Gli enzimi

Gli enzimi
Gli enzimi sono le proteine1 che catalizzano2
le reazioni chimiche che avvengono
nei sistemi biologici
1
2
con l’eccezione dei ribozimi (RNA catalitici)
un catalizzatore è una sostanza che promuove
una reazione chimica senza subire alcuna
modificazione permanente
Proprietà generali delle reazioni
catalizzate dagli enzimi
• Elevate velocità di reazione (106-1012 volte
maggiori rispetto a quella delle reazioni non catalizzate)
• Avvengono in condizioni più moderate
• Maggiore specificità di reazione
• Sono spesso soggette a regolazione
Enzima
Velocità della
reazione non
enzimatica (s-1)
Velocità della
reazione
enzimatica (s-1)
Aumento
della
velocità
Anidrasi carbonica
1,3 x 10-1
1 x 106
7,7 x 106
Trioso fosfato
isomerasi
2,6 x 10-5
50
1,9 x 106
Carbossipeptidasi A
4,3 x 10-6
4300
1,0 x 109
AMP nucleosidasi
3,0 x 10-9
60
6,0 x 1012
Nucleasi
staffilococcica
1,7 x 10-13
95
5,6 x 1014
Nomenclatura
•
Gli enzimi sono solitamente denominati
aggiungendo il suffisso –asi al nome del
substrato dell’enzima o a una frase che descrive
la reazione catalitica dell’enzima (ureasi, alcol
deidrogenasi...)
•
Gli enzimi vengono classificati in base alla
reazione chimica catalizzata con
1. un nome raccomandato
2. un nome sistematico
3. un numero di classificazione
(es. carbossipeptidasi A, peptidil-L-aminoacidoidrolasi, EC 3.4.17.1)
Un gran numero di enzimi utilizza componenti
chimici addizionali chiamati cofattori
Un cofattore può essere uno ione metallico o una
molecola organica più complessa detta
coenzima
Un cofattore associato stabilmente (spesso
covalentemente) alla proteina si definisce un
gruppo prostetico.
Oloenzima
:
proteina
cataliticamente attivo
con
cofattori
–
Apoenzima : proteina
cataliticamente inattivo
senza
cofattori
–
(vitamines)
NAD+
FAD
TPP
CoA
Biotina
Piridossal
fosfato
Enzimi: specificità di substrato
Complementarità tra sito attivo e substrato
Modello Chiave-serratura
(Fisher 1894)
Adattamento indotto
(Koshland 1958)
Specificità di substrato
Variazione conformazionale indotta
dell’esochinasi
Specificità di substrato
• Gli enzimi sono stereospecifici
• Sono selettivi riguardo l’identità chimica
dei loro substrati (specificità geometrica)
Il grado di specificità geometrica può tuttavia
variare considerevolmente
Stereospecificità di un enzima
Specificità di substrato
• Gli enzimi sono stereospecifici
• Sono selettivi riguardo l’identità chimica
dei loro substrati (specificità geometrica)
Il grado di specificità geometrica può tuttavia
variare considerevolmente
Endopeptidasi :
Tripsina
Rn-1= residuo positivo (Arg,Lys)
Rn Pro
Chimotripsina
Rn-1= grossi residui idrofobici
(Phe, Trp, Tyr)
Rn Pro
Pepsina
Rn = Leu, Phe, Trp, Tyr
Rn-1 Pro
Rn-1 O
NH CH C
Rn
NH
CH
O
C
legame scindibile
tripsina
chimotripsina
Coordinate di reazione di una
reazione chimica
Lo stato di transizione e l’energia
libera di attivazione
Maggiore è l’energia libera di attivazione,
minore sarà la velocità di reazione
I catalizzatori aumentano la velocità della
reazione abbassando l’energia di attivazione
Diagramma dello stato di transizione di
una reazione a due tappe
(A I P)
I catalizzatori non modificano gli
equilibri chimici delle reazioni
Equilibri di reazione
S
P
K’eq = [P]/[S]
G’°=-RTlnK’eq
Un valore negativo di G’° riflette un
equilibrio favorevole, ma non fornisce
indicazioni sulla velocità di reazione
2 reagenti
Meccanismi di catalisi
1. Catalisi acido-basica
• La catalisi acida generale è un processo in
cui il trasferimento temporaneo di un
protone da un acido abbassa l’energia
libera dello stato di transizione di una
reazione
• Si parla di catalisi basica generale se la
velocità di reazione viene accelerata dalla
sottrazione temporanea di un protone
da parte di una base
Nel sito attivo di un enzima possono essere presenti residui
amminoacidici che fungono da donatori o accettori di protoni.
