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MOD : 4 ENZIMI
Contenuti
1) Definizione, classificazione e nomenclatura
2) Gli enzimi come catalizzatori biologici
3) Il sito attivo
4) Fattori che influenzano le reazioni catalizzate dagli enzimi
5) La regolazione dell’attività enzimatica
6) Gli enzimi ed alcuni errori congeniti del metabolismo
1) Definizione, classificazione e nomenclatura
Gli enzimi sono proteine che svolgono un’attività catalitica nei sistemi biologici.
Gli enzimi vengono classificati in modi diversi, ma il più facile da ricordare
Gli enzimi sono anche classificati in base al tipo di reazione che promuovono.
I tipo di reazioni catalizzate dagli enzimi sono suddivisi in 6 classi:
1) ossidoreduttasi : l’enzima promuove una reazione redox con scambio di H, O, e/o
elettroni
2) transferasi : trasferimento di gruppi funzionali
3) idrolasi : rottura di legami per aggiunta di acqua
4) liasi : addizione di gruppi funzionali a doppi legami
5) isomerasi : formazione di isomeri
6) ligasi : formazione di legami a spese dell’energia contenuta nell’ATP
Ecco la nomenclatura ufficiale degli enzimi (EC sta per commissione sugli enzimi)
2) Gli enzimi come catalizzatori biologici
Gli enzimi sono catalizzatori biologici ed assolvono il loro compito abbassando l’energia di
attivazione delle reazioni senza modificare la costante di equilibrio della reazione. Non
spostano l’equilibrio della reazione ma aumentano la velocità con cui si raggiunge
l’equilibrio perché diminuiscono l’energia di attivazione. Ma non solo, in generale per
aumentare la velocità di una reazione si offrono diverse possibilità:
- Aumentare l'energia cinetica delle particelle: ad esempio, aumentando la temperatura.
- Aumentare la frequenza degli urti: ad esempio, aumentando, almeno virtualmente o
localmente, la concentrazione dei reagenti.
- Ridurre l'energia di attivazione: abbassando l'energia potenziale del complesso attivato,
diventa maggiore la frazione di particelle con energia cinetica pari all'energia di
attivazione.
- Ottimizzare l'orientazione della collisione: ad esempio, posizionando le particelle nella
adeguata giustapposizione spaziale.
La maggior parte dei comuni i catalizzatori funzionano agendo prevalentemente sulle
possibilità 2 e 3, gli enzimi sono in grado di sfruttare le ultime tre alternative in maniera
ottimale.
Il punto 3 ha un significato termodinamico importante nel giustificare l'efficienza catalitica
di un enzima. Gli enzimi agiscono abbassando in maniera selettiva l'energia di attivazione,
facendo procedere la reazione attraverso un meccanismo catalitico costituito da più stadi
intermedi, ciascuno caratterizzato da energie di attivazione molto inferiori rispetto
all'energia di attivazione globale della reazione non catalizzata.
La forte riduzione dell'Ea è dovuta alle numerose interazioni (legami a idrogeno,
interazioni idrofobiche e dipolari) che l'enzima stabilisce con il substrato. Si tenga presente
che in seguito alla formazione di un legame chimico, si assiste sempre ad un
abbassamento dell'energia potenziale.
La reazione globale catalizzata da un enzima è:
S
P
Substrato
Prodotto
L’azione dell’enzima provoca la formazione di più
stati di transizione:
S+E
ES
EP
E+P
Gli enzimi raggiungono il loro scopo modificando
il percorso della reazione e formando con il
substrato il complesso ES, successivamente
formano un complesso EP e poi rilasciano il
prodotto.
L’enzima svolge la sua azione catalitica
utilizzando solo una parte della molecola
proteica chiamata “sito attivo”, anche se il resto della molecola può cooperare. Infatti
l’enzima costringe i reagenti ad avvicinarsi, favorisce il contatto tra essi ed orienta gli atomi
che devono interagire in modo che i legami possano rompersi e formarsi.
Quindi gli enzimi per poter funzionare come catalizzatori devono avere le seguenti
caratteristiche:
a) alla fine della reazione devono avere la struttura immodificata
b) devono essere “efficaci” in piccole quantità
c) non devono influenzare l’equilibrio della reazione
d) devono essere specifici.
La specificità si suddivide in assoluta: agiscono su un solo tipo di molecole; relativa
agiscono su un numero limitato di molecole. Per esempio la “tripsina” (prodottoa nel succo
pancreatico) appartiene alla classe delle idrolasi (cioè rompe i legami per azione
dell’acqua), in particolare rompe il legame peptidico tra due aa specifici, cioè idrolizza il
legame peptidico dell’Arg (arginina) con un altro aa; e della Lys (lisina) con un altro aa.
Invece la “pepsina” (prodotta nei succhi gastrici) idrolizza il legame peptidico tra aa
aromatici o aa acidi ed un qualsiasi altro aa; quindi è un enzima poco specifico ed ha una
specificità relativa.
3) Il sito attivo
L’enzima riesce ad abbassare l’Eatt perché la molecola proteica, ripiegandosi nella sua
struttura terziaria, forma al suo interno un sito attivo, una zona relativamente piccola
rispetto all’intera proteina, caratterizzato da pochi aa che interagiscono con il substrato
favorendo il loro avvicinamento ed orientando i legami che devono rompersi e formarsi.
