Enzimi (sintesi)

M

costanti: 

k k

 

1 2

K M k

1

12

Inoltre, si noti che ad alte concentrazioni di substrato [S] >> K per cui la K diventa trascurabile

M M

rispetto alla [S] e la formula di v diventa: v = k [E] = v quindi, una volta raggiunto lo stato

2 0 max

stazionario il valore della velocità massima, v , è dato dal prodotto v = k [E] (cioè la v

max max 2 0

l’enzima da un’elevata

massima viene raggiunta quando viene saturato concentrazione di substrato

e dunque E è completamente nella forma ES) l'equazione di Michaelis-Menten può anche essere

espressa nella forma alternativa:

L'equazione di Michaelis e Menten mette quindi in relazione la velocità di formazione del prodotto

V con la concentrazione del substrato [S]. Ponendo K = [S] nell'equazione di Michaelis-Menten,

M

si ricava che:

Pertanto la K coincide numericamente con la concentrazione di substrato [S] necessaria per

M

raggiungere una velocità di reazione pari alla metà della velocità massima. La costante di

Michaelis-Menten K è caratteristica di ciascun enzima ed indica l'affinità dell'enzima per il suo

M

substrato: più bassa è K --> più bassa è [S] per raggiungere una velocità di reazione pari alla

M

metà di v max --> ciò vuol dire che E ed S hanno grande tendenza a reagire. ( = alta affinità

enzima-substrato)

Se riportiamo la velocità di reazione enzimatica in funzione della concentrazione di substrato [S],

descrive un’

osserviamo che l’equazione di Michaelis-Menten iperbole rettangolare (ramo

di iperbole). : 

v lim v

 

max  

S

13

7-Fattori che influenzano le reazioni catalizzate dagli enzimi

La velocità delle reazione catalizzate da un enzima varia in relazione a vari fattori:

a) la concentrazione del substrato

b) la concentrazione dell’enzima

c) la concentrazione dei cofattori

d) temperatura

e) pH

a) Effetto della concentrazione del substrato

Supponiamo di mantenere costante la concentrazione dell’enzima e di aumentare progressivamente

invece la concentrazione del substrato. Inizialmente, Noteremo che la velocità della reazione

aumenterà in modo proporzionale all’aumento della concentrazione del substrato (nel primo tratto

certo punto l’incremento

della curva la v è quasi direttamente proporzionale alla [S]). Tuttavia ad un

della velocità della reazione si attenua nel tempo fino a che, in presenza di notevoli quantità di

substrato, non si verifica più nessun incremento della velocità di reazione (la v risulta indipendente

dalla [S]). Questo accade appunto quando il substrato raggiunge un certo livello e tutti i siti attivi

sono stati saturati dal substrato, ovvero tutti gli enzimi liberi si legano al substrato e formano

il complesso ES (enzima-substrato). Alla velocità massima quindi la quantità del complesso ES

è pari a quella dell’enzima stesso.

Un altro parametro da considerare è la costante K di Michaelis-Menten: essa è un indice di affinità

M

tra l'enzima e il substrato; è caratteristica dell'enzima e non dipende dalla sua concentrazione,

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dipende invece dalla concentrazione del substrato [S] e dalla solubilità. Più la costante è alta (+

K ) meno c'è affinità tra enzima e substrato (- affinità tra E ed S) e maggiore sarà la

M

concentrazione di substrato necessaria a raggiungere una velocità di reazione pari a metà

della velocità massima. Se esaminiamo il grafico della v di reazione in funzione della

concentrazione di glucosio mM (millimolare) per l'esochinasi e per la glucochinasi, possiamo

osservare i seguenti andamenti:

L'esochinasi e la glucochinasi catalizzano lo stesso tipo di reazione e cioè la fosforilazione del

glucosio (vedi reazione seguente); l'esochinasi opera nel cervello, mentre la glucochinasi nel

fegato, la funzione però è analoga.

La differenza sta nel fatto che l'esochinasi ha una K più bassa della glucochinasi ,

M

precisamente: −6 −4

M +2.

esochinasi --> K = 100 (micromolare) = 10 10 M = 10 M (-KM)--> (+ affinità)

M1 −3 −2

.

glucochinasi --> K = 10 mM (millimolare) = 10 10 M = 10 M (+KM)--> (- affinità)

M2

cioè l'affinità dell'esochinasi nei confronti del glucosio è 100 volte più elevata di quella della

glucochinasi. Per tale motivo l'esochinasi si trova nelle cellule del cervello, che com'è noto, non

possono restare senza zucchero. 15

b) Effetto della concentrazione dell'enzima

Consideriamo ora l’effetto della concentrazione dell’enzima [E] sulla velocità di reazione quando la

concentrazione del substrato è in eccesso. Si può notare che se si raddoppia la concentrazione

dell’enzima [E] anche se la concentrazione dell’enzima è

la velocità della reazione raddoppia;

triplicata, la velocità della reazione si triplica e così via. Pertanto, [E] e velocità sono legate da una

relazione di tipo lineare e all'aumentare dell'una aumenta anche l'altra. Nella figura viene inoltre

dell’enzima

messa in relazione la quantità di prodotto formato per minuto [P] e la concentrazione

[E]:

c) Effetto della concentrazione dei cofattori

Ricordiamo brevemente quanto detto sui cofattori in precedenza:

gli enzimi riescono a catalizzare anche reazioni di ossido-riduzione e reazioni in cui avviene il

trasferimento di gruppi funzionali perché si associano con piccole molecole dette cofattori che

agiscono come artigli chimici degli enzimi. I cofattori possono essere:

++ ++ ++

A) ioni metallici ( Ca , Zn , Mg ) +

B) molecole organiche complesse di natura non proteica detti coenzimi (FAD e NAD )

C) gruppi prostetici (che restano permanentemente legati alla proteina, in alcuni casi mediante

legami covalenti).

