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I
sistemi viventi sono caratterizzati da un’enorme
varietà reazioni chimiche la maggior parte delle quali è
mediata da una serie di eccezionali CATALIZZATORI
BIOLOGICI :
GLI ENZIMI
L’ENZIMOLOGIA E’
U N A PA R T E D E L L A
BIOCHIMICA CHE
STUDIA GLI ENZIMI
RUOLO
DEGLI
ENZIMI:
catalizzatori
biologici
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Gli enzimi sono catalizzatori biologici
Capaci di aumentare la velocità di una reazione,
anche più di un milione di volte, senza subire
trasformazioni durante l’intero processo.
Per la maggior parte sono proteine la cui attività catalitica
dipende dall’integrità della loro conformazione proteica nativa
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q QUALSIASI molecola che
lega una proteina prende il
nome di LIGANDO
q I ligandi possono essere
piccole molecole o
macromolecole
q Se il ligando muta nel
tempo si chiamerà
SUBSTRATO e PRODOTTO
il risultato del mutamento
TUTTI GLI ENZIMI
CATALASI Fe3+ emoglobina Reazione lenta
2 H2O2 2H2O + O2 Reazione 1.000 volte più veloce se aggiungiamo ione ferrico
Fe3+
Reazione 1.000.000 di volte più veloce in presenza di
emoglobina, proteina contenente ferro
Reazione 1 miliardo di volte più veloce in presenza di
un ENZIMA: CATALASI presente in molte cellule
1) Il catalizzatore sebbene partecipi alla reazione, rimane
INALTERATO durante il processo
2) Il catalizzatore cambia la velocità del processo, ma non
influisce sulla posizione di EQUILIBRIO della reazione
3) Un processo TERMODINAMICAMENTE FAVORITO non
viene reso più favorito dal catalizzatore
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OTTIMIZZANO LA RESA:
a. Svolgono solo le reazioni necessarie
b. Impediscono
reazioni indesiderate (specificità di
substrato)
c. Portano a termine le reazioni in tempi brevi
d. Sono indipendenti dall’ambiente (temperatura,
pressione)
e. Riutilizzano della stessa “macchina” per molte volte
MINIMIZZANO GLI SPRECHI:
a. Non producono sottoprodotti (specificità di reazione)
b. Minimizzano il dispendio energetico
- HANNO CAPACITA’ DI REGOLAZIONE
che risiede nelle loro proprietà strutturali
L’ENZIMA LEGA IL SUBSTRATO IN UNA REGIONE
PROTEICA SPECIFICA
Il potere catalitico di un enzima è dovuto, per
la maggior parte, al legame dei substrati in
un corretto orientamento
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Il sito attivo è una regione della proteina che lega
il substrato e contiene residui aminoacidici che
partecipano alla catalisi
Caratteristiche comuni:
1. Occupa una parte relativamente piccola del volume totale
della molecola enzimatica
2. Entità tridimenzionale formata da gruppi che derivano da
parti diverse della sequenza aminoacidica lineare
3. I substrati si legano all’enzima mediante un certo numero di
attrazioni deboli
4. Sono cavità o fenditure (acqua normalmente esclusa se non
è un reagente, carattere non polare ma può contenere
residui polari)
5. La specificità del legame dipende dalla precisa disposizione
degli atomi in un sito attivo
COME GLI ENZIMI FUNZIONANO DA CATALIZZATORI
Le forze attraverso le quali i substrati e le altre molecole si
legano agli enzimi sono lo stesso tipo di forze che regolano
la conformazione delle proteine
L’enzima lega una o più molecole di SUBSTRATO e forma
un complesso enzima-substrato
COMPLEMENTARIETA’ GEOMETRICA ED
ELETTRONICA
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CARATTERISTICHE GENERALI DEGLI ENZIMI
La prima tappa di una reazione enzimatica è la formazione del complesso
ES che successivamente si converte in enzima libero (E) e prodotto (P),
nel più semplice dei casi il processo avviene in due tappe:
E+S
ES
E+P
Ogni enzima contiene uno o più siti attivi che a loro volta sono composti
da un sito di legame del substrato e da un sito catalitico, in genere
sovrapposti. Il sito di legame è di solito costituito da una tasca o
scanalatura chiralica, dove catene laterali di AA e il gruppo prostetico (se
presente) possono legare inizialmente molecole di substrato mediante
interazioni covalenti (catalisi covalente).
E. Fischer nel 1894 propose il modello chiave-serratura che descrive in
modo adeguato la specificità degli enzimi.
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Un’elaborazione successiva (D. Koshland, 1958) consentì di aumentare le conoscenze sui meccanismi catalitici: il modello ad adattamento indotto. L’adattamento indotto implica distorsioni a carico sia dell’enzima che del
substrato. Queste possono essere localizzate o comportare una grossa
variazione conformazionale dell’enzima come nel caso dell’esochinasi.
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ENZIMA DIIIDOFOLATO
REDUTTASI assieme al
suo substrato NADP+
Tasca dell’enzima
complementare al substrato
Processo detto di
La complementarietà proteina
ligando è di rado così perfetta.
