Enzimi e cinetica enzimatica

ENZIMI (Pag.156-159)

Sono molecole di origine biologica capaci di accelerare specifiche reazioni chimiche !

sono catalizzatori.

La maggioranza degli enzimi sono di natura proteica, ma esistono anche enzimi di natura non

▪ proteica ribozimi = molecole di RNA che possiedono attività catalitica e sono responsabili di

!

eventi chiave nella biologia molecolare.

3 fondamentali caratteristiche:

1. Capacità di accelerare specifiche reazioni chimiche: all’interno degli organismi viventi le

reazioni catalizzate da enzimi sono tra 10 e 10 volte più veloci di quando l’enzima non

6 10

c’è (! in assenza di enzimi le reazioni metaboliche hanno una velocità che si può

considerare nulla). Nessun catalizzatore chimico è in grado di indurre tali accelerazioni.

2. Specificità di reazione: la maggioranza degli enzimi ha un’alta specificità, ma esistono

anche enzimi con bassa specificità, come le fosfatasi.

3. Regolazione dell’attività enzimatica: gli enzimi sono sensibili a segnali chimici che ne

regolano l’attività, questo perché, in questo modo, viene regolata la velocità di produzione

degli intermedi in una via metabolica e si evita che un enzima esaurisca un substrato o

produca un eccesso di prodotto. Tipi di regolazione dell’attività enzimatica sono:

- Inibizione a feedback: il prodotto terminale di una via metabolica inibisce il primo

enzima.

- Attivazione a feedforward: il primo enzima della via metabolica attiva l’ultimo enzima.

Il controllo delle vie metaboliche è possibile solo grazie al fatto che tutto il flusso metabolico

è mediato da enzimi.

CONCETTI CHIAVE (Pag.159-160)

▪ Substrato: qualsiasi composto che venga trasformato da un enzima reagente di una

!

reazione catalizzata da un enzima. La maggior parte degli enzimi catalizza reazioni con + di un

substrato.

Prodotto: risultato della trasformazione del substrato catalizzata dall’enzima. I prodotti

▪ possono essere + di uno.

Cofattore: componente non proteica di varia natura (coenzimi, gruppi prostetici, ioni metallici)

▪ legato in modo stabile o reversibile ad enzimi, e necessario per la loro funzione in quanto

attivatore.

Coenzima: molecole che si converte tra due o più forme differenti, è un cofattore. Es.

▪ adenosina trifosfato (ATP) che si può convertire in ADP; nicotinammide adenina dinucleotide

che si trova in forma ossidata (NAD ) o in forma ridotta (NADH).

+

Gruppo prostetico: molecola non proteica o ione legata saldamente all’enzima (con costanti

▪ di legame così elevate da impedirne il distacco in condizioni fisiologiche). Es. flavina adenina

nucleotide che si trova in forma ossidata (FAD) o in forma ridotta (FADH ).

2

Apoenzima: parte proteica degli enzimi che richiedono cofattori.

▪ Oloenzima: apoenzima con i cofattori legati (oloenzima = apoenzima + cofattore).

▪

CLASSIFICAZIONE DEGLI ENZIMI (Pag.160-163)

Ad ogni enzima viene attribuito un codice di identificazione composto da: 4 cifre separate da un

▪ punto e precedute dal prefisso EC (Enzyme Commission).

Questi 4 numeri rappresentano in ordine: classe, sottoclasse, sotto-sottoclasse, specifico

▪ enzima considerato.

Le classi di enzimi sono 6:

1. OSSIDORIDUTTASI: catalizzano reazioni ossidoriduttive, cioè di trasferimento degli

elettroni.

- Deidrogenasi: trasferiscono elettroni da un substrato a un coenzima o ad un gruppo

prostetico.

- Ossidasi: trasferiscono elettroni da un substrato ad O .

