Riassunto esame Biochimica, prof. Marcocci, libro consigliato Principi di biochimica, Lehninger

Gli enzimi

La conversione del saccarosio in CO₂ e H₂O in presenza di ossigeno è un processo altamente esoergonico, cioè rilascia energia che noi possiamo usare per pensare, muoverci, vedere etc... Tuttavia, una bustina di zucchero può rimanere per anni nel cassetto senza che questo composto venga convertito in CO₂ e H₂O, in quanto questo processo, pur essendo termodinamicamente favorito, è estremamente lento. Invece, quando l'uomo consuma saccarosio, la sua energia chimica viene rilasciata in pochi secondi.

La differenza sta nella catalisi. Senza catalisi, le reazioni come l'ossidazione del saccarosio non avvengono in ambiti di tempo compatibili con la vita. Gli enzimi sono per la stragrande maggioranza delle proteine specializzate (eccezione fatta per alcuni tipi di RNA catalitico) che hanno un alto grado di specificità per i loro substrati, che accelerano enormemente le reazioni chimiche e agiscono in soluzione acquosa in condizioni precise di temperatura e pH. Gli enzimi sono quindi definiti come catalizzatori chimici che hanno un ruolo centrale in ogni processo biologico.

La loro attività catalitica dipende dall'integrità della loro struttura e dal mantenimento della conformazione nativa. Se un enzima viene denaturato o dissociato in subunità, perde la sua attività catalitica. L'attivazione viene persa anche se l'enzima viene idrolizzato, per produrre i singoli amminoacidi costitutivi. Quindi le strutture primaria, secondaria e terziaria sono essenziali per l'espressione dell'attività catalitica.

Coenzimi e cofattori

Alcuni enzimi non hanno bisogno per la loro attività di altri gruppi chimici se non di quelli delle catene laterali dei loro residui amminoacidici; altri invece hanno bisogno di componenti chimici addizionali chiamati cofattori che comprendono uno o più ioni inorganici (Fe⁺⁺, Mn⁺⁺ ecc.), oppure da complesse molecole organiche chiamate coenzimi. I coenzimi agiscono come trasportatori transitori di specifici gruppi funzionali. Certi enzimi necessitano per il loro funzionamento sia di un coenzima sia di ioni metallici. Un coenzima o uno ione metallico legato covalentemente alla proteina enzimatica viene detto gruppo prostetico. La parte proteica di un enzima viene chiamata apoproteina o apoenzima.

Esempi di coenzimi: Biotina, Coenzima A, FAD, acido lipoico, NAD, tiamina pirofosfato, che trasferiscono rispettivamente CO₂, gruppi acilici, elettroni, elettroni e gruppi acilici, ioni idruro ed aldeidi.

Classificazione degli enzimi

Gli enzimi sono classificati in base alle reazioni che catalizzano. Abbiamo sei classi principali:

• Ossidoreduttasi: trasferimento di elettroni (ioni idruro o atomi di H)
• Trasferasi: reazioni di trasferimento di gruppi funzionali
• Idrolasi: reazioni di idrolisi (trasferimento di gruppi funzionali all'acqua)
• Liasi: addizione di gruppi a legami doppi o formazione di doppi legami mediante rimozione di gruppi
• Isomerasi: trasferimento di gruppi all'interno di molecole per formare isomeri
• Ligasi: formazione di legami C-C, C-O, C-N mediante reazioni di condensazione accoppiate alla scissione di ATP

Catalisi enzimatica

La catalisi enzimatica delle reazioni è un processo essenziale per gli organismi viventi. Nelle condizioni biologiche le reazioni non catalizzate tendono ad essere troppo lente; la maggior parte delle molecole biologiche sono abbastanza stabili ad un pH neutro, a temperatura ambiente e nell'ambiente acquoso presente all'interno delle cellule. Inoltre, molte reazioni biochimiche comuni, sono processi che possono essere non spontanei o improbabili nell'ambiente cellulare, come la formazione transitoria di un intermedio catalitico instabile o la collisione tra due o più molecole con un certo orientamento, essenziale per la reazione. Un enzima supera questi problemi generando un ambiente specifico in cui una data reazione è energeticamente favorita.

Una caratteristica delle reazioni catalizzate dagli enzimi è proprio quella di avvenire all'interno dei confini di una tasca dell'enzima chiamata sito attivo. La molecola che si lega al sito attivo e su cui l'enzima agisce è detta substrato. La superficie di un sito attivo è rivestita di residui amminoacidi i cui gruppi funzionali costituenti legano il substrato e catalizzano la reazione chimica. Spesso il sito attivo ingloba un substrato, sequestrandolo completamente dalla soluzione. La formazione del complesso enzima-substrato, ES, è essenziale per la catalisi. È importante rendersi conto che gli enzimi modificano la velocità delle reazioni, non gli equilibri.

Una semplice reazione enzimatica può essere scritta come:

⇆ E + S → ES → EP → E + P

Dove E, S e P rappresentano rispettivamente l'enzima, il substrato e il prodotto. ES ed EP sono i complessi transitori dell'enzima con il substrato e con il prodotto. Per comprendere la catalisi dobbiamo prima essere in grado di distinguere tra equilibrio chimico e velocità di reazione. La funzione di un catalizzatore è quella di aumentare la velocità di una reazione. I catalizzatori non modificano però gli equilibri delle reazioni. Come abbiamo visto nei sistemi biologici, l'energia viene espressa nei termini di energia libera, G.