Le interazioni tra una proteina e un
ligando sono più spesso
accompagnate da modificazioni
conformazionali di una o di
entrambe le molecole.
adattamento indotto
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Anche i siti di legame del substrato subiscono cambiamenti
conformazionali
Variazione
conformazionale
indotta
nell’esochinasi
da parte del
glucosio
Gli enzimi non si limitano a posizionare e distorcere
i loro substrati ma mediante specifici residui
aminoacidici partecipano all’evento catalitico
Quando il processo è
completato l’enzima
rilascia il PRODOTTO(i) e
ritorna al suo stato
originale, pronto per un
altro CICLO CATALITICO
Oltre al substrato molti
enzimi legano altre
molecole necessarie per
lo svolgimento della loro
attività catalitica
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Gran parte degli
enzimi è costituita da
una parte proteica ed
una non proteica Come per l’emoglobina e la miosina, che riescono a svolgere la loro capacità di legare ossigeno solo se contengono il gruppo EME, alcuni enzimi riescono a svolgere la loro attività
catalitica, grazie a questi gruppi FUNZIONALI
Gran parte degli enzimi è costituita da una parte proteica
inattiva ed una non proteica che ne determina l’attività
APOENZIMA + COFATTORE = OLOENZIMA
COFATTORE
parte essenziale del sito attivo a cui si legano
IONI ESSENZIALI
COENZIMI
Molecole organiche
complesse
ATTIVATORI
COSUBSTRATI
legati debolmente Legati debolmente GRUPPI PROSTETICI Legati fortemente
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I cosubstrati come i substrati sono parte essenziale del sito
attivo
Si trasformano durante la reazione e si dissociano dal
sito attivo alla fine della reazione. Sono riconvertiti poi
nella forma iniziale attraverso altre reazioni enzimatiche.
GRUPPI METABOLICI PENDOLARI
ATP + glucosio
ADP + glucosio-fosfato
L’ADP viene rifosforilato ad ATP in altre reazioni Il glucosio-­‐fosfato viene ulteriormente trasformato è permanentemente legato all’apoenzima
Ed affinché l’oloenzima continui ad essere cataliticamente
attivo il gruppo prostetico deve essere rigenerato nella
sua forma iniziale, così come un qualsiasi residuo del sito
attivo che partecipi alla catalisi
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INSOLUBILI
SOLUBILI
Tiamina (B1) Riboflavina (B2) Niacina (B3) Acido
Pantotenico (B5)
Piridoxina (B6)
Biotina
Cobalamina (B12) AcidooFolico oo AcidoAscorbico o$
Vitamin A Vitamin D Vitamin E Vitamin K Le VITAMINE che
vengono assunte
con l’alimentazione
sono composti
organici essenziali
ai processi biologici
degli organismi
superiori che non
possono sintetizzarli
Molte vitamine sono precursori di
COFATTORI (vitamine idrosolubili)
altre pur giocando un ruolo
fisiologico essenziale non lo sono
(vitamine liposolubili).
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Conosciuta anche come Vit.B1 È rapidamente convertita nella sua forma biologicamente attiva tiamina pirofosfato 1,0-­‐1.5 mg/giorno beriberi nell’individuo adulto Tiamina pirofosfatasi METALLOENZIMI
Molti enzimi contengono ioni metallici,
solitamente legati con legame di coordinazione a catene laterali
aminoacidiche e talvolta legati a gruppi prostetici
I metalli funzionano come i
coenzimi, facendo assumere ai
metalloenzimi proprietà
catalitiche che non potrebbe
possedere in loro assenza.
In molte reazioni enzimatiche certi ioni sono necessari per
l’EFFICIENZA CATALITICA.
Molti enzimi che accoppiano l’IDROLISI dell’ ATP ad altri
processi biochimici richiedono Mg2+ per funzionare in modo
efficiente.
Il complesso Mg-ATP è substrato migliore dell’ATP da solo
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L’atomo di zinco
serve da
catalizzatore
metallico per
promuovere
l’idrolisi. Il
legame scisso è
indicato da un
piccolo cuneo
rosso
IN ALTRI CASI IL METALLO PRESENTE NELL’ENZIMA
SERVE DA AGENTE OSSIDO-RIDUTTIVO
NOMENCLATURA DEGLI ENZIMI
Quasi tutti gli enzimi sono nominati aggiungendo il suffisso –asi al
nome del substrato od ad una frase che specifica la reazione catalitica
dell’enzima
UREASI ALCOL DEIDROGENASI catalizza l’idrolisi dell’urea catalizza l’ossidazione degli alcoli alle loro corrispondenti aldeidi L’esistenza di un enorme numero di enzimi ha portato la
Commissione degli Enzimi dell’Unione Internazionale di
Biochimica ad elaborare di un sistema razionale di
nomenclatura
International Union of Biochemistry and Molecular Biology (IUMB) 1)
OSSIDOREDUTTASI ossidoriduzione
2)
TRANSFERASI
trasferimento di gruppi funzionali
3)
IDROLASI
idrolisi
4)
LIASI
rimozione o aggiunta di un gruppo
al doppio legame o altre scissioni
5)
ISOMERASI
riarrangiamenti intramolecolari
6)
LIGASI
fusione di due molecole
Gli enzimi
sono
suddivisi in
6 classi
principali
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Classificazione degli Enzimi
http://www.expasy.org/enzyme
Nome raccomandato
e nome sistematico.
Numero di
Classificazione:
Numero a quattro
cifre preceduto da EC
(Enzyme
Commission: la
prima cifra indica la
classe, la seconda la
sotto-classe, la terza
la sotto-sotto-classe,
la quarta il numero
seriale).
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Ad ogni enzima sono associati 4 NUMERI
EC 6.4.1.1. Numero di serie
Classe
Sottoclasse
Sotto-sottoclasse
PEPTIDIL-L-AMMINOACIDO-IDROLASI
E.C.3.4.17.1
CARBOSSIPEPTIDASI A
Enzyme
commition
Glucosio-6-P
Glucosio-­‐6-­‐fosfatasi glucosio + Pi
Estremità non riducente 16
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Rottura di un legame covalente mediato
dall’ACQUA
Rottura di un legame covalente mediato dal
FOSFATO
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