Seconda Università degli Studi di Napoli DiSTABiF Anno Accademico 2015-16 Corso di Laurea Magistrale in SCIENZE DEGLI ALIMENTI E DELLA NUTRIZIONE UMANA Insegnamento di BIOCHIMICA e BIOTECNOLOGIE degli ALIMENTI Prof. Augusto Parente Lezione 14 GLI ENZIMI: UN Po’ DI STORIA Gli ENZIMI: catalizzatori biologici. Gli enzimi sono molecole specializzate che presentano una attività catalitica. In quanto catalizzatori fanno aumentare la velocità delle reazioni facendole avvenire in tempi compatibili con le esigenze cellulari. Essi non modificano l’equilibrio chimico, ma agiscono esclusivamente abbassando l’energia di attivazione delle reazioni, facendo sì che un numero molto più alto di molecole di substrato superi la barriera energetica per trasformarsi in prodotto. Aspetti termodinamici L’energia di attivazione è l’energia necessaria per arrivare ad un composto intermedio ad alta energia e bassa stabilità, noto come complesso attivato Catalizzatori La natura proteica della gran parte degli enzimi (ad eccezione dei ribozimi) fa sì che essi abbiano caratteristiche positive rispetto ai catalizzatori inorganici. Gli enzimi sono EFFICIENTI Si consideri la reazione 2H2O2 Catalasi 2H2O + O2 La catalasi fa aumentare la velocità della reazione di dismutazione del perossido d’idrogeno di un fattore pari a 108, mentre un catalizzatore inorganico come il platino la fa crescere di un fattore pari a 104. Inoltre le reazioni catalizzate da enzimi non richiedono condizioni drastiche, sono specifiche e sono regolabili. = Idrolisi di una ammide O R-C-NH2 (es. legame peptidico) Catalizzatore pH Tempo Temperatura Legami rotti Nessuno Neutro (pH 7,0) Infinito Ambiente Nessuno H+ < 1,0 110 °C Tutti OH- > 13,0 Giorni 24-72 ore (1440-4320 min) Enzima proteolitico Neutro (pH 7,0) Minuti (10-60 min) 37 °C Alcuni Rapporto tra il tempo della catalisi inorganica 144 (432) ( H+/OH-) e quella enzimatica. Gli enzimi sono SPECIFICI Essi hanno una elevata specificità sia di reazione che di substrato La specificità è data dalla presenza del sito attivo Chimotripsina SITO ATTIVO E’ la regione della proteina in cui si lega il substrato (e i cofattori se esistono). - Sito di legame o di binding (KM); - Sito catalitico: costituito dai residui amminoacidici che partecipano direttamente alla formazione/rottura dei legami interessati nella catalisi. 1- Il sito attivo è costituito da una tasca (o fenditura ) tridimensionale; 2- il sito attivo occupa una parte relativamente piccola del volume totale di un enzima; 3- I siti attivi sono dei microambienti unici; 4- I substrati si legano all’enzima mediante un certo numero di interazioni deboli; 5- La specificità del legame dipende dalla disposizione degli atomi nel sito attivo. TRE ENZIMI PROTEOLITICI. Tutti e tre tagliano il legame peptidico, ma su substrati diversi. Esempio di catalisi covalente. Sito catalitico Ser-195 Sito di binding Residui acidi: Asp Residui relativamente idrofobici: Gly, Val, Met, Phe His 57 Asp 102 Ser 195 Residui con catena laterale idrofobica piccola: Val Gli enzimi sono REGOLABILI L’attività enzimatica può essere modulata sia positivamente che negativamente, da EFFETTORI in funzione delle esigenze cellulari, come nel caso degli enzimi allosterici. Modelli di legame enzima-substrato Sono state formulate varie ipotesi sulla maniera con cui il substrato si adatta perfettamente al sito attivo dell’enzima mediante il riconoscimento chemio- e stereo-selettivo Il sito di legame dell’enzima può già presentare la forma adatta per sistemare il substrato grazie ad una complementarità geometrica (come la chiave si adatta perfettamente alla serratura) Il sito di legame sarebbe quindi rigido e ciò contrasta con i suoi cambiamenti dinamici alla base della catalisi enzimatica Modelli di legame enzima-substrato