Gli enzimi

Gli enzimi

Gli enzimi sono catalizzatori per reazioni biologiche. La maggior parte sono proteine. Abbassano l'energia di attivazione e aumentano la velocità di reazione. Hanno una specificità di reazione. L'attività viene persa se denaturati. Possono essere proteine semplici o contenere cofattori quali ioni metallici o organici (vitamine).

Siti attivi degli enzimi

Il substrato è generalmente una piccola molecola, che si lega alla specifica area sull’enzima definito sito attivo, la regione specifica dell'enzima a cui la molecola del substrato è legata. Gli enzimi catalizzano la reazione abbassando l’energia di attivazione (Ea).

Tasso di accelerazione

L’enzima abbassa la barriera di attivazione paragonato alle reazioni acquose non catalizzate.

Proprietà degli enzimi

La specificità degli enzimi è assoluta (un enzima agisce solo su un substrato), relativa (un enzima agisce su differenti substrati che hanno lo stesso tipo di legame) e stereospecifica (alcuni enzimi possono catalizzare la trasformazione dei soli substrati che hanno una certa configurazione geometrica cis o trans). Alcuni enzimi sono stereospecifici.

L’azione degli enzimi

La struttura degli enzimi è flessibile, non rigida. L’enzima e il sito attivo regolano la forma per legarsi al substrato. I cambiamenti di forma migliorano la catalizzazione durante la reazione.

Perdita di entropia

Il complesso ES è un’entità altamente organizzata rispetto ad E + S in soluzione. Il legame del substrato al sito attivo dell’enzima mette in contatto tutti i gruppi reattivi nella migliore posizione con un netto calo di entropia. Sia il substrato sia l’enzima sono dotati di entropia traslazionale e di entropia rotazionale: entrambi i tipi di entropia vengono perduti quando le due molecole E e S reagiscono per dare il complesso ES. Poiché in questo processo ΔS è negativo, il termine -TΔS è una quantità positiva che compensa l’energia di legame intrinseca.

Destabilizzazione del complesso ES

• Desolvatazione
• Tensione strutturale: l’enzima è disegnato per legarsi allo stato di transizione più strettamente che al substrato
• Effetti elettrostatici

Quando gruppi carichi su un substrato passano dal solvente acquoso al sito attivo di un enzima, essi vengono desolvatati: meno stabili e più reattivi. Quando un substrato penetra nel sito attivo, i gruppi carichi possono essere spinti ad interagire sfavorevolmente con cariche dello stesso segno.

Differenti tipi di catalizzazione enzimatica

• Acido-base
• Covalente
• Ioni metallo

Esempio della catalizzazione dello ione metallo

La carbossipeptidasi A è un classico esempio di enzima che utilizza Zn²⁺.

Gli enzimi controllano il metabolismo regolando la velocità di reazione metabolica. Agiscono solo su uno specifico substrato. Non cambiano l’energia della reazione ma potenziano la velocità con cui essa avviene. Sono dei catalizzatori che promuovono la formazione di reazioni coerenti.

Velocità di reazione

Velocità iniziale (v₀) e S. La concentrazione del substrato (S) presente influenzerà notevolmente la velocità della formazione dei prodotti.

Come definire l’attività degli enzimi?

Le proprietà fisiche di un enzima sono misurate molto spesso in base alla velocità relativa che il substrato produce.

• 1 unità ATTIVITÀ = Unità internazionale (IU)
• 1 unità SPECIFICA ATTIVITÀ = IU dell’attività enzimatica per i mg delle proteine totali presenti

La velocità v₀ della reazione catalizzata da un enzima dipende da:

• Concentrazione del substrato
• Temperatura
• P
• Forza ionica della soluzione acquosa

Cinetica della saturazione enzimatica

Quando la velocità iniziale è tracciata contro S, ne risulta una curva iperbolica dove V_max rappresenta la massima velocità della reazione. Se S > E, tutti gli enzimi disponibili vengono saturati con il substrato legato.

Michaelis-Menten Curve

Spiegarono la forma della curva di velocità. L’equazione mostra che quando S > Km, allora v₀ = V_max; quindi v₀ non dipende da S.

Significato di Km

• Quando v₀ = ½ V_max, allora la relazione V_max/2 > Km = S
• Sperimentalmente, Km è un parametro utile per caratterizzare il numero e/o tipi di substrati che un particolare enzima utilizza.
• È anche utile per confrontare gli enzimi simili da tessuti diversi o diversi organismi.
• Inoltre, è la Km dell’enzima limitante in molte delle vie metaboliche biochimiche che determina la quantità di prodotto e la regolazione complessiva di un determinato percorso.
• Clinicamente, i confronti di Km sono utili per valutare gli effetti che le mutazioni hanno sulla funzione della proteina per alcune malattie genetiche ereditarie.
• Piccoli valori di Km indicano grande affinità dell’enzima al substrato.

Lineweaver-Burk

Vantaggio: determinazione accurata dei valori di Km e V_max.

Eadie-Hofstee Plot

La pendenza è -km. L’asse y intercetta è Vm. Può essere oggetto di grande errore dal momento che entrambe le coordinate contengono la variabile v dipendente.

Effetti della temperatura

Aumenti dei tassi di reazione con la temperatura fino ad un limite. Sopra una certa temperatura, l'attività diminuisce con la temperatura a causa della denaturazione. La denaturazione è molto più veloce dell’attivazione. Il rate varia secondo l'equazione di Arrhenius.

Effetto della temperatura sull’attività enzimatica

Equazione di Arrhenius: dove k = costante di velocità, A è una costante che dipende dalla natura dei reagenti, e = 2,718 è la base dei logaritmi naturali o neperiani, E_att è l'energia di attivazione della reazione, R è la costante universale dei gas, T è la temperatura assoluta.

Effetti del pH

Sugli enzimi

Gli enzimi hanno gruppi ionici sui loro siti attivi. La variazione del pH cambia la forma ionica dei siti attivi. Il pH cambia la struttura tridimensionale degli enzimi.

Sul substrato

Alcuni substrati contengono gruppi ionici. Il pH influenza la forma ionica del substrato e colpisce l'affinità del substrato all'enzima.

Effetto del pH sull’attività enzimatica

Il riconoscimento enzima-substrato e le risposte catalitiche che ne derivano dipendono largamente dal pH. Generalmente, gli enzimi sono attivi solo nell’ambito di un limitato intervallo di pH e la maggior parte di essi esercita un’attività ottimale in corrispondenza di un particolare valore di pH.

Effetto della concentrazione degli enzimi sulla velocità

Nel fisso, saturando [S], maggiore è la concentrazione dell’enzima, maggiore è la velocità di reazione iniziale. Questa relazione si terrà fino a quando non vi è sufficiente substrato.

Effetto della concentrazione degli enzimi sul controllo del metabolismo

La concentrazione di un enzima può cambiare.