Le reazioni chimiche
biologiche e gli enzimi
LEZIONE NR. 6 - PSICOBIOLOGIA
Le reazioni chimiche consistono in interazioni interatomiche che si svolgono a livello dei loro
orbitali, e quindi differenti dalle reazioni nucleari (fusione e fissione) che coinvolgono i
cambiamenti a livello del nucleo degli atomi.
Nel caso delle molecole biologiche, le reazioni chimiche avvengono in genere fra atomi
appartenenti a due molecole differenti, anche se nel caso delle macromolecole è possibile che
avvengano reazioni chimiche fra atomi che la compongono.
Come tutti i fenomeni fisici del nostro universo, anche le reazioni chimiche biologiche devono
obbedire ai principi della termodinamica.
1) La quantità totale di energia di un sistema e di un ambiente che lo circonda, rimane sempre costante di
conseguenza, qualsiasi siano le trasformazioni che coinvolgono il sistema a l’ambiente, non ci sarà mai ne
distruzione ne creazione di energia.
2) Tutte le trasformazioni energetiche sono SEMPRE accompagnate dalla dissipazione nell’ambiente, sotto forma di
calore, di una parte dell’energia libera…ovvero l’energia utilizzabile per compiere un lavoro. Questo fenomeno
viene misurato in accordo col concetto di entropia = disordine. Questo implica che un qualsiasi sistema e
l’ambiente che lo circonda, vedranno sempre l’entropia aumentare e l’energia libera diminuire.
Tuttavia la materia vivente è in grado di controllare i flussi e la direzione di energia libera che vengono scambiati con
l’ambiente.
Assumendo continuamente
sostanze in grado di fornire energia:
• Organismi fotosintetici
• Organismi chemiosintetici
• Organismi eterotrofi
Trattenendo all’interno del corpo il
calore che dovrebbe essere
dissipato verso l’esterno:
• Piumaggio
• Pelo
• Strato adiposo
In cosa consistono le reazioni chimiche nello
specifico?
Esse sono riarrangiamenti atomici conseguenti
ad urti fra le molecole.
Infatti un impatto fra due o più molecole,
denominati reagenti genera energia cinetica
che può anche essere utilizzata come energia
chimica atta a rompere i legami delle molecole
reagenti ed a formarne di nuovi con diverse
conformazioni dando vita a nuove molecole
chiamate prodotti.
Immagine 3.1
Basi biologiche
Ovviamente non tutti gli impatti fra molecole
danno vita a reazioni chimiche.
Affinché ciò avvenga è necessario che i reagenti
si urtino fra loro in maniera appropriata.
- Giusto posizionamento relativo
- Giusta velocità
Se questi parametri sono corretti, forniscono
congiuntamente la giusta energia di attivazione
Immagine 3.2
Basi biologiche
Tipologie di reazioni chimiche
Caratteristiche delle reazioni chimiche
Ogni reazione chimica ha delle precise caratteristiche che bisogna aver presente:
• Velocità della reazione
• Energia della reazione
• Direzione della reazione
Velocità
Questa viene misurata in quantità di molecole di prodotto che vengono prodotte in ogni unità di tempo. Es. 0,05
moli/minuto oppure 0.007 moli/secondo.
La velocità dipende in massima parte da due parametri:
• Temperatura in genere l’aumento di calore accelera la probabilità che due molecole impattino
• Concentrazione maggiore è la quantità di molecole in un solvente più è probabile che si incontrino
Es. Rettili oppure la febbre
Energia
Essa è misurabile confrontando il contenuto energetico dei prodotti con il contenuto
energetico dei reagenti.
Se il contenuto energetico dei prodotti < reagenti, si parla di reazione esoergonica o
spontanea. L’energia fluisce dai reagenti all’ambiente.
Se il contenuto energetico dei prodotti > reagenti, si parla di reazione endoergonica o indotta.
L’energia fluisce dall’ambiente ai reagenti.
Immagine 3.3
Basi biologiche
Esempio concreto:
Cambio di livello di masse d’acqua.
Se dobbiamo portare l’acqua da un livello
inferiore ad uno superiore. Servirà energia che
sarà divisa in due parti:
1. L’energia effettivamente necessaria a
spostare l’acqua (secchi, idropompa)
2. Energia persa sotto forma di calore (calore
che si genera nel corpo umano per fatica, o
nell’idropompa per attrito ingranaggi)
Reazione endoergonica
Esempio concreto:
Cambio di livello di masse d’acqua.
