6_enzimi_2016 - I blog di Unica
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Amminoacidi Peptidi Proteine Amminoacidi: Struttura generale COOH H NH2 Centro chiralico Gli amminoacidi nelle molecole proteiche sono tutti stereoisomeri L IDROFOBOCI IDROFOBOCI IDROFILICI Secondo gruppo amminico primario IDROFILICI Gruppo imidazolico Gruppo guanidinico Secondo Gruppo carbossilico FORMAZIONE DEI PONTI DISOLFURO PONTE DISOLFURO PROPRIETÀ ACIDO-BASE DEGLI AMMINOACIDI Ione dipolare zwitterione Sono molecole ANFOTERE Donatore di protoni Accettore di protoni La carica degli aminoacidi dipende dal pH della soluzione dal proprio punto isoelettrico carica positiva al di sotto del pI carica negativa al di sopra del pI carica netta 0 al pI Peptidi & Proteine Polimeri di Amminoacidi Amminoacidi proteine Peptidi Catene di Amminoacidi Il legame Peptidico Il legame Peptidico Dipolo Più corto di un legame singolo Ha parziale carattere di doppio legame È rigido, non permette deformazioni e rotazioni attorno al legame C-N Ciascun carbonio α appartiene contemporaneamente a due piani peptidici, i quali formano un angolo diedro Il legame peptidico è quasi sempre di tipo trans in quanto l’impedimento sterico tra gruppi R di aminoacidi contigui rende poco stabile la configurazione cis peptide Oligopeptide: piccolo numero di Amminoacidi Polipeptide: elevato numero di Amminoacidi, Massa molecolare < 10 000 Proteina: elevato numero di Amminoacidi, Massa molecolare > 10 000 Proteine Semplici Contengono solo amminoacidi Coniugate Contengono gruppi chimici addizzionali associati Proteine: Livelli strutturali La sequenza amminoacidica determina il ripiegamento in una specifica struttura tridimensionale che a sua volta stabilisce la funzione della proteina La SEQUENZA con cui si ripetono i residui amminoacidici definisce la STRUTTURA PRIMARIA Proteine con lo stesso numero di residui aminoacidici che differiscono nella struttura primaria svolgono funzioni diverse. Le proteine si distinguono per la COMPOSIZIONE e per la SEQUENZA dei residui amminoacidici Struttura secondaria delle proteine Tipica disposizione spaziale dei residui amminoacidici che sono adiacenti nella struttura primaria. Ripiegamento della catena polipeptica la cui catena principale si dispone nello spazio tridimensionale formando una struttura ripetitiva. Conformazione: organizzazione spaziale degli atomi di una proteina. α-elica, β-foglietto Struttura secondaria delle proteine Per conformazione si intende l’ organizzazione spaziale degli atomi di una proteina. Le Conformazioni che una proteina può assumere sono quelle termodinamicamente più stabili (minore ΔG) Le proteine che si trovano nella loro conformazione funzionale vengono dette native Possiamo quindi definire la stabilità di una proteina come la sua tendenza a mantenere la conformazione nativa Struttura secondaria delle proteine 1) INTERAZIONI IDROFOBICHE: Le catene laterali degli amminoacidi idrofobici tendono a raggrupparsi all’interno delle proteine 2) LEGAMI H Massimo numero all’interno della proteina Struttura secondaria delle proteine: α elica N C C=O α - eliche delle proteine: destrorsa ogni giro di elica 3,6 residui di amminoacidi passo = 3,6 residui Struttura secondaria delle proteine: α elica stabilizzata da legami idrogeno il gruppo C=O di un amminoacido forma un legame H con il gruppo N-H dell’amminoacido che si trova 4 residui più avanti nella stessa catena Struttura secondaria delle proteine: α elica stabilizzata da legami idrogeno L’atomo di ossigeno del legame peptidico di ogni aminoacido forma legame idrogeno con l’idrogeno del legame peptidico del quarto aminoacido successivo PROLINA & GLICINA: residui incompatibili con la struttura dell’α-elica Dove c’è una prolina c’è un ripiegamento Struttura secondaria delle proteine: Stabilizzato tramite legami idrogeno tra segmenti adiacenti della catena polipeptidica Foglietto β Struttura secondaria delle proteine: Foglietto β Ripiegamenti β Collegano le estremità di due segmenti adiacenti con strutture ad α elica oppure a foglietto β Struttura terziaria delle proteine Definisce la disposizione di tutti gli atomi di una proteina nello spazio tridimensionale Struttura terziaria delle proteine Ponte disolfuro Legame a idrogeno Struttura terziaria delle proteine H2N CH2 CH2 C O Interazioni idrofobiche CH2 S S CH2 CH2 CH2 H CH2 O NH3+ Legame ionico COO- CH2 CH2 CH2 CH 2 CH CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH Struttura terziaria: riguarda la disposizione nello spazio e l’interazione di residui di amminoacidi distanti tra loro nella sequenza lineare Struttura terziaria delle proteine Struttura terziaria delle proteine le interazioni tra le catene laterali degli aminoacidi determinano il modo in cui una lunga catena polipeptidica