Gli enzimi e la catalisi
Distribuzione di energia in una popolazione
di molecole
•
•
Normalmente, le molecole stabili sono per lo più presenti ad un livello
di energia relativamente basso
Solo una piccola frazione di esse possiede sufficiente energia per
superare la barriera dell’energia di attivazione
GLI ENZIMI: CATALIZZATORI BIOLOGICI
•Accelerano le reazioni chimiche (REAGENTE CHE SI
TRASFORMA IN PRODOTTO)
•Non possono alterare l’equilibrio della reazione ma
solamente accelerare la velocità di reazione riducendo
l’energia di attivazione richiesta per iniziare la reazione
•Dalla regolazione degli enzimi dipende l’adattabilità
metabolica
•Gli enzimi sono proteine GLOBULARI
GLI ENZIMI: CATALIZZATORI
BIOLOGICI
• Permettono alle reazioni di andare verso
condizioni che l’organismo può tollerare
• Può processare milioni di molecole ogni
secondo
• Agiscono in modo molto specifico, solo
con pochi tipi di molecole (substrati)
REAZIONE TIPO
S
P
La spontaneità di una reazione è determinata dalle proprietà
e dalle concentrazioni dei reagenti
La spontaneità di una reazione è determinata dalle proprietà
e dalle concentrazioni dei reagenti
Ma se una reazione spontanea non significa che sia veloce……
….potrebbe avvenire in tempi lunghissimi
(quindi, in termini biologici, come se non avvenisse)
S
P
Velocità = k (S)
Inversamente proporzionale
All’energia di attivazione
REAZIONE ENZIMATICA TIPO
E+S
ES
EP
E+P
FORMAZIONE DEL COMPLESSO ES
SITO ATTIVO DELL’ ENZIMA
La teoria dello stato di transizione
Questa teoria considera una reazione solo in termini di:
• stato fondamentale (reagenti)
• stato di transizione (specie chimiche con legami non
completamente
formati)
• intermedi (specie chimiche con legami completamente formati)
• prodotti
Enzimi: catalizzatori biologici
Reazione non
catalizzata
G
ΔG* Reazione
catalizzata
ΔG*
X
ΔG
•
•
•
Y
Gli enzimi si combinano transientemente col substrato e ne abbassano
l’energia di attivazione
Non spostano l’equilibrio della reazione, ma aumentano la velocità con cui
l’equilibrio viene raggiunto
Non subiscono modificazioni permanenti durante la reazione e sono subito
disponibili per catalizzare una nuovo ciclo di reazione
Analogies for NRG barriers
Determinanti del potere catalitico
• Formazione di legami covalenti tra
enzima e substrato
• Instaurazione di numerose interazioni non
covalenti
ENERGIA DI LEGAME (ΔGB)
Le interazioni deboli
sono ottimali nello
stato di transizione
Il complesso enzima-substrato
E+S
ES
Sito di legame
Sito attivo
Sito catalitico
SITO ATTIVO
regione specifica delle molecole enzimatiche
dove il substrato si lega e reagisce per formare
il prodotto. Esistono due modelli per interpretare
l’interazione sito attivo-substrato
modello chiave-serratura
(Fischer 1894)
(modello eccessivamente semplificato)
l’enzima è una serratura in cui può girare solo
la chiave specifica; infatti, solo una determinata
molecola di substrato ha la forma che le permette
di entrare nella fessura del sito attivovdell’enzima
in modo che la reazione possa avvenire
modello adattamento induttivo
(Koshland 1954)
la forma assunta dall’enzima è adatta a far avvenire
la reazione solo dopo che questo si è legato al
substrato: tale fenomeno serve a portare i gruppi
funzionali specifici dell’enzima nell’orientamento
corretto necessario per la catalisi della reazione
Funzione dell’energia di legame nella catalisi
Reversibilità delle reazioni enzimatiche
• L’enzima favorisce il raggiungimento dell’equilibrio,
quindi catalizza anche la reazione inversa
A <====> B
• Ma, se B è substrato di una reazione successiva, la
prima reazione diventa praticamente irreversibile