La caduta dell’acqua da un livello superiore ad
uno inferiore è un fenomeno spontaneo che
genera energia cinetica che a sua volta sarà
divisa in due parti:
1. Una parte che potrà essere utilizzata per un
lavoro (ruota di un mulino)
2. Energia persa sotto forma di calore (calore
che si genera sui massi sul fondo della
cascata)
Reazione esoergonica
La soglia di attivazione
Nonostante come detto, alcune reazioni chimiche possano
essere spontanee, questo negli organismi biologici avviene
molto raramente. Es. le molecole del nostro corpo non si
trasformano in CO2 ed H2O nonostante questa
trasformazione dal punto di vista esoergonico sia molto
favorevole.
Questo avviene perché anche le reazioni esoergoniche
hanno bisogno di una iniziale somministrazione di energia,
che verrà poi interamente restituita durante la reazione
chimica.
Es. bruciare un foglio di carta
Immagine 3.4
Basi biologiche
Direzione
Ciò che definisce una molecola come reagente o viceversa come prodotto è la direzione entro la quale la reazione
chimica avviene.
Le molecole collidono e l’energia che ne deriva, forma uno stato intermedio chiamato complesso attivato che ha
due possibili vie di evoluzione
• Portare a termine la reazione (condizione energetica più stabile)
• Regredire alla condizione iniziale (condizione energetica più stabile)
Pertanto una reazione chimica è teoricamente sempre reversibile. E la direzione in cui essa procederà dipende da
molti fattori, il più importante fra i quali è la concentrazione dei reagenti rispetto a quella dei prodotti.
Direzione
La reazione chimica nelle cellule organiche
La probabilità di inizio e la velocità di una reazione chimica,
come detto in precedenza, dipendono dalla temperatura e
dalla concentrazione.
Tuttavia le cellule non hanno la possibilità di modificare
autonomamente e facilmente tali parametri.
Per questa ragione, l’evoluzione ha dotato gli organismi di
catalizzatori che hanno il compito di abbassare la soglia di
attivazione di ciascuna reazione, in modo tale che i reagenti
che presentano il contenuto energetico adatto a dare il via alla
reazione, aumenti.
Tali sostanze:
1) Si legano in modo altamente specifico ai reagenti di una data reazione chimica, abbassandone la soglia di
attivazione.
2) Non entrano a far parte della reazione e non ne determinano la direzione di svolgimento
3) Non si «consumano» nel corso della reazione, e quindi al termine tornano nuovamente disponibili per ulteriori
cicli di reazioni.
A parte il caso dei ribozimi (molecole di RNA, coinvolte
in alcune fasi di trascrizione e traduzione) i catalizzatori
biologici sono sempre delle proteine, denominate
enzimi.
Gli enzimi sono proteine in grado di riconoscere in
modo specifico come reagenti determinate molecole
così da poter dare il via a determinate reazioni
chimiche.
In genere il nome dell’enzima dipende dalla reazione
chimica che andrà a catalizzare, definita dalla desinenza
-asi (es. DNA-polimerasi).
La capacità degli enzimi di catalizzare le reazioni chimiche nella
materia vivente, dipende in gran parte dal fatto che essendo
proteine, sono contraddistinti da una forma tridimensionale
data loro dalla struttura terziaria (o quaternaria).
Questa struttura consente di avere varie regioni dell’enzima che
possono interagire in maniera reversibile o stabile con i reagenti
(substrato), con fattori che regolano la funzione enzimatica o
che ne dirigono la localizzazione intra-cellulare.
In particolare ogni enzima ha una regione chiamata sito attivo
che media il riconoscimento stereo-specifico dell’enzima, con il
substrato.
L’insieme dell’enzima e del substrato, forma il complesso ES
Immagine 3.8
Basi biologiche
Un valido modello di spiegazione dell’interazione fra enzima e
substrato è stato offerto da Fisher all’inizio del XX secolo, ed è
stato definito modello chiave – serratura.
Tale modello spiega come gli enzimi possano avere diversi gradi
di specificità nei confronti delle molecole substrato.
• Alta specificità, accoglie quasi interamente le molecole del
substrato. Questo fa in modo che solo e solamente quelle
molecole riescano a legarsi all’enzima, dando il via alla
reazione chimica.
• Bassa specificità, accoglie solo una porzione dell’intera
molecola del substrato. Questo fa in modo che molecole
diverse fra loro, ma con una parte in comune, che riesce a
legarsi all’enzima, possano dare il via alla reazione chimica.
Il ruolo del complesso enzima-substrato è quello di abbassare la soglia di attivazione della reazione.
Questo avviene poiché l’enzima mantiene fermi i reagenti in una posizione favorevole, nella quale la maggior parte
degli urti fra le loro molecole, riesce a dare il via alla reazione.