si ripiega nella forma tridimensionale della proteina Struttura terziaria delle proteine la struttura terziaria di una proteina può essere considerata come un insieme di segmenti peptidici con conformazioni ad α elica e a foglietto β uniti da tratti di connessione: Motivo Avvolgimento polipeptidico caratteristico formato da due o più elementi di struttura secondaria e dalle connessioni che le uniscono È ricorrente in proteine diverse Struttura terziaria delle proteine Dominio: parte di una catena polipeptidica di per se stabile Struttura terziaria delle proteine Struttura terziaria delle proteine Residui Polari Residui Apolari Gli amminoacidi apolari tendono a sfuggire il contatto con l’acqua e guidano interi segmenti della proteina ad occupare zone più interne della macromolecola ripiegata Gli amminoacidi polari si trovano più frequentemente sulla superficie della proteina stessa, a contatto con le molecole d’acqua Ripiegamento non corretto delle proteine Struttura quaternaria delle proteine Complessi tridimensionali che derivano dall’associazione di due o più catene polipeptidiche SUBUNITA’ Considerando i diversi livelli di organizzazione strutturale possiamo classificare le proteine in base a struttura e solubilità Globulari Fibrose la maggior parte degli enzimi e delle proteine regolatrici determinano la resistenza, la forma e la protezione esterna delle cellule Classificazione, Struttura & Funzione delle proteine Proteine fibrose: catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci o foglietti. Normalmente è presente un solo elemento di struttura 2a ripetuto più volte. Prevalente funzione strutturale. Insolubili in acqua. Proteine globulari: Segmenti di una catena o di catene polipeptidiche diverse si avvolgono l’uno sull’altro catene polipeptidiche ripiegate e forma sferica. Normalmente sono presenti più tipi di struttura 2a. Prevalente funzione regolatoria ed enzimatica. Gli Enzimi Gli Enzimi catalizzatori biologici rendono possibile da un punto di vista cinetico le reazioni chimiche Sono le proteine più importanti e più specializzate Presentano un elevato grado di specificità per il substrato Operano in soluzioni acquose con temperature e pH blandi Struttura generale degli enzimi Sono proteine globulari complesse : Parte proteica Addotto enzima-substrato Parte non-proteica Cofattore (ione metallico) Coenzima (natura organica: vitamina o altro) Gruppo Prostetico SITO ATTIVO: specifica porzione dell’enzima, deputata al legame con il substrato che porta alla formazione dell’addotto ES Addotto ES Proprietà dei Catalizzatori I catalizzatori sono sostanze capaci di abbassare l’energia di attivazione rendendo piú facile la formazione dell’addotto ES: la reazione diviene quindi piú veloce. La K equilibrio è correlata alla variazione di energia libera ΔG°= in condizioni standard: 25°C, 1M ΔG°= - R T lnKeq Un ΔG° negativo indica che la formazione dei prodotti è favorita termodinamicamente, ma non fornisce informazioni sulla velocità della reazione ES EP E+S E+P viene resa più veloce sia la reazione diretta, sia la reazione inversa viene raggiunto più velocemente l’equilibrio ΔG↨=energia di attivazione Gprodotti-Gsubstrati (G°’) < 0 Reazione esoergonica ES Stato di transizione (ǂ) Reazione ESOERGONICA EP E+S E+P Stato di transizione (ǂ) Reazione ENDOERGONICA A(S) B(P) I catalizzatori abbassano l’energia di attivazione delle reazioni favoriscono lo stato di transizione formando l’addotto ES Gprodotti-Gsubstrati (G°’) < 0 Reazione esoergonica Molti catalizzatori non facilitano la formazione dello stato di transizione, ma sostituiscono la reazione ‘difficile’ con 2 o più reazioni entrambe con uno stato di transizione facile da formare ES EP E+S E+P Risultato: accelerazione della reazione globale. ↨ ΔG =energia di attivazione A(S) B(P) ADDOTTO Enzima-Substrato L’energia usata per aumentare la velocità enzimatica deriva dalle interazioni deboli (legami idrogeno, interazioni ioniche e idrofobiche) che si formano tra enzima e substrato ENERGIA di LEGAME Gli enzimi sono caratterizzati da elevata specificità CATALISI ENZIMATICA CATALISI ENZIMATICA CATALISI ENZIMATICA Adattamento indotto Enzimi: Aumentano la velocità di una reazione ma NON ne modificano l’equilibrio Consideriamo la generica equazione: aA+bB cC+dD Definiamo costante di equilibrio Keq c d [C ] [ D] K eq a b [ A] [ B] a temperatura costante! Le concentrazioni sono all’equilibrio La velocità della reazione diretta è uguale alla velocità della reazione inversa CINETICA ENZIMATICA • velocità di una reazione (V): numero di molecole di substrato che si trasformano in prodotto nell’unità di tempo. • (V) si esprime come mmol/L di prodotto formatosi in un minuto (mM/min). • Velocità iniziale V0 • Nelle analisi delle reazioni enzimatiche si utilizzano soltanto le velocità di reazione iniziali (v0), quelle che si misurano non appena si mescolano l’enzima ed il substrato. • In tal modo la variazione di [S] può essere considerata trascurabile. CINETICA ENZIMATICA FATTORI CHE MODIFICANO LA VELOCITA’ DELLE REAZIONI ENZIMATICHE: 1) pH (curva a campana) 2) temperatura (curva bifasica a causa della denaturazione) 3) [S] (iperbole rettangolare a causa della saturazione) 4) inibitori CINETICA ENZIMATICA: pH • Ciascun enzima ha un pH ottimale al quale la reazione è catalizzata con la massima efficienza. Esso in genere rispecchia il pH dell’ambiente in cui l’enzima svolge normalmente le sue funzioni. • La concentrazione degli H+ (pH) influenza l’attività enzimatica modificando la geometria del sito attivo e la distribuzione delle cariche elettriche dei gruppi coinvolti nel legame del substrato o nel processo catalitico stesso. • Valori di pH estremi possono anche provocare la denaturazione dell’enzima. CINETICA ENZIMATICA: pH CINETICA ENZIMATICA: temperatura • La velocità di reazione aumenta con l’aumentare della temperatura fino a raggiungere un picco. • Un ulteriore innalzamento della temperatura provoca una diminuzione della velocità di reazione a causa della denaturazione dell’enzima. CINETICA ENZIMATICA: temperatura CINETICA ENZIMATICA: concentrazione del substrato • La velocità di una reazione catalizzata da un enzima aumenta all’aumentare della concentrazione del substrato fino a raggiungere una velocità massima (Vmax). In questa condizione i siti attivi dell’enzima sono saturi del substrato Quando tutto l’enzima è saturato con il substrato: [ES] = [Etot] V0 = Vmax CINETICA DELLO STATO STAZIONARIO La curva che esprime la relazione tra V0 e S ha un andamento iperbolico ed è espressa algebricamente dalla equazione di Michaelis-Menten Costante di Michaelis e Menten La Km è quella concentrazione di substrato a cui la V0 è pari a metà della Vmax L’equazione di Michaelis-Menten • descrive la variazione della velocità di reazione al variare della concentrazione del substrato. v0 = velocità iniziale della reazione Vmax= velocità massima Km = costante di Michaelis-Menten [S] = concentrazione del substrato Caratteristiche della Km • La Km è pari alla concentrazione di substrato alla quale la velocità della reazione (V0) è 1/2 della Vmax. • La Km riflette l’affinità dell’enzima per il substrato: Km piccola = alta affinità dell’enzima per il substrato Km grande = bassa affinità dell’enzima per il substrato. • Ogni enzima ha una Km caratteristica per un dato substrato. • La Km non varia al variare della [E]. I PARAMETRI CINETICI POSSONO ESSERE USATI PER CONFRONTARE LE ATTIVITA’ DEGLI ENZIMI Inibizione Enzimatica Inibitori ostacolano o impediscono il funzionamento degli enzimi Inibitore reversibile: inibitore irreversibile: Ha un azione temporanea, è possibile allontanare l’inibitore dall’enzima, consentendo il regolare esplicarsi dell’attività catalitica. la ripresa dell’attività enzimatica non è possibile, in quanto non è possibile in nessun modo allontanare l’inibitore dall’enzima Inibizione Enzimatica Un Inibitore di tipo competitivo si lega al sito attivo dell’enzima, precludendo il legame dell’enzima stesso col substrato. Si forma un addotto enzima-inibitore, che non può evolvere verso il prodotto e che sottrae enzima alla reazione catalitica. Inibizione Enzimatica un inibitore incompetitivo si lega ad un sito distinto da quello del substrato, legandosi al complesso ES Inibizione Enzimatica un inibitore misto si lega ad un sito distinto da quello del substrato, ma si può legare sia all’addotto ES sia al solo E Inibizione Enzimatica Enzimi regolatori • un enzima regolatore è quello che controlla le quantità di sostanze che devono essere trasformate in una via metabolica (catalizza la reazione più lenta, in genere la prima di una serie) • tali enzimi non seguono la cinetica di Michaelis–Menten e sono responsabili della modulazione della velocità con cui decorre l’intero processo metabolico ENZIMI ALLOSTERICI • struttura quaternaria (due o più subunità proteiche) • in essi esistono più siti chimicamente attivi • Effettore o MODULATORE: molecola che interagendo con l’enzima in siti lontani dal sito attivo, esercita un effetto positivo o negativo sulla sua attività Enzimi regolatori Modificazione allosterica Enzimi regolatori Enzimi regolatori Inibizione retroattiva Gli enzimi allosterici possono essere inibiti dai prodotti terminali di una via metabolica Enzimi regolatori Inibizione retroattiva Enzimi regolatori modificazione covalente reversibile Enzimi regolatori modificazione covalente reversibile Enzimi regolatori Scissione proteolitica di un precursore (zimogeno inattivo) modificazione covalente irreversibile Enzimi regolatori Enzimi regolatori
