Modulo 5: Gli enzimi - Moodle@Units
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Modulo 5: Gli enzimi
Introduzione agli enzimi • Ogni istante negli organismi viventi si verificano migliaia di reazioni chimiche. • Tutte le reazioni chimiche sono accelerate (catalizzate) da enzimi, proteine (e in qualche caso RNA) specializzate nella catalisi delle reazioni metaboliche. • Le caratteristiche fondamentali degli enzimi sono il potere catalitico, la specificità e la regolazione. • Essi giocano un ruolo fondamentale nel metabolismo, controllando il flusso delle reazioni chimiche, e nelle attività regolatorie necessarie a soddisfare le necessità metaboliche contingenti delle cellule.
Gli enzimi sono efficienti catalizzatori
altamente specifici
Potere catalitico
Gli enzimi accelerano le reazioni chimiche di
parecchi ordini di grandezza (spesso di
1x106 x)
Es: anidrasi carbonica idrata 106
molecole/sec di CO2 (107x)!
Specificità
Sono specifici sia nel tipo di reazione
catalizzata sia nella scelta dei propri
reagenti (substrati)
Forniscono prodotti con rese molto elevate (>
95%).
La specificità e la resa del prodotto sono
dovute al riconoscimento molecolare tra
substrato ed enzima basato sulla La tripsina taglia in
complementarietà strutturale corrispondenza del lato C di
arginina o lisina
(B) La trombina idrolizza solo
legami Arginina-glicina.
Regolazione
L’attività degli enzimi è regolata da molteplici fattori: controllo della
quantità di enzima prodotto, interazione con specifici attivatori ed
inibitori dell’attività enzimatica.
Classificazione degli enzimi
Gli enzimi sono classificati in base al tipo di reazione che catalizzano
Ossidoreduttasi : Reazioni di
ossidoriduzione. Es.: ossidoreduttasi,
deidrogenasi, ossidasi …
Transferasi : Trasferimento di gruppi
funzionali. Esempi: acetiltransferasi,
metilasi, kinasi …
Idrolasi : Reazioni di idrolisi. Esempi: proteasi,
nucleasi, fosfatasi …
Liasi: Rottura di legami C-C C-O C-S e C-N
con meccanismo diverso dall’idrolisi. Esempi:
decarbossilasi, aldolasi …
Isomerasi: Reazioni di riarrangiamento
intramolecolare, isomerasi.
Ligasi (Sintetasi) Formazione di legami C-C, C-O, C-S, C-N con idrolisi di
ATP. Esempi: DNA polimerasi
1. ossidoreduttasi 2. transferasi
3. idrolasi
H2O
4. liasi
5. isomerasi
5. Ligasi
AcetilCoA carbossilasi
Nomenclatura degli enzimi Sistema IUBMB (International Union of Biochemistry and Molecular Biology) Definisce il nome: nome sistematico (e comune) + un codice numerico • Nome sistematico: nome substrato(i) + tipo di reazione + suffisso –asi • Numero di classificazione: Numero E.C. (Enzyme Commission) Es. Glucosio + ATP à glucosio-6-P + ADP • Nome sistematico: ATP:D-esoso-6-fosfotransferasi Classe: 2. Transferasi Sottoclasse 2.7 trasferimento di gruppi P (chinasi) Sotto-sottoclasse 2.7.1 trasferimento di gruppi P su OH accettore Numero seriale 2.7.1.1 • Nome comune Esochinasi
Molti enzimi richiedono cofattori/coenzimi
Richiedono piccole molecole aggiuntive (Gruppi prostetici o cofattori)
legate stabilmente per funzioni non svolte dalle catene laterali 20 aa,
sono di due tipi:
1.Ioni metallici - come Fe2+ Mg2+ Mn2+ Zn2+ possono avere un ruolo
strutturale o catalitico.2. Coenzimi - piccole molecole organiche derivate dalle vitamine idrosolubili Apoenzima + Cofattore oloenzima (forma inattiva) (forma cataliticamente attiva)
Coenzimi: derivati delle vitamine Coenzima Vitamina Gruppo trasportato Tiamina pirofosfato Tiamina (B1) aldeidi FAD Riboflavina (B2) atomi di H NAD+ Acido nicotinico (B3) ioni idruro (H-) Biotina Biotina CO2 Coenzima A Acido pantotenico (B5) acetili/acili Piridossal fosfato Piridossina (B6) gruppi amminici 5’-deossiadenosil-cobalamina B12 metili Tetraidrofolato Acido folico (B9) composti monocarboniosi
Come lavorano gli enzimi: il sito attivo Le reazioni avvengono presso una zona ristretta, un solco o cavità della proteina, con elevata complementarità geometrica per la molecola che vi si lega (substrato) definito sito attivo. Generalmente coinvolge pochi residui, spazialmente vicini nella struttura 3D che può comprendere anche cofattori (ioni o coenzimi). Il legame tra sito attivo dell’enzima e RIBONUCLEASI A (RNAsi) substrato origina un complesso enzima- substrato (ES) stabilizzato da interazioni deboli multiple.