Adattamento indotto In seguito all’interazione con il substrato il sito di legame dell’enzima subisce un cambiamento conformazionale per meglio adattarsi alla geometria del substrato In tal modo si stabilizza il legame del substrato grazie all’instaurarsi di legami deboli. La reversibilità di tali legami è alla base della dinamicità dell’interazione, perché, dopo la sua trasformazione in prodotto, il substrato deve essere allontanato dal sito di legame. Adattamento indotto nell’esochinasi Il legame del substrato al sito attivo dell’esochinasi provoca una modificazione conformazionale dell’enzima che in tal modo adatta il suo sito attivo al substrato. Infatti i reagenti devono entrare in collisione con una corretta orientazione (fattore probabilistico; costante di Arrhenius A) e con una sufficiente energia (energia di attivazione E) - Significativo abbassamento del livello energetico dello stato di transizione; - Esatto orientamento delle molecole reagenti Formazione del prodotto La cinetica enzimatica - Le reazioni chimiche possono essere monomolecolari, bimolecolari e pseudomolecolari - A seconda di come la VELOCITA’ viene influenzata dalla concentrazione dei reagenti, una reazione NON enzimatica è direttamente proporzionale alla concentrazione di S : - 1° ordine: - 2° ordine: S k S1+S2 v= - P k P d[S] dt = d[P] =k[S] dt v= k[S1]x[S2] - Ordine 0: rispetto ad S1 se rimanendo virtualmente costante durante la reazione. S1 >>S2 Complessivamente la reazione viene definita di pseudo primo ordine REAZIONE ENZIMATICA k S Substrato P Prodotto Per determinare la velocità della reazione : V = V = - d[S] dt (- diminuzione di S) d[P] (+ formazione di P) dt Le unità di velocità sono : Moli x litro x s: M-1 s-1 oppure Moli x litro x min Velocità della reazione (Vo) Intuitivamente, se aumenta [E], proporzionalmente aumenta vo Concentrazione di enzima [E] E così, se aumenta [S], proporzionalmente dovrebbe aumentare vo Velocità della reazione (Vo) Concentrazione di substrato [S] Velocità della reazione (Vo) Al variare di S, con [E] costante, non si ha la stessa proporzionalità, ma…… Concentrazione del substrato [S] In realtà sperimentalmente si vede che per S+E P+E La velocità V varia secondo una curva iperbolica. Tende cioè a raggiungere un plateau all’aumentare di [S]. Nel 1913 Michaelis e Menten proposero un modello k3 k2 Dove k4 v= k3 [ES] K3 = kcat v= kcat [ES] Risolvendo, e per [Etot]x kcat = Vmax v Equazione di Michaelis e Menten Modello di Michaelis e Menten [E]= costante In una prima fase si forma il complesso enzima-substrato (ES) ed in una seconda fase, che generalmente è lo stadio più lento della reazione, si ha la formazione del prodotto (P) con liberazione dell’enzima. Catalisi cooperativa Grafico di Lineweaver-Burk Numero di turnover Enzima Vmax= [Etot]x kcat N. Turnover Reazione (sec-1) Acetilcolinesteresi 103 Chimotripsina 102 -103 Tripsina 102 -103 Ribonucleasi 102 Aldolasi 102 Anidrasi carbonica 104 -105 Catalasi 107 HCO3- + H+ 2H2O2 + 2H2O O2 H2O + CO2 INIBIZIONE A Inibizione IRREVERSIBILE B Diisopropilfluorofosfato Inibitore competitivo Inibitore non competitivo Effetto della temperatura Temperatura ottimale Un aumento di 1,7-2,5 volte ogni 10°C Plot di Arrhenius Denaturazione termica Effetto del pH pH ottimale MODIFICHE COVALENTI: ATTIVAZIONE DEGLI ZIMOGENI Chimotripsinogeno Enteropeptidasi 2 1 Tripsinogeno Chimotripsina Tripsina Proelastasi 4 3 Procarbossipeptidasi Carbossipeptidasi A 1- L’attivazione degli enzimi avviene laddove servono; 2- Il numero di molecole attivate aumenta geometricamente 1:10 10:100 100:1000 Elastasi Attivazione della chimotripsina 245 Chimotripsinogeno 1 S S S S Tripsina Chimotripsina p 1 245 15 16 S 1 S S 15 16 S S Ser14-Arg15 Thr147-Asn148 146 149 S S Cambi conformazionali a-Chimotripsina S 245