A -----> B <====> C
• Ciò vale per catene anche molto lunghe di reazioni
(catene enzimatiche)
TIPI DI CATALISI
CATALISI ACIDO-BASE
• CATALISI COVALENTE
• CATALISI COVALENTE
• CATALISI DA IONI METALLICI
Struttura generale degli enzimi
ione metallico
coenzima (vitamina)
gruppo prostetico
(legato covalentemente)
OLOENZIMA
APOENZIMA
(Parte proteica)
I coenzimi sono molecole organiche che si associano alle proteine per
aiutarle a svolgere la funzione catalitica. Essi generalmente sono
vitamine del gruppo B modificate (attivate)
VITAMINA
FUNZIONE
Tiamina (B1)
Coenzima TPP (tiamina pirofosfato) - rimozione
gruppi CO2
Riboflavina (B2)
Coenzima FAD e FMN - trasporto idrogeno ed
elettroni
Niacina (PP)
Coenzimi NAD e NADP - trasporto idrogeno ed
elettroni
Piridossina (B6)
Coenzima PLP (piridossalfosfato) - trasporto gruppi
amminici e metabolismo aa in generale
Acido pantotenico
Coenzima A - trasporto gruppi acilici e in particolare
acetato
Acido folico
Coenzima FH4 - trasporto dei gruppi monocarboniosi
ridotti
Cobalamina (B12)
Coenzima correlato all' FH4 per il trasporto dei gruppi
monocarboniosi
Biotina (H)
Coenzima nelle reazioni di carbossilazione (trasporto
unità monocarboniosa ossidata)
CLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE
ENZIMI:
•
•
•
•
•
•
OSSIDOREDUTTASI
TRANSFERASI
IDROLASI
LIASI
ISOMERASI
LIGASI
CLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE
ENZIMI:
•
ossidoreduttasi: reazioni di ossido-riduzione
–
–
–
–
–
–
–
–
–
1.1 agisce sul gruppo CHOH del donatore
1.2 agisce sul gruppo aldeidico o chetonico del donatore
1.3 agisce sul gruppo CH-CH del donatore
1.4 agisce sul gruppo CH-NH2 del donatore (ammina primaria)
1.5 agisce sul gruppo C-NH del donatore
1.6 agisce su NADH o NADPH
.
1.7 agisce su altri composti azotati
1.8 agisce su gruppi solforati
1.9 agisce sui gruppi eme
Esempio: DEIDROGENASI, CATALASI, OSSIDASI, PEROSSIDASI, IDROSSILASI
REDUTTASI
CLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE
ENZIMI:
• 3 - idrolasi: reazioni di idrolisi
–
–
–
–
–
–
–
3.1 legami esterei
3.2 legami glicosidici
3.3 altri legami
3.4 legami peptidici
3.5 legami C-N non peptidici
3.6 legami anidridici
3.7 legami C-C
Esempi: ESTERASI, GLICOSIDASI,
TIOLASI, LIPASI…….
PEPTIDASI,
FOSFATASI,
NOMENCLATURA
Diidrossiacetone fosfato <-------> gliceraldeide deidrogenasi
TRIOSOFOSFATO DEIDROGENASI
EC 5.3.1.1.
5. ISOMERASI
3. ossidazione di una parte del substrato e riduzione in un ‘altra
1. Interconversione di aldosi in chetosi e viceversa
1. Primo ingresso nella sotto-sottoclasse 5.3.3.
Nomenclatura enzimatica (academic Press, 1992) 3196 enzimi
Denominazione costituita da 3 parti:
• Nome del substrato
• Nome del coenzima
• Nome della reazione catalizzata + “asi”
Esempi:
Alcool + NAD+ <-------> aldeide (o chetone) + NADH
Alcool : NAD+ ossidoreduttasi
EC 1.1.1.1
ATP + Creatina <-------> creatina-fosfato + ADP
ATP : Creatina fosfotrasferasi
EC 2.7.3.2
Introduzione agli enzimi (un po’ di storia…)
1850: Pasteur
1897: Buchner
1926: Sumner
• fermentazione dello zucchero in alcol è catalizzata da “fermenti” (lievito)
• li chiama enzimi e postula che siano inseparabili dalla struttura della cellula vivente
gli enzimi coinvolti nella fermentazione possono funzionare
anche una volta rimossi dalla struttura della cellula vivente
• isola e cristallizza l’enzima ureasi
• postula che gli enzimi siano proteine
fine anni ’30: Northrop
verifica che gli enzimi sono proteine
Haldane
scrive un trattato intitolato “Enzimi”
seconda metà XX sec:
sono stati purificati migliaia di enzimi e di centinaia
di essi è stata determinata la struttura e il meccanismo
chimico