Nel grafico della coordinata, l'energia libera di un sistema viene analizzata in funzione del procedere della reazione (la coordinata di reazione). Il punto di partenza per la reazione è definito stato basale e corrisponde al contributo di energia libera fornito al sistema da una molecola (S o P).

Nota bene: Per descrivere la variazione di energia libera della reazione, i chimici hanno definito un gruppo di condizioni standard (temperatura 25 °C, pressione parziale di ogni gas: 1 atm, concentrazione di ogni soluto 1 M); la variazione di energia libera a cui il sistema può andare incontro in queste condizioni è indicata come ∆G°, la variazione di energia libera standard. Poiché nei sistemi biologici la concentrazione degli ioni H⁺ è molto lontana dall'essere 1 M, i biochimici hanno definito la variazione di energia libera standard biochimica, cioè la variazione di energia libera standard a pH 7.

L'equilibrio tra S e P dipende dalla differenza tra i livelli di energia libera dei due composti ai loro stati basali. Nell'esempio mostrato l'energia libera dello stato basale di P è minore di quella di S e quindi il ∆G della reazione è negativo e l'equilibrio favorisce P. Questo equilibrio non viene modificato da un catalizzatore. Se un equilibrio è favorevole non significa però che la velocità della conversione di S in P sia elevata. La velocità di una reazione dipende da un parametro completamente diverso.

Tra S e P esiste una barriera energetica che corrisponde all'energia libera necessaria ad allineare i gruppi reagenti, a formare cariche transitorie instabili, a riorganizzare legami e a produrre altre trasformazioni necessarie alla reazione per procedere in una delle due direzioni. Questa barriera ricorda una collina. Perché possa avvenire la reazione le molecole devono superare questa barriera e quindi devono raggiungere un livello energetico più elevato di quello basale. Al punto più alto della curva, la molecola ha la stessa probabilità di decadere verso S o verso P (entrambe le vie sono in discesa).

Questo punto viene definito come stato di transizione e non corrisponde a una specie chimica con una stabilità significativa, quindi non è da confondere con un intermedio della reazione (come ES o EP). È più semplicemente un momento molecolare transitorio in cui alcuni eventi come la rottura di un legame, la formazione di un legame o la comparsa di una carica devono procedere a quel punto preciso in cui il composto acquista la probabilità di diventare il prodotto o ritornare al substrato.

La differenza tra i livelli di energia dello stato di base e dello stato di transizione è detta energia di attivazione ∆G⁺⁺. La velocità di una reazione dipende da questa energia di attivazione; un'elevata energia di attivazione corrisponde ad una bassa velocità della reazione. Le velocità delle reazioni possono essere aumentate alzando la temperatura (o la pressione) incrementando quindi il numero di molecole che possono recuperare una quantità di energia sufficiente a superare la barriera energetica. L'energia di attivazione può essere abbassata aggiungendo un catalizzatore. Il catalizzatore aumenta la velocità della reazione abbassando l'energia di attivazione.

Gli enzimi non sfuggono alla regola fondamentale dei catalizzatori, e cioè che essi non alterano gli equilibri delle reazioni a cui partecipano. Le frecce bidirezionali nella reazione chimica stanno ad indicare che un enzima che catalizza la reazione S → P catalizza anche la reazione P → S. Il suo ruolo è quello di accelerare l'interconversione tra S e P. L'enzima non viene consumato durante questo processo e l'equilibrio resta inalterato. La reazione raggiunge però l'equilibrio molto più rapidamente quando è presente l'enzima, in quanto la velocità della reazione è molto superiore a quella normale.

Nelle cellule il saccarosio viene convertito in CO₂ e in acqua in presenza di O₂ mediante una serie di reazioni catalizzate da enzimi. Questi enzimi non solo accelerano le reazioni ma le organizzano e le controllano in modo che l'energia liberata da questo processo possa essere recuperata in altre forme e resa disponibile alla cellula per le sue funzioni.

In pratica ogni reazione è costituita da diverse tappe, in cui si ha la formazione e la scomparsa di specie chimiche transitorie chiamate intermedi di reazione. Un intermedio di reazione può essere definito come qualunque specie chimica che si forma lungo il percorso della reazione, che ha un tempo di vita finito. Quando la reazione S → P viene catalizzata da un enzima, i complessi ES ed EP sono intermedi stabili; essi occupano i punti più bassi nella curva energetica del grafico della coordinata della reazione catalizzata.

Quando in una reazione sono presenti più tappe, la velocità complessiva della reazione è determinata dalla tappa (o dalle tappe) con l'energia di attivazione più elevata, che viene detta tappa che limita la velocità (più semplicemente limitante). Le energie di attivazione sono sì delle barriere per le reazioni chimiche ma sono ugualmente importanti per la vita. La velocità con cui una molecola va incontro ad una particolare reazione diminuisce all'aumentare dell'energia di attivazione. Se non esistesse questa barriera energetica, le macromolecole complesse potrebbero convertirsi spontaneamente in forme molecolari più semplici.

Nel corso dell'evoluzione gli enzimi hanno sviluppato la capacità di abbassare le energie di attivazione e...