L’attività di questi enzimi è
fortemente influenzata dal pH
RNasiA
RNasi A
Meccanismo catalitico a due tappe dell’RNasi A
Il substrato si lega in una tasca a due His : l’His12 si comporta da base,
sottrae un protone dal 2’OH dell’RNA (attacco nucleofilo) mentre l’His119
agisce da acido e scinde il legame. Si forma un intermedio ciclico.
Meccanismo catalitico dell’RNasi A
Si scinde il legame 2’-3’ dell’intermedio
ciclico. l’His12 si comporta da acido
mentre l’His119 agisce da base. L’acqua
sostituisce il gruppo protonato che esce.
2. Catalisi covalente (nucleofilica)
La catalisi covalente coinvolge la
formazione di un legame covalente
transitorio tra l’enzima e il substrato
La catalisi covalente può essere suddivisa in tre tappe:
1. Reazione nucleofilica tra il catalizzatore ed il substrato
con formazione di un legame covalente
2. La perdita di elettroni dal centro di reazione ad opera
del catalizzatore (che adesso è elettrofilico)
3. L’eliminazione del catalizzatore (inverso della tappa 1.)
H2O
A-B
A+B
H2O
A-B + X:
H2O
A-X + B
A + X: + B
Decarbossilazione dell’acetoacetato
Non catalizzata
Catalizzata da una
ammina primaria
Gruppi nucleofilici ed elettrofilici
biologicamente importanti
3. Catalisi favorita da ioni metallici
Gli ioni metallici possono :
1. Legarsi al substrato in modo da orientarlo correttamente
2. Partecipare a reazioni di ossido-riduzione mediante
cambiamento reversibile del numero di ossidazione del
metallo
3. Stabilizzare elettrostaticamente cariche negative
Anidrasi carbonica
Effetti di prossimità e orientamento
• Gli enzimi che catalizzano
reazioni a più substrati agiscono
mettendo i substrati in contatto tra
loro
• Gli enzimi legano i loro substrati
secondo un orientamento
appropriato in modo da favorire la
reazione
• Gli enzimi stabilizzano i movimenti
relativi traslazionali e rotazionali
dei loro substrati e dei loro gruppi
catalitici
Orientamento del substrato
2O2- + 2 H +
H2O2 + O2
Cu,Zn superossido dismutasi
Cu2+ + O2-
Cu+ + O2
Cu+ + O2- + 2 H+
Cu2+ + H2O2
2 O2- + 2H+
O2 + H2O2
O2 O2 -
O2-
O2 -
O2 -
- Glu 131
Thr 5624
5
Å 10
Å
Å
Arg 141
+
Thr 135
4Å
+
Cu
Cu
O2 -
Serina Proteasi
Le serina proteasi (o proteasi a serina) sono una classe
di proteasi che basano il loro meccanismo di catalizzazione
della rottura di un legame peptidico sulla presenza di un
residuo di serina.
Questa classe comprende (oltre ad enzimi digestivi) enzimi
che partecipano a processi come lo sviluppo, la coagulazione
e l’infiammazione.
Chimotripsina, tripsina ed elastasi hanno strutture
molto simili e catalizzano la stessa reazione, ma con
specificità diversa per le catene laterali dei residui aa.
accanto al legame peptidico che viene scisso.
Un estere o un'ammide si legano al gruppo -OH della
serina liberando alcol o ammina. In presenza di acqua si
ha la rottura del legame con la serina liberando acido
carbossilico.
La specificità non è tuttavia ben spiegata
Tripsina (bovina)
His57
Ser195
Asp102
Serina Proteasi – la triade catalitica
Serina 1 Proteasi
Complesso ES
Attacco nucleofilo (Ser)
Intermedio
tetraedrico
Catalisi
acida (His)
2
Intermedio
acil-enzima
3
Intermedio
tetraedrico
(inverso
tappa 2)
4
(inverso
tappa 1)
E attivo + P
carbonilico
Serina Proteasi
Stabilizzazione dello stato di transizione
(distorsione del legame peptidico suscettibile e
formazione dell’intermedio tetraedrico)