ENERGIA
ED
ENZIMI
Energia ed Enzimi
SISTEMI
Gruppi di molecole che reagiscono
AMBIENTE
Ogni cosa al di fuori del sistema
Energia ed Enzimi
ENERGIA
DISORDINE
EQUILIBRIO
TRANSIZIONE
Energia ed Enzimi
In un sistema chiuso al di sopra dello
zero assoluto (-273°C), parte del
contenuto energetico è sotto forma di:
- ENERGIA CINETICA
rotazione e vibrazione di molecole
- ENERGIA POTENZIALE
energia nei legami chimici
covalenti/idrogeno/ionici/idrofobici
Energia ed Enzimi
ENERGIA
CINETICA
POTENZIALE
sono interscambiabili
La rottura dei legami aumenta il
movimento molecolare cinetico
ad esempio nella evaporazione dei liquidi
Energia ed Enzimi
I principio della termodinamica
In processi non-nucleari, la quantità
totale di energia in un sistema e nel
suo ambiente
rimane costante
L’Energia:
non si crea e non si distrugge
Energia ed Enzimi
II principio della termodinamica
Il disordine totale del sistema e del
suo ambiente
aumenta sempre
L’Entropia:
reazioni chimiche tendono al maggior grado di
disordine
Energia ed Enzimi
I + II principio della termodinamica
Le reazioni in cui il sistema va verso
una condizione di:
- Energia minima e/o
- Entropia massima (disordine)
SONO FAVORITE E SPONTANEE
Energia ed Enzimi
nelle reazioni chimiche di
importanza biologica l’energia dei
REAGENTI > PRODOTTI
°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°
°°°°
Molte reazioni spontanee vanno verso una
DIMINUZIONE DI ENERGIA
(es: possono liberare calore all’ambiente)
Energia ed Enzimi
l’ENERGIA liberata durante una
reazione chimica spontanea
ENERGIA LIBERA
Energia ed Enzimi
ENERGIA LIBERA DI GIBBS = G
Variazione di energia libera di Gibbs
ΔGper reazione spontanea deve andare nella direzione
energetica favorevole
A>B
ΔG < 0
A-->B spontanea
se
A<B
ΔG > 0
X
B --> A
Energia ed Enzimi
Per far avvenire una reazione
ENERGETICAMENTE SFAVORITA (reazione con ΔG > 0)
A+B
C
Richiesta di ENERGIA
Si accoppia ad una reazione SPONTANEA
D+E
F
Rilascio di ENERGIA
ENERGIA
donata per
spingere la
reazione
sfavorita
Energia ed Enzimi
Reazione risultante:
A+B+D+E
C+F
se ENERGIA (A/B/C/D) > (C/E)
La direzione principale di una reazione reversibile dipende
da:
- Energia dei loro componenti
- Concentrazione dei loro componenti
per la tendenza ad un maggior grado di disordine
Energia ed Enzimi
Per spingere le reazioni sfavorite si utilizza
l’Idrolisi dell’
ATP
Energia ed Enzimi
Es:
Acido Glutammico +NH3
Glutammina + H2O
ΔG° + 3.400 cal/mole (ΔG > 0 non spontanea)
Spinta da:
ATP + H2O
ADP + Pi
ΔG° - 7.000 cal/mole
+3.400 -7.000 = -3.600 cal/mole
(ΔG < 0 Favorita !!!!!)
Energia ed Enzimi
Nei SISTEMI DINAMICI come i compartimenti
cellulari, le cellule, i fluidi intercellulari, il sangue,
ecc., ecc.
L’equilibrio viene continuamente modificato per:
- AGGIUNTA DI NUOVI REAGENTI
- RIMOZIONE DEI PRODOTTI FORMATI
Energia ed Enzimi
ENERGIA DI ATTIVAZIONE
S --> P ΔG° = - 500 cal/mole SPONTANEA
MA NON AVVIENE !!
S --> SP* --> P
INTERMEDIO DI
TRANSIZIONE
SERVE UN ENZIMA
Energia ed Enzimi
ENZIMI --> CATALIZZATORI BIOLOGICI
# aumentano la velocità di reazione di tutte le
reazioni chimiche all’interno della cellula
S
lenta
P
S+E
ES
E+P
# non si modificano permanentemente
# non alterano l’equilibrio della reazione
Energia ed Enzimi
ENZIMI --> CATALIZZATORI BIOLOGICI
L’ EQUILIBRIO è determinato esclusivamente da:
- stato energia del substrato
- stato energia del prodotto
Gli enzimi riducono solamente l’energia richiesta
allo STATO DI TRANSIZIONE
Energia ed Enzimi
Gli enzimi possono
imporre una
variazione
conformazionale del
substrato
avvicinandola a
quella dello stato di
transizione e del
prodotto di reazione
Energia ed Enzimi
SITO ATTIVO DELL’ENZIMA
--> CAVITA’ NELL’ENZIMA CHE ACCOGLIE
IL SUBSTRATO ISOLANDOLO
DALL’AMBIENTE
SITO ATTIVO:
determinato dalla struttura
terziaria della proteina enzimatica
Alta affinità per SUBSTRATO
E prodotti intermedi
Bassa affinità per PRODOTTI
Energia ed Enzimi
L’interazione tra ENZIMA e SUBSTRATO
l’enzima deve tornare alla struttura nativa
--> mediato da
- legami ionici
- legami idrogeno
- interazioni idrofobiche e di “VDW”
MAI LEGAMI COVALENTI
se non reversibili e temporanei
BLOCCO DELL’ATTIVITA’ ENZIMATICA
INIBIZIONE IRREVERSIBILE
Energia ed Enzimi
FATTORI CHE INFLUENZANO L’ATTIVITA’
ENZIMATICA
- concentrazione di substrato
- concentrazione di prodotto
- temperatura
- pH
- ……………..
