.... e dintorni
1
Gli enzimi accelerano le reazioni
anche di un milione di volte.
Se non ci fossero gli enzimi la
maggior parte delle reazioni dei sistemi
biologici procederebbe a velocità
bassissime.
Nel caso in cui le reazioni
esoergoniche si attivassero
procederebbero in un unico passaggio
rendendo difficile usare l'energia
liberata.
2
ENZIMI
Catalizzatori prodotti da cellule viventi ma
capaci di agire indipendentemente da esse
come tutti i catalizzatori agiscono anche a
piccole concentrazioni
al termine della reazione si ritrovano
inalterati in quanto partecipano alla reazione
senza venirne modificati
Catalizzano tutti i processi di degradazione,
sintesi, trasformazione e conservazione
dell’energia nei viventi
Sono PROTEINE spesso associate ad un
metallo o a una molecola organica
3
Anche le reazioni di sintesi e di
degradazione delle proteine richiedono la
presenza di enzimi
4
• Le reazioni chimiche consentono di immagazzinare o di
liberare energia
• Le reazioni esoergoniche liberano energia e danno
origine a prodotti che contengono meno energia potenziale
dei loro reagenti.
Energia potenziale
delle molecole
Reagenti
Quantità
di energia
liberata
Energia liberata
Prodotti
5
• Le reazioni endoergoniche assorbono energia e
danno origine a prodotti ricchi in energia potenziale
(con un livello di energia chimica superiore a quella
delle sostanze di partenza).
Energia potenziale
delle molecole
Prodotti
Energia assorbita
Quantità
di energia
assorbita
Reagenti
6
ΔE (energia rilasciata o assorbita durante la
reazione )
•
dipende dal confronto fra livello energetico dei reagenti e
dei prodotti
•
non fornisce informazioni sulla velocità di reazione: ci dice
solo se la reazione è esoergonica o endoergonica
•
Gli enzimi aumentano la velocità ma non influenzano la
posizione dell’equilibrio di reazione: la resa di una reazione
non aumenta
•
se una reazione richiede apporto di energia l'enzima non
può farla avvenire senza che questa venga fornita
7
Gli enzimi abbassano l’energia di attivazione
• Gli enzimi accelerano le reazioni chimiche della
cellula abbassando l'energia richiesta per iniziare
la reazione
• Perchè una reazione chimica inizi, infatti, i reagenti
devono assorbire una quantità di energia chiamata
energia di attivazione (EA).
Enzima
Barriera EA
Reagenti
Contenitore 1
Prodotti
Contenitore 2
8
La formazione del complesso enzimasubstrato è la prima tappa nella catalisi
enzimatica
• Il potere catalitico degli enzimi deriva dalla
loro capacità di avvicinare i substrati (=
sostanze coinvolte nelle reazioni come
reagenti e che si legano all'enzima in modo
specifico)
• Gli enzimi formano il complesso enzimasubstrato (ES**) quando il substrato si lega a
una specifica regione detta sito attivo
per questa fase è necessaria energia ma in
quantità minore di quando non è presente
l'enzima
9
Complesso enzima-substrato
enzima
substrato
Complesso
enzimasubstrato
Enzima
&
prodotti
10
Gli enzimi abbassano l’energia di attivazione
• I substrati normalmente
necessitano di una notevole
quantità di energia (picco
rosso) per giungere allo stato
di transizione, e reagire per
formare il prodotto.
L'enzima crea un
microambiente nel quale i
substrati possono
raggiungere lo stato di
transizione E-S**(picco blu)
più basso, riducendo così la
quantità d'energia richiesta.
Essendo più facile arrivare a uno
stato energetico minore la
reazione può avere luogo più
frequentemente e la velocità di
reazione sarà maggiore.
Diagramma di una reazione
catalitica che mostra l'energia
richiesta a vari stadi lungo l'asse
del tempo (coordinate di reazione).
11
alcune domande
Gli enzimi rendono spontanea o
esoergonica una reazione che non lo è?
se una reazione è esoergonica ma ha
un'elevata energia di attivazione come
procede senza enzimi?
Gli enzimi aumentano la resa di una
reazione che arriva ad un equilibrio?
12
Enzima e Substrato
• Termini:
– Substrato : il reagente
che si lega al sito attivo di
un enzima
substrato
Sito
attivo
• Sito attivo: la parte di enzima a cui si lega il
substrato ed in cui avvengono le reazioni
• il sito attivo è altamente specifico per un
solo tipo di substrato
13
sito attivo
substrati
complesso ES**
14
sito attivo
• Il sito attivo di un enzima è la regione a
cui si lega il substrato
• E’ costituito da una tasca o fenditura
tridimensionale
• Il sito attivo occupa una parte
relativamente piccola del volume totale
della proteina
15
Modello dell’ adattamento indotto
Enzima e substrato si modificano a vicenda.
Si ritiene che la struttura
del sito attivo non sia rigida
ma flessibile, e presenti una
conformazione capace di
adattarsi alla forma del
substrato
Come risultato, il substrato non si lega semplicemente ad un sito
attivo rigido, ma genera un rimodellamento del sito stesso, che lo
porta ad un legame più stabile in modo da portare correttamente a
termine la sua attività catalitica.
16
Modello dell’ adattamento indotto
L'enzima esochinasi
è un buon esempio
del modello ad
adattamento indotto:
quando il glucosio si
avvicina al sito attivo
l'enzima cambia
conformazione,
avvolgendosi attorno
al substrato
17
MODELLO DI
ADATTAMENTO INDOTTO
• l'enzima e i substrati si riconoscono in
modo specifico
• quando interagiscono il sito attivo si
adatta modificando la configurazione
del sito attivo
• la reazione viene catalizzata e si forma
il prodotto
18
Gli enzimi sono
altamente specifici sia
nei riguardi della
reazione catalizzata sia
nei riguardi dei substrati
19
• Esempio di reazione catalizzata da un
enzima
1 Enzima disponibile
con il sito attivo
vuoto
Sito attivo
Glucosio
Enzima
(saccarasi)
Substrato
(saccarosio)
Il substrato
2 si lega all’enzima
che subisce
un adattamento indotto
Fruttosio
H2O
4 I prodotti
vengono liberati
3 Il substrato
si scinde
nei prodotti
20
l'ambiente cellulare modifica
l'attività dell'enzima
•cofattori
•concentrazione dell'enzima e del
substrato
•temperatura
•pH
•presenza di inibitori
21
L’attività catalitica di molti
enzimi dipende dalla
presenza di piccole molecole,
chiamate cofattori.
22
•
•
Gli Enzimi possono richiedere
cofattori per funzionare. I cofattori
sono di due tipi:
ioni metallici (Fe, Mg, Mn, Zn, Mo etc.)
molecole organiche (= coenzimi)
La proteina enzimatica senza il suo
cofattore chiamata apoenzima,
mentre la sua forma completa e
cataliticamente attiva detta
oloenzima.
23
ESEMPI DI COENZIMI
- ATP ⇒ coenzima + comune, partecipa in tutte le
reazioni che prevedono scambio di energia. Durante
la reazione si verifica in contemporanea
ATP<=>ADP+Pi
- NAD+ e NADP+ ⇒ coenzimi associati a enzimi
deidrogenasi che catalizzano il trasferimento di Htrasformandosi in NADH e NADPH
[partecipano alla reazione, vengono modificati dalla
reazione]
- Altri coenzimi sono: Biotina, Acido