Gli ioni metallici permettono alla proteina di assumere una struttura terziaria. adatta alla funzione

che la proteina deve svolgere; gli ioni metallici in pratica formano un ponte tra substrato ed enzima

per cui contribuiscono all'attività dell'enzima. I coenzimi, invece, si modificano nel corso della

reazione, perché fungono da trasportatori o da intermedi; difatti i coenzimi possono legare ioni

+ -

H oppure elettroni (e ) o gruppi chimici necessari a far avvenire una specifica reazione. Si

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osservi però che mentre gli enzimi non necessitano di essere rigenerati perché non si modificano

dopo la reazione, invece i coenzimi devono essere ricostituiti mediante reazioni inverse rispetto a

quelle che hanno portato alla loro modificazione. Esempi di coenzimi: FAD flavin adenina

dinucleotide , coenzima di alcuni enzimi che catalizzano le reazioni di deidrogenazione, 2 atomi di

H vengono traferiti al FAD che così si riduce trasformandosi in FADH 2

+ -

FAD + 2 H + 2e --> FADH 2

+

In modo analogo agisce anche il NAD (nicotinammide adenina dinucleotide) che si riduce

+

trasformandosi in NADH + H + + - +

NAD + 2 H + 2 e --> NADH + H

d) Effetto della temperatura

La velocità di una reazione può essere aumentata incrementando la temperatura (fino ad un certo

limite), in quanto cresce il numero delle molecole che dispongono di un’energia sufficiente per

superare la soglia energetica dell’energia di attivazione aumento l’energia cinetica delle

(+T --->

2

particelle (Ec = 1/2 mv ) ---> e di conseguenza aumenta il numero degli urti efficaci--> + v). Per

molte reazioni bimolecolari accade che un aumento di 10 gradi di T ---> corrisponde ad un

raddoppio della velocità di reazione tra composti inorganici.

Tuttavia un incremento eccessivo della temperatura porta ad una denaturazione irreversibile

ne vengono rotti i legami più deboli presenti all’interno della propria

di un enzima poiché

molecola. Quando poi la temperatura sarà eccessivamente alta verrà alterata tutta la struttura

terziaria dell’enzima, che andrà incontro quindi ad una denaturazione con conseguente perdita

delle proprie funzionalità (non svolge più l'attività di catalizzatore). Tutti gli enzimi comunque

presentano una temperatura ottimale per la propria attività. Se osserviamo il seguente diagramma:

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possiamo vedere i due effetti opposti della aumento di T : da un lato aumenta la v di reazione ma

dall'altro diminuisce la velocità a causa della denaturazione; sommando i due contributi si ottiene la

curva risultante dalla loro interazione. Il grafico rappresentativo dell'attività dell'enzima in funzione

di T è una curva a campana ed il massimo dell'attività si ottiene a T vicine a quelle corporee, mentre

a temperature inferiori o superiori l'attività dell'enzima diminuisce rapidamente.

A T elevate (superiori a 56°C) l'attività di un enzima si blocca di solito in modo irreversibile

perché la proteina viene denaturata, mentre a T basse gli enzimi non vengono denaturati e possono

recuperare la loro attività catalitica quando la T si innalza nuovamente. E' per questo motivo che noi

conserviamo molte delle sostanze alimentari in frigorifero.

e) Effetto del pH

L’attività enzimatica e di conseguenza la velocità di una reazione catalizzata da un enzima è

influenzata dalla variazione del pH. Le variazioni di pH infatti influenzano lo stato di ionizzazione

dei gruppi acidi e basici presenti negli amminoacidi, alterando il ripiegamento della catena

polipeptidica e la forma della proteina stessa, per cui le reazioni potrebbero non aver luogo. In

genere il pH ottimale è compreso tra 6 e 8 ma ogni enzima ha un suo pH ottimale a cui

corrisponde un’attività enzimatica massima: la pepsina ad esempio agisce in un ambiente

fortemente acido a pH = 1.5 , agisce nello stomaco in presenza di HCl per cui il suo pH

ottimale è pari a 1.5 (vedi figure successive). 18

Di solito i grafici dell'attività enzimatica in funzione del pH hanno forma a campana, in alcuni casi

però tale forma può variare notevolmente. Ad esempio la chimotripsina ha un pH ottimale pari a

8.0; la colinesterasi ha un pH ottimale = 7.5- 8.0; la papaina (enzima proteolitico che scinde i

legami peptidici delle proteine) ha massima attività per valori di pH compresi fra 4.2 ed 8.2.

19

8-Inibizione enzimatica

L'inibizione enzimatica è un meccanismo di regolazione , nel quale specifiche molecole o ioni,

detti inibitori, si legano all'enzima provocando un r