Il sito attivo determina la specificità e la funzione catalitica e la forma del sito attivo
dipende dalla struttura primaria che determina la formazione di legami deboli nella
struttura secondaria e terziaria.
Per descrivere il funzionamento del sito attivo sono stati messi a punto diversi modelli
interpretativi che provano a spiegare il comportamento degli enzimi.
I modelli che consideriamo sono 2:
- chiave-serratura
- adattamento indotto
Chiave-serratura : modello proposto da Fischer che ha paragonato l’enzima ad una
serratura nella quale può girare unicamente la chiave specifica, infatti solo una specifica
molecola di S ha la forma che gli permette di entrare nel sito attivo dell’enzima in modo
che la reazione possa avvenire.
Questo modello è molto semplificato, ma rende l’idea della azione specifica di un enzima.
Adattamento indotto: il sito attivo si può formare in seguito ad un cambiamento della forma
dell’enzima dopo che questo si è legato con il substrato. L’enzima ha la forma adatta a far
avvenire la reazione solo dopo che si è legato al substrato.
4) Fattori che influenzano le reazioni catalizzate dagli enzimi
Conoscere questi fattori serve per comprendere l’attività degli enzimi.
I fattori sono: 1- concentrazione SUBSTRATO
2- concentrazione ENZIMA
3- concentrazione COFATTORI
4- INIBITORI
5- TEMPERATURA
6- pH
Per studiare questi effetti si usa la teoria di Michaelis-Menten secondo cui l’enzima si
combina prima con il substrato S formando il complesso enzima-substrato ES;
quest’ultimo si scinde in una seconda tappa per formare E (enzima libero) e P (prodotto).
Si assume che le reazioni siano in equilibrio. Eseguendo alcuni calcoli matematici ottengo
un’equazione che collega la velocità dell’enzima (v) con la concentrazione del substrato.
Ed alcune caratteristiche dell’enzima.
equazione di Michaelis-Menten
1- concentrazione SUBSTRATO:
riportando in grafico l’andamento di v in funzione della concentrazione del substrato si
ottiene una curva iperbolica. Per ottenere questa curva mantengo costanti tutti gli altri
fattori e cambio solo la concentrazione del substrato.
Iinizio: per basse concentrazioni di
substrato c’è una proporzionalità quasi
diretta tra la v e la concentrazione del
substrato.
Mezzo:se aumento la concentrazione del
substrato la velocità inizia a non avere più
una proporzionalità diretta (curva).
Fine: pur aumentando la concentrazione
del substrato v rimane costante e questo
valore è detto vmax.
La vmax è anche conosciuta come velocità
di saturazione, in queste condizioni tutti i
siti attivi (quindi tutti gli enzimi) sono
saturati (cioè legati al substrato) e quindi
se la concentrazione del substrato aumenta, la velocità di reazione rimane costante.
Ogni reazione ha una costante caratteristica (kM = costante di Michaelis-Menten) che
esprime l’affinità dell’enzima per il substrato. Se nell’equazione di Michaelis-Menten pongo
v = vmax / 2 ottengo:
vmax
vmax [S]
------ = ----------2
kM + [S]
kM + [S] = 2 [S]
kM = [S]
quindi kM corrisponde alla [S] a cui corrisponde ½ vmax. Viene determinata
sperimentalmente, ma ha un significato più ampio: approssimativamente è la misura
dell’affinità di un enzima per un substrato.
Considero due enzimi (E1 ed E2) in competizione con lo stesso substrato con kM diverse in
cui kM1 > kM2.
Rappresento nel grafico questo fatto:
v
vmax
1/2vmax
kM2
kM1
[S]
I due enzimi sono in competizione, quello con k M minore ha un’attrazione (affinità)
maggiore con il substrato perché anche a [S] minore la velocità di reazione è gia elevata
(cioè l’E2 ha una kM maggiore ed un’affinità minore per il substrato.
2- concentrazione ENZIMA:
se aumento la concentrazione dell’enzima aumenta la velocità, infatti se c’è un eccesso di
substrato, nell’unità di tempo c’è una concentrazione di enzima maggiore a disposizione.
Conoscere l’effetto della concentrazione dell’enzima sulla velocità permette di dosare la
quantità di enzima in un campione biologico nota la kM.
3- concentrazione COFATTORI:
molti enzimi sono attivi solo in presenza di molecole non proteiche dette cofattori che
possono essere ioni metallici o molecole organiche. Per questi enzimi la velocità di
reazione dipende anche dalla concentrazione dei cofattori.
4- TEMPERATURA:
anche senza ricordarlo basta ragionare: una qualunque reazione chimica è più veloce con
l’aumento della temperatura (perché…………………) anche per le reazioni catalizzate da
enzimi. Ma ad alte temperature la proteina si denatura e perde la sua attività biologica.
5- pH:
il cambiamento di pH modifica il grado di ionizzazione dei un enzima e di un substrato e
quindi può agire sul sito attivo modificandolo.
6- INIBITORI:
gli inibitori rallentano la velocità di reazione enzimatica e lo fanno in due modi:
- inibizione competitiva: il S e l’inibitore (I) hanno strutture simili e competono con il
sito attivo.
- Inibizione non competitiva: l’inibitore non si lega sul sito attivo ma in una zona
diversa, però modifica il sito attivo che viene deformato e reso poco efficiente.