Caratteristiche dei siti attivi degli enzimi
• Sono presenti alcuni residui che partecipano alla
formazione dei legami della catalisi (gruppi catalitici).
• L’interazione tra il sito attivo di E ed S promuove la
formazione dello stato di transizione.
• Differiscono tra loro ma hanno caratteri comuni:
– Fenditura tridimensionale
– Parte relativamente piccola della molecola. Il resto
forma siti di regolazione, siti di interazione
proteina-proteina, indirizzamento del substrato etc.
Gruppi catali+ci del lisozima
§ I substrati si legano all’enzima attraverso un certo
numero di interazioni deboli con energie di
interazione di -12, -50 kJ mol-1.
§ La specificità di legame dipende dalla disposizione
degli atomi nel sito attivo: complementarietà
strutturale
Legami H tra Ribonucleasi e uracile, parte della molecola substratoCome funzionano gli enzimi?
- Gli enzimi accelerano la reazione
- Non modificano le proprietà della reazione
(può avvenire o no?? Quanto possono accelerarla?)
Consideriamo 2 proprietà termodinamiche:
1. La differenza di energia libera tra prodotti e reagenti (DG)
(spontaneità)
2. L’energia richiesta per dare inizio alla conversione dei reagenti
in prodotti
(velocità)Che informazione ci da la ΔG? 1. Una reazione avviene solo se ΔG
L’equilibrio delle reazioni
chimiche
Per descrivere le variazioni dei livelli
di energia tra S e P si definisce una
funzione termodinamica:
l’E N E R G IA L IB E R A (G): la quan7tà di
energia disponibile per compiere un
lavoro durante una reazione (a
pressione e temperatura costante).
Só P
Durante una trasformazione chimica
da S a P si hanno variazioni dei livelli
di G corrisponden7 alla differenza tra
energia libera di P e quella di S (DG’0)
entrambi allo stato basale.
Tutti i sistemi cambiano spontaneamente in modo che l’energia libera diminuisca DGLe velocità e gli equilibri delle reazioni hanno precise
definizioni termodinamiche
Gli equilibri delle reazioni dipendono dal DG°’
La velocità è correlata da ΔG‡
!
S P K’eq =
"
Dalla termodinamica:
DG’°= -RT ln K’eq R = 8,315 J/mole • K
T = 298 K (25°C)Cinetica delle reazioni
S P
d[ S ]
v=- = k[ S ] In una reazione unimolecolare
dt
v S P
Sono dati che si ottengono
sperimentalmente
[S]
La velocità di una reazione
unimolecolare è proporzionale
alla concentrazione del
reagente. La velocità v è
dipendente da [S] e dalla
costante di velocità k (reazione di
primo ordine).Velocità delle reazioni
TEORIA dello stato di transizione
Una reazione che porta da S a P passa a=raverso lo stato di transizione (X‡)
Stato di transizione: stru=ura molecolare transitoria non stabile, intermedia tra
substrato e prodo=o con energia libera G‡ > di S e P.
ΔG‡ = energia (libera) di aIvazione. Energia supplementare che le molecole
devono possedere per raggiungere lo stato di transizione.
S«X‡®P
LA VELOCITA’ DI UNA REAZIONE
CHIMICA E’ PROPORZIONALE ALLA
CONC. DELLE MOLECOLE ALLO
STATO DI TRANSIZIONE
Glucosio + 6O2
6CO2 + 6H2OVi sono 2 vie per aumentare la velocità di reazione 1. Incremento della Temperatura aumento dei moti termici delle molecole aumento del numero di molecole con en. interna sufficiente a raggiungere lo stato di transizione La vel. quasi si raddoppia per ogni aumento di T=10°C 2. Impiego di un catalizzatore abbassamento della barriera energetica Il catalizzatore si combina transitoriamente con A e B in un complesso con uno stato di transizione energeticamente + basso
Gli enzimi accelerano le reazioni facilitano la
formazione dello stato di transizione
Un catalizzatore (enzima) aumenta la
velocità della reazione diminuendo il
valore dell’energia di attivazione (DG‡ )
(senza alterare il valore di ΔG.) Un
abbassamento del valore di DG‡
determina un aumento del numero di
molecole in grado di raggiungere lo
stato di transizione e quindi un
aumento della velocità di reazione.
E+S ES EP E+P
ES e EP sono gli intermedi di reazione
ES, EP sono presenti a livello dei minimi energetici della coordinata di reazione. La
tappa della reazione che limita la velocità è quella con maggiore energia.
L’enzima crea nuovo percorso di reazione (azzurro) in cui DG‡ è diminuita, in particolare
si abbassa l’energia di attivazione attraverso la capacità di disporre i substrati in modo da
favorire la formazione degli stati di transizione a piu bassa energia.L’energia di legame tra enzima e substrato è importante
per la catalisi
Il potere catalitico deriva
dall’energia (energia di
legame) dovuta a molte
interazioni deboli o legami
covalenti transitori tra
substrato ed enzima.
Le interazioni diventano
ottimali e il loro numero
diventa massimo, allo stato
di transizione della
reazione:
L’enzima subisce una
modificazione conformazionale
transitoria quando lega il
substrato (ada@amento indo@o).Puoi anche leggere