In conclusione, la presenza di un enzima, consente alla reazione chimica di svolgersi ad elevata velocità
minimizzando l’energia necessaria per il suo innesco.
Immagine 3.9
Basi biologiche
Tuttavia, come detto in precedenza l’enzima può dare il via alla reazione chimica ma non ne può influenzare la
direzione. Ciò vuol dire che la regola esposta in precedenza circa la concentrazione di reagenti e prodotti, rimane
valida e che il complesso ES, come risultato potrà avere la formazione dei prodotti, ma anche il ritorno ai singoli
reagenti.
Per ovviare a tale problema, gli enzimi dopo aver legato a loro i reagenti, vanno incontro ad un cambiamento
conformazionale che può portare con più probabilità alla formazione dei prodotti.
Immagine 3.10
Basi biologiche
La regolazione enzimatica
Talvolta il sito attivo, oltre ad ospitare i reagenti, può anche ospitare altre molecole chiamate inibitori enzimatici.
Si tratta di molecole molto simili a quelle che creano il normale substrato dell’enzima, ma che creano un diverso complesso
chiamato E-I.
A differenza dei reagenti, gli inibitori non vengono trasformati in prodotti dalla reazione chimica.
In alcuni casi gli inibitori sono presenti nella cellula e vengono utilizzate da queste ultime per regolare l’attività enzimatica. Più
frequentemente queste sostanze vengono introdotte dall’esterno dell’organismo (farmaci o sostanze velenose).
Immagine 3.11
Basi biologiche
Acido acetilsalicilico, derivato artificiale di acido salicilico,
presente nella corteccia e nelle foglie del salice.
È un inibitore degli enzimi ciclo-ossigenasi 1 e 2 che catalizzano le
prostaglandine che danno inizio alla risposta infiammatoria.
In particolare l’aspirina diminuisce la produzione delle
prostaglandine a livello dell’ipotalamo che è il centro regolatore
di tutta la temperatura corporea.
Gli inibitori enzimatici inoltre si possono classificare in inibitori competitivi e non competitivi. Sulla base della stabilità del
complesso E-I che essi formano.
Se il complesso E-I è instabile, dopo breve tempo si romperà liberando nuovamente l’enzima che avrà il sito attivo libero di
accogliere nuovamente un’altra molecola.
Se la molecola è un reagente avrà inizio la reazione, se è un inibitore, l’enzima sarà bloccato ancora una volta temporaneamente.
La probabilità del nuovo legame, dipende come sempre dalla concentrazione dei reagenti o degli inibitori (per tale ragione questi
inibitori vengono definiti competitivi). A causa della loro bassa tossicità gli inibitori competitivi sono il principio attivo di molti
farmaci utilizzati per l’uomo.
Se il complesso E-I è stabile. L’enzima viene attivato in maniera permanente e
l’unico rimedio che la cellula ha di attivare nuove reazioni chimiche utili è quella di
sintetizzare nuovi enzimi.
A causa della elevata tossicità, gli inibitori non-competitivi, sono frequenti
componenti dei veleni rilasciati da animali o piante.
Immagine 3.12
Basi biologiche
Abbiamo visto che gli enzimi possono essere inattivati in maniera reversibile o irreversibile. Ma questi possono anche essere
attivati, consentendo così alla cellula di regolarne le funzioni.
Ma in cosa consistono di preciso tali regolazioni? In genere sono quasi tutte modificazioni post-traduzione.
Ve ne sono di 6 tipologie. E possono agire in maniera singola, contemporanea o sequenziale su ogni enzima.
1) Attivazione mediante taglio proteolitico
2) Attivazione mediante unione con un cofattore
3) Assemblaggio di sub-unità
4) Traslocazione intracellulare
5) Attivazione/Inattivazione mediante cambiamento delle cariche elettriche
6) Regolazione allosterica
1)
Attivazione mediante taglio proteolitico
2)
Attivazione mediante unione con un cofattore
3)
Assemblaggio di sub-unità
4)
Traslocazione intracellulare
5)
Attivazione/Inattivazione mediante cambiamento delle cariche elettriche
6)
Regolazione allosterica
La cellula genera un pro-enzima inattivo, che
diventerà attivo solo a seguito del taglio di una
parte della sua catena polipeptidica.
Molti enzimi della catalisi proteolitica del tubo
digerente funzionano in questo modo.
1)
Attivazione mediante taglio proteolitico
2)
Attivazione mediante unione con un cofattore
3)
Assemblaggio di sub-unità
4)
Traslocazione intracellulare
5)
Attivazione/Inattivazione mediante cambiamento delle cariche elettriche
6)
Regolazione allosterica
In questo caso l’enzima non si attiva solo dopo
l’unione con i reagenti, ma è necessario che vi
si leghi anche un cofattore.