2

2. TRANSFERASI: trasferiscono un gruppo chimico da una molecola ad un’altra. Classificati

in base alla natura del gruppo che viene trasferito. ∝ ∝

Aminotransferasi (o transaminasi): trasferiscono gruppi -amminici, -amminoacidi,

- ∝ -chetoacidi.

- Chinasi: trasferiscono fosfato da ATP ad un’altra molecola. 1

3. IDROLASI: catalizzano la scissione di legami a seguito di aggiunta di H O (scissione

2

idrolitica).

- Esterasi: idrolizzano il legame estere.

- Peptidasi (o proteasi): idrolizzano il legame peptidico.

4. LIASI: rompono legami singoli C-C, C-O, C-N in modo non idrolitico, ma in modo tale che si

formi un doppio legame. Reazioni normalmente reversibili.

- Aldolasi: catalizzano una reazione chiave nella via glicolitica.

- Sintasi: catalizzano reazioni di condensazione nella via glicolitica (es. citrato sintasi).

5. ISOMERASI: catalizzano l’isomerizzazione di molecole secondo diverse modalità. Sono gli

unici enzimi che catalizzano reazioni con un solo substrato e un solo prodotto!

6. LIGASI (o SINTETASI): catalizzano il legame tra due molecole contemporaneamente

all’idrolisi dell’ATP (l’ATP fornisce infatti l’energia necessaria per la formazione del legame).

Es. enzimi che catalizzano reazioni durante sintesi proteica.

TEORIA DELLO STATO DI TRANSIZIONE (Pag.188-190)

La teoria dello stato di transizione o stato attivato è stata formulata da Eyring nel 1935.

▪ Lo stato di transizione, o stato attivato, è un intermedio tra reagenti e prodotti.

▪

3 proprietà fondamentali:

Lo stato di transizione è una struttura molecolare dall’esistenza transiente: la sua durata

▪ è quella di un evento vibrazionale (10 secondi). Instabilità alta energia ha un contenuto

! !

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energetico superiore a quello di reagenti e prodotti. Non può essere isolata in alcun modo!

Lo stato di transizione è strutturalmente intermedio tra reagenti e prodotti

▪

▪ Lo stato di transizione è in equilibrio chimico con reagenti e prodotti in base a questa

!

proprietà sono state sviluppate le equazioni che correlano la costante di velocità k con i

parametri di attivazione = variazione delle grandezze termodinamiche che si verifica nel

∓ ∓ ∓

∆ G , ∆ H , ΔS

passaggio dallo stato di transizione ai reagenti ( ).

K T ∓

B −∆G /RT

k = e

h

∓ ∓ ∓

∆ G = ∆ H − TΔS

Essendo: , allora l’equazione diventa:

K T ∓ ∓

B −∆H /RT ∆S /R

k = e e

h

La costante di velocità di una generica reazione chimica è il prodotto di tre termini:

▪ Uno non esponenziale K T/h rappresenta la frequenza con cui le molecole collidono.

! !

B

▪ Uno esponenziale di natura entropica rappresenta la probabilità che le molecole hanno di

!

collidere con orientamento idoneo a far avvenire la reazione.

▪ Uno esponenziale di natura entalpica o energetico rappresenta la frazione di molecole che

!

possiedono un’energia sufficiente per raggiungere lo stato di transizione.

Di conseguenza un evento di trasformazione chimica può avere luogo solo se si verificano le

!

seguenti 3 condizioni:

1. Che le molecole reagenti collidano

2. Che siano propriamente orientate all’atto della collisione

3. Che abbiano energia sufficiente per la reazione.

ENERGIA DI ATTIVAZIONE (Pag.191-194)

L’energia di attivazione E rappresenta l’energia complessiva fornita al sistema che incrementa sia

a

l’entalpia dei reagenti fino a portarli allo stato attivato, sia l’agitazione termica delle molecole.

∓

E = RT − ∆ H

a

Da questa equazione si ricava che: K T ∓

B −E /RT ∆S /R

k = e e

a

h