A
Vincenzo Calò
Bio–Organica
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I edizione: febbraio
Indice
Introduzione
Capitolo I
I sistemi enzimatici
.. Fattori che influenzano una reazione: entropia, prossimità, stati di
transizione e loro stabilizzazione, .
Capitolo II
Le funzioni dell’adenosina trifosfato (ATP)
.. Sintesi di peptidi ed esteri, – .. Meccanismi di trasferimento del
fosfato: fosfochinasi. Alcuni esempi di trasferimento del fosfato, .
Capitolo III
Metallo proteinasi e trasferimento di gruppi acilici
Capitolo IV
La tautomeria cheto–enolica
.. La tautomeria cheto-enolica e sua implicazione nella sintesi e metabolismo dei carboidrati. Catalisi bifunzionale nella sintesi di enedioli, .
Capitolo V
Formazione di immine e catalisi da aldolasi
Capitolo VI
Decarbossilazioni non dipendenti dalla vitamina B
.. Acetoacetato decarbossilasi, – .. Istidina decarbossilasi, – .. S–
Adenosilmetionina decarbossilasi, – .. Fosfatidilserina decarbossilasi, – .. Aspartato decarbossilasi, .
Indice
Capitolo VII
Glucosidi
.. Trasferimento di gruppi glucosidici, – .. I glucosidi e loro
funzione biologica, .
Capitolo VIII
Enzimi e vitamine: enzimi dipendenti dalla tiamina pirofosfato
(vitamina B )
.. Decarbossilazione ossidativa del piruvato in acetil coenzima A e
NADH, – .. La decarbossilazione ossidativa dell’α-chetoglutarato,
– .. Transchetolasi, – .. Il ciclo di Calvin, .
Capitolo IX
La vitamina B
.. Decarbossilazione del glutammato e di L–DOPA, – .. Sintesi
dell’acido amminolevulinico., – .. Reazioni catalizzate dal piridossal fosfato interessanti il carbonio β, – .. Reazioni catalizzate dal
piridossal fosfato interessanti il carbonio γ , – .. Enzimi glutatione
dipendenti, .
Capitolo X
Reazioni di ossido–riduzione
.. I nucleotidi piridinici, .
Capitolo XI
Ossido–riduzioni catalizzate da enzimi flavinici
.. Monoammino ossidasi, – .. Acil coenzima A deidrogenasi, –
.. Succinico deidrogenasi, – .. Ossidazione di tioli, – .. NADH e NADPH deidrogenasi, – .. Glutatione riduttasi, – .. Monoossigenasi, – .. Fenol ossidasi, – .. Fenilalanina ossidasi, –
.. Luciferasi, – .. Ossigenasi di chetoni ciclici, .
Capitolo XII
Ossido–riduzione della coppia flavina–ubichinone
Capitolo XIII
Complessi multi-enzimatici: sintasi eucariotica degli acidi grassi
.. Introduzione, – .. Carbossilazione della Biotina mediante
Indice
ATP, – .. β–chetoacil riduttasi, – .. Deidrasi, – .. Enoil
riduttasi, .
Bibliografia
Introduzione
Questo breve libro vuol portare un contributo nel proporre un punto di vista più moderno su come possono verificarsi i meccanismi di
ossido–riduzione catalizzati dagli enzimi. Questo deriva dalle ultime acquisizioni su alcuni meccanismi di reazione in chimica organica, meccanismi che prevedono reazioni di trasferimento mono–elettronico. I
riducenti biologici quali le flavine, NADH–NADPH, il coenzima Q, la
vitamina C, l’amminolo derivante dalla decarbossilazione ossidativa
del piruvato, ed in alcuni casi, gli enedioli degli zuccheri, agiscono
mediante trasferimento mono–elettronico attraverso la formazione
di una coppia radical–anione e radical–catione come intermedi della
reazione. Solo così, per esempio, si può giustificare la reazione tra
la flavina allo stato di singoletto con l’ossigeno tripletto per dare la
flavina idroperossido.
È difficile capire come faccia l’NADH a trasferire uno ione idruro,
una base e nucleofilo molto forti, a pH fisiologico, e per giunta con un
gruppo ammidico primario acido in orto nell’anello piridinico. Oltretutto, solo un trasferimento mono–elettronico giustifica la riduzione
dei metalli come il ferro trivalente nella catena respiratoria. Per molto
tempo si è creduto che l’energia di attivazione nei processi biologici
fornita dall’ATP derivasse dalla sua idrolisi. In realtà, dal punto di vista
termodinamico l’idrolisi produce circa chilocalorie per mole, del
tutto insufficiente nell’attivare una reazione di esterificazione o di
formazione di ammidi partendo da sali di acidi carbossilici.