Ad esempio nel neurone, l’enzima PKA
(proteinchinasi A), implicato nei processi di
trasduzione del segnale, viene attivato dal
legame con il nucleotide cAMP (AMP ciclico)
1)
Attivazione mediante taglio proteolitico
2)
Attivazione mediante unione con un cofattore
3)
Assemblaggio di sub-unità
4)
Traslocazione intracellulare
5)
Attivazione/Inattivazione mediante cambiamento delle cariche elettriche
6)
Regolazione allosterica
Singole sub-unità, ognuna delle quali inattiva
vengono unite fra loro per formare l’enzima
completo che diverrà attivo.
Un esempio a livello dei neuroni è
rappresentato dall’enzima adenilato ciclasi che
produce il cAMP partendo dall’ATP. Di per sé
questo enzima è inattivo, ma quando gli viene
assemblata una subunità alpha s, presa dalla
proteina G che gli è accanto, allora l’enzima si
attiva.
1)
Attivazione mediante taglio proteolitico
2)
Attivazione mediante unione con un cofattore
3)
Assemblaggio di sub-unità
4)
Traslocazione intracellulare
5)
Attivazione/Inattivazione mediante cambiamento delle cariche elettriche
6)
Regolazione allosterica
La molecola enzimatica viene trasportata da un
sito intracellulare nel quale non poteva essere
attiva, ad un secondo sito intracellulare nella
quale può esplicare la propria funzione
Es. gli enzimi della fosforilazione ossidativa
iniziano a funzionare dopo essere stati
trasportati nei mitocondri.
1)
Attivazione mediante taglio proteolitico
2)
Attivazione mediante unione con un cofattore
3)
Assemblaggio di sub-unità
4)
Traslocazione intracellulare
5)
Attivazione/Inattivazione mediante cambiamento delle cariche elettriche
6)
Regolazione allosterica
Vengono aggiunti o sottratti gruppi funzionali
carichi dal punto di vista elettrico, come i
gruppi fosfati.
Troviamo quindi nuovamente i processi di
fosforilazione e defosforilazione che in genere
riguardano gli amminoacidi serina, treonina o
tirosina.
Es. proteinchinasi o fosfatasi.
1)
Attivazione mediante taglio proteolitico
2)
Attivazione mediante unione con un cofattore
3)
Assemblaggio di sub-unità
4)
Traslocazione intracellulare
5)
Attivazione/Inattivazione mediante cambiamento delle cariche elettriche
6)
Regolazione allosterica
Immagine 3.13
Basi biologiche
Riguarda una particolare tipologia di enzimi (in
genere metabolici) che sulla loro superfice oltre
ad avere il sito attivo che accoglie il substrato,
hanno anche un secondo sito di legame,
chiamato per l’appunto sito allosterico che lega
gli effettori allosterici che possono essere
distinti in:
• Inibitori allosterici
• Attivatori allosterici
L’azione di queste seconde molecole di ligando,
può essere esplicata solo se il sito attivo è
libero e viceversa, per via dei cambiamenti
conformazionali indotti da entrambi i legami.
1)
Attivazione mediante taglio proteolitico
2)
Attivazione mediante unione con un cofattore
3)
Assemblaggio di sub-unità
4)
Traslocazione intracellulare
5)
Attivazione/Inattivazione mediante cambiamento delle cariche elettriche
6)
Regolazione allosterica
Esempio di catena metabolica
Regolazione a feed-back
Enzima chiave
Immagine 3.14
Basi biologiche
Diventa inibitore
allosterico dell’enzima
chiave
Abbiamo visto come gli enzimi vengono regolati.
Tuttavia fra l’enorme quantità di enzimi che sono presenti nelle cellule del nostro organismo, ve ne sono alcuni che non vengono
regolati. Ciò vuol dire che alla cellula basta produrre quel determinato enzima per ottenere in modo automatico i prodotti della
reazione chimica che andrà a catalizzare l’enzima in questione. In poche parole agisce come un interruttore ON/OFF
Tali enzimi vengono definiti come dotati di attività costitutiva
Un esempio concreto è rappresentato dai neuroni catecolaminergici. Alcuni fra questi neuroni possono sintetizzare un enzima
chiamato dopamina-B-idrossilasi, che catalizza una trasformazione della dopamina in noradrenalina, e vengono quindi detti
neuroni noradrenergici. Altri neuroni non codificano questo enzima, e quindi non avviene questa reazione…la dopamina rimane
dopamina ed i neuroni vengono definiti dopaminergici.
