nomenclatura basato trasferimento di gruppi

2. Transferasi

sul tipo della reazione catalizzata e sul nome del substrato Catalizzano la rottura

di ciascun enzima. di legami con

Nome proposto + Nome sistematico + Numero di 3. Idrolasi l'aggiunta di acqua

classificazione. Catalizzano l'addizione

Numero di classificazione: di gruppi a doppi

4. Liasi legami o l'inverso

- primo numero Classe Catalizzano le reazioni

- secondo numero Sottoclasse di isomerizzazione

5. Isomerasi

- terzo numero Sotto Sottoclasse Catalizzano la

- quarto numero Enzima formazione di legami

Specificità assoluta → Catalisi per un substrato specifico. accoppiati alla idrolisi

Specificità relativa → Catalisi di più substrati 6. Ligasi di ATP

chimicamente simili.

Gli enzimi: catalizzatori biologici

Caratteristiche:

A reazione conclusa devono avere invariata la loro struttura per poter riprendere l'attività

• catalitica.

Devono essere efficaci in piccole quantità.

• Non devono compromettere l'equilibrio di una reazione reversibile.

• Devono mostrare specificità nell'accelerare la reazione agendo con specificità assoluta o

• relativa.

Funzione → Rendere più veloce il processo di reazione.

Gli enzimi e l'energia di attivazione

Il livello termico misurato da un dato substrato ad una data temperatura è il risultato medio delle

energie cinetiche delle singole molecole.

Energia di attivazione (E )→ Soddisfacimento da parte di alcune molecole, di esigenze sia

att steriche che energetiche:

Devono urtarsi: più è elevata la concentrazione maggiore è la probabilità di urti.

• Devono urtarsi con energia sufficientemente elevata per far interagire gli orbitali di legame.

• Devono urtarsi orientando adeguatamente gli orbitali di legame.

•

Velocità di reazione → Misurata in termini di quantità di prodotto ottenuto in tempo definito è

molto bassa; può essere aumentata in due modi:

Aumentando la temperatura di reazione. (fig.1 p.130)

•

Aumento della percentuale di molecole nel reagente in modo da favorire gli urti utili, aumentando la

quantità di prodotto ottenuto.

Usando un catalizzatore. (fig.2 p.131)

•

Essi abbassano la barriera di energia che le molecole di substrato devono superare prima di essere

convertite in molecole di prodotto.

Gli enzimi abbassano l'energia di attivazione cambiando la via della reazione stessa.

⇄

Reazione globale: S P ⇄ ⇄ ⇄

Reazione catalizzata da un enzima: E+S ES EP E + P

Perché ci sia la formazione di prodotti è necessario superare inizialmente l' E .

att

Complesso Enzima-Substrato (ES) → Enzima interagisce con il substrato.

→ Le interazioni sono date da legami deboli.

Complesso Enzima-Prodotto (EP) → Conversione dell'ES durante la reazione; ne segue la

dissociazione in E e P.

L'E costringe i reagenti ad avvicinarsi, favorendo il contatto e orientando gli atomi utili alla

reazione.

Numero di urti utili per unità di tempo → Molto più elevati in reazioni catalizzate da E.

Il sito attivo

Sito attivo → Parte della proteina che si trova nella struttura terziaria che entra in contatto con S.

→ Ogni molecola enzimatica ne ha uno; questo determina la specificità e la funzione

catalitica.

→ Regione interna dell'enzima e contiene la catena laterale di almeno tre AA in

relazione stechiometrica tra loro dopo il piegamento della catena polipeptidica.

→ Forma legami deboli tra i residui di AA e la struttura primaria.

Modello chiave-serratura (Fisher) → L'E e S si incastrano in una forma già definita.

E + S → ES → EP → E + P

Modello induced-fit → L'E si adatta alle caratteristiche di S

E + S → Adattamento → ES → EP → E + P

Fattori che influenzano le reazioni catalizzate dagli enzimi

Concentrazione di S

•

Proporzionalità diretta tra la quantità di S aggiunto e quella di P formato, ma aggiungendo

continuamente S, la velocità di S → P si fermerà nel punto massimo (V ).

max

Avendo quantità costante di E e crescenti di S il moto di attività di E sarà prima crescente e poi a

V rettilinea.

max

Velocità massima (V ) o Velocità di saturazione → Si ha quando E è saturato da S.

max

Costante di Michaelis (K ) → Determina l'affinità tra E e S.

m K < = Affinità >

m

K > = Affinità <

m

→ Se K è bassa sarà necessaria poca energia, quindi l'affinità è

m

maggiore.

Esochinasi → Trasferisce il glucosio nel cervello.

Glucochinasi → Trasferisce il glucosio nel fegato.

L'esochinasi è satura quando ci sono concentrazioni di glucosio ematico normali, la glucochinasi

permette al fegato di controllare i livelli ematici di glucosio.

Concentrazione di E

•

[2E] = Velocità raddoppia.

La quantità di E in un campione biologico viene misurata fornendo un eccesso di S e determinando

la quantità di P prodotta in un determinato tempo.

Concentrazione dei Cofattori (Co)

•

Cofattore → Molecola che interagisce con E.

Coenzima → E che ha Co come molecola organica (proteina) e coincide col gruppo prostetico delle

proteine coniugate.

Oloenzima → Complesso E-Co (biologicamente attivo).

Apoenzima → Proteina rimanente dalla rimozione di Co (catabolicamente inattiva).

Attivatore → Co come ione metallico.

→ Permette all'E di adattarsi a S.

Apoenzima + Coenzima → Oloenzima

Coenzimi → Funzionano come trasportatori di gruppi funzionali, atomi o elettroni.

→ Vengono consumati nella reazione.

→ Diventano selettivi solo quando sono abbinati all'E.

Inibitori enzimatici (I)

•

Chemioterapia → Somministrazione di farmaci.

Farmacologia → Studio del farmaci e della loro composizione.

Farmaco → Ha la funzione di inibire l'attività di un E.

Inibizione competitiva → L'I ha forma simile a S e va ad occupare il sito attivo dei E,

compromettendone l'attivazione.

⇏

E + I → EI

→ Sulfamidici: struttura simile al PABA e competono per la formazione

dell'acido folico.

Inibizione non competitiva → L'I modifica indirettamente l'E in modo che S non sia più

compatibile rispetto al sito attivo.

→ Denaturanti: Metalli pesanti che reagiscono con la catena proteica.

Numero di turnover (Nt) → Definisce il numero di molecole di S accettate da una singola

molecola di E in ogni secondo.

→ Permette di valutare la purezza di E.

Nell'inibizione competitiva il Nt può scendere a zero in base alla concentrazione di I.

Nell'inibizione non competitiva Nt viene solamente diminuito perché l'enzima viene solo modificato

e non inattivato.

Temperatura

•

Denaturazione → Modifica irreversibile di una proteina.

Denaturazione di un enzima → T > 60°C (pastorizzazione, sterilizzazione).

→ T < -22°C (surgelazione).

pH

•

Variazione di pH → Alterazione del grado di ionizzazione di vari gruppi ionizzabili.

→ Diminuzione della capacità di legame ES dovuto alla repulsione delle

molecole con la stessa carica.

→ I gruppi catalizzatori non funzionano nel modo corretto.

→ Denaturazione enzimatica.

pH ottimale → pH a cui l'enzima è più efficiente. (pH 2 stomaco, pH 8 intestino).

→ normalmente vicino al punto isoelettrico.

Enzimi digestivi → Si attivano a pH 2 ma si disattivano a pH maggiori.

Fattori Allosterici (FA)

•

Enzima allosterico → Enzima che non obbedisce alle reazioni stechiometriche ricavabili dalla K .

m

→ Struttura quaternaria con più siti chimicamente attivi.

Effettori Allosterici → Sito regolatore o sito allosterico.

→ Effettore + = Attiva E

Effettore - = Inibisce E

Effettore → Molecola che interagendo in siti lontani dal sito attivo di E esercita un qualche effetto

sulla sua attività.

→ Legame tra FA ed E modifica la struttura terziaria di quest'ultimo.

→ La velocità di reazione non dipende dalla quantità di S ma dalla presenza o meno di

FA, in grado di attivare o disattivare la reazione di E.

Isoenzimi

Isoenzima → E che catalizzano la stessa reazione.

→ Importanti perché rispondono a diverse necessità della cellula.

Cheratina fosfochinasi (CPK) → Immagazzina ATP