Capitolo I
I sistemi enzimatici
Gli enzimi sono proteine che catalizzano le reazioni biologiche. Nella
catalisi enzimatica si osservano due effetti determinanti quali il riconoscimento del substrato e l’aumento della velocità di reazione. Essi
possiedono siti attivi nei quali avvengono le reazioni di rottura e formazione di legami del substrato ed al loro interno possono trovarsi
ioni metallici oppure vitamine. L’aumento della velocità di reazione
può essere enorme se confrontato con un’analoga non enzimatica. Il
riconoscimento del substrato è determinato sia dalla forma che dalla
cosiddetta complementarità elettrica della superficie dell’enzima verso
il substrato.
In questo capitolo sono riportati alcuni fattori che possono influenzare la velocità di reazione tra due reagenti.
.. Fattori che influenzano una reazione: entropia, prossimità,
stati di transizione e loro stabilizzazione
... Entropia e Prossimità
Quando due molecole si avvicinano l’una all’altra, il processo è accompagnato da una variazione negativa di entropia dovuta alla riduzione di
spazio per i reagenti. Questa diminuzione di entropia è conseguenza
della perdita di entropia traslazionale e rotazionale. Pertanto, più geometricamente vicini sono i reagenti, maggiore risulta la diminuzione
di entropia. In sintesi, se in una reazione bimolecolare si ha un calo di
entropia, la reazione è termodinamicamente sfavorita.
Bio–Organica
... Stati di transizione e loro stabilizzazione in catalisi enzimatica
Gli enzimi aumentano la velocità delle reazioni chimiche perché hanno siti attivi che sono complementari più alle strutture degli stati di
transizione che a quelle dei substrati non reagiti. Se E è l’enzima, S
il substrato e P il prodotto, Kc è la costante di formazione del complesso enzima–substrato, mentre kp la costante di velocità che porta al
rilascio del prodotto dall’enzima (equazione .).
Kc
kp
E + S ES −→ E + P
(.)
Come si evince dall’equazione ., l’energia che si ottiene dalla
formazione del complesso enzima–substrato (ES) viene impiegata
per abbassare l’energia libera dello stato di transizione, mentre kp è
determinata dalla differenza dei livelli energetici tra il complesso ES
ed ES* dello stato di transizione (fig. .).
Figura .. Rappresentazione schematica dell’energia libera di Gibbs per una
catalisi enzimatica. [S, substrato; E, enzima; ES, complesso enzima substrato; ES* ,
stato di transizione. La costante di dissociazione Kc è proporzionale a ∆Gs e kp
proporzionale a ∆G* .
. P, L., Chem. Eng. News, , , .
. I sistemi enzimatici
L’energia associata alla formazione del complesso ES influenza quella
dello stato di transizione ES* , nel senso che tanto maggiore è l’energia
associata alla formazione di ES, tanto minore sarà l’energia di attivazione ES* con conseguente aumento della velocità di formazione del
prodotto P.
L’importanza della formazione del complesso ES aiuta a comprendere perché una proteina enzimatica abbia un elevato peso molecolare.
I residui presenti sulle catene laterali, infatti, permettono un’interazione elettrostatica, idrofila o idrofobica col substrato favorendo la
formazione del complesso. Inoltre, alla stabilizzazione del complesso
contribuisce la configurazione spaziale tridimensionale della proteina.
Un fattore spesso trascurato che può spiegare la differente velocità
tra reazioni catalizzate da enzimi e le analoghe promosse da catalizzatori non biologici, risiede nella maggior forza che uno stesso nucleofilo
manifesta nella reazione enzimatica rispetto alla reazione in vitro. Le
reazioni chimiche avvengono, infatti, in solventi o tra reagenti allo
stato gassoso. Se, per esempio, consideriamo una semplice addizione
nucleofila al carbonile che avviene in un solvente (figura .), perché
il nucleofilo possa interagire con il substrato elettrofilico è necessaria una sua desolvatazione preliminare. Essendo questo un processo
endotermico, all’energia di attivazione propria del processo si deve
sommare anche quella di desolvatazione.
Figura ..
Capitolo II
Le funzioni dell’adenosina trifosfato (ATP)
.. Sintesi di peptidi ed esteri
Una delle funzioni dell’ATP consiste nell’abbassare l’energia di attivazione nella formazione di legami ammidici ed esterei per reazione
di ammine o alcooli con acidi carbossilici. In assenza di ATP queste
reazioni non avvengono. Infatti, a pH fisiologico, essendo gli acidi
organici in forma di sali, non è possibile una loro reazione con gli
alcooli e le ammine per dare esteri o ammidi (figura .).
Figura ..
Queste reazioni non avvengono perché richiedono un’elevata energia di attivazione o, in altri termini, il carbonile degli acidi è poco
elettrofilo per reagire con nucleofili relativamente deboli quali ammine ed alcooli. Ora la funzione dell’ATP consiste proprio nel rendere
più elettrofilo il carbonile in modo che possa reagire anche con nucleofili deboli quali gli alcooli, o con i gruppi amminici degli amminoacidi
per dare le proteine. Nell’ATP il fosforo è elettrofilo per la presenza del
legame fosforilico P=O. Il doppio legame del fosforile è in risonanza
con la forma polarizzata.
⊕
P = O ←→ P − O