Energia ed Enzimi
MODELLI DI
CATALISI ENZIMATICA
chiave/serratura
adattamento indotto
Energia ed Enzimi
REGOLAZIONE DELLA ATTIVITA’
ENZIMATICA
- Competizione per il sito attivo
- Regolazione allosterica
- Fosforilazione e processi
correlati
Energia ed Enzimi
REGOLAZIONE DELLA ATTIVITA’
ENZIMATICA
- Competizione per il sito attivo
- Regolazione allosterica
- Fosforilazione e processi
correlati
Energia ed Enzimi
substrato
Inibitore
competitivo
Competizione per
il sito attivo
Sito attivo
Inibizione
Competitiva
substrato
Inibizione non
competitiva
ALLOSTERICA
Sito attivo
Inibitore
non
competitivo
Energia ed Enzimi
REGOLAZIONE DELLA ATTIVITA’
ENZIMATICA
- Competizione per il sito attivo
- Regolazione allosterica
- Fosforilazione e processi
correlati
Energia ed Enzimi
TREONINA
ISOLEUCINA
Inibizione a
FEEDBACK
NEGATIVO
Energia ed Enzimi
ATTIVAZIONE ALLOSTERICA
Se il regolatore allosterico rende
possibile interazione enzima/substrato
INIBIZIONE ALLOSTERICA
Se il regolatore allosterico impedisce
l’interazione enzima/substrato
Energia ed Enzimi
REGOLAZIONE DELLA ATTIVITA’
ENZIMATICA
- Competizione per il sito attivo
- Regolazione allosterica
- Fosforilazione e processi
correlati
Aminoacidi fosforilabili:
OH --> Aggiunta di -PO43-
Fosforilazione / Defosforilazione
Fosforilazione
Defosforilazione
<-- PROTEINE CHINASI
<-- PROTEINE FOSFATASI
Fosforilazione / Defosforilazione
La Fosforilazione (o la Defosforilazione) induce
una variazione conformazionale a livello della
struttura terziaria della proteina enzimatica
A.FOSFORILAZIONE ATTIVANTE
(Defosforilazione inattivante)
OH
P
fosforilazione
defosforilazione
SITO ATTIVO
FUNZIONANTE
Fosforilazione / Defosforilazione
La Fosforilazione (o la Defosforilazione) induce
una variazione conformazionale a livello della
struttura terziaria della proteina enzimatica
B. FOSFORILAZIONE INATTIVANTE
(Defosforilazione attivante)
OH
fosforilazione
defosforilazione
SITO ATTIVO
FUNZIONANTE
P
CASCATA ENZIMATICA
STIMOLO 1
P
OH
FOSFORILAZIONE
10
enzimi
attivi
P
OH
FOSFORILAZIONE
10x10=100
enzimi
attivi
P
OH
FOSFORILAZIONE
100x10=1.000
enzimi
attivi
RISPOSTA BIOLOGICA
AMPLIFICATA
AMPLIFICAZIONE
DEL SEGNALE
PROTEINE ASSOCIATE AL GTP
PROTEINE G (O G-Proteins)
GTP = guanosin trifosfato
Pi = fosfato
GDP = guanosin difosfato
Alcune proteine possiedono un sito di legame per il
GTP / GDP
GDP
scambio
GTP
ATTIVO
Pi
GDP
INATTIVO
GTP
GTP
ATTIVO
PROTEINE ASSOCIATE AL GTP
PROTEINE G (O G-Proteins)
GTP --> IDROLIZZATO A GDP
GDP --> SCAMBIATO CON GTP
ENZIMI
GRUPPI PROSTETICI
Piccole molecole legate a proteine che aiutano gli
enzimi
Es.: gruppo EME che lega
O2 nella mioglobina
Sono uniti saldamente
all’enzima
Costituiti da ioni metallici
(Fe++, Zn++, ecc.)
*** COENZIMI ***
- i COENZIMI non sono associati agli enzimi
-Molecole organiche a basso peso molecolare che
aiutano gli enzimi
-I coenzimi si trasformano durante le reazioni
enzimatiche --> ma vengono rigenerati
- Partecipano a reazioni enzimatiche multiple
- Contribuiscono direttamente alla riduzione della
energia di attivazione
*** COENZIMI ***
NICOTINAMIDE-ADENIN-DINUCLEOTIDE
NAD+
NAD-P
NADP+
H+
+2eH+
NADH
NADPH
+2eH+
FADH
+2e-
FADH2
NADH e FADH2 sono DONATORI/ACCETTORI di
elettroni nelle reazioni di ossido-riduzione, da
SUBSTRATO RIDOTTO
PRODOTTO OSSIDATO
e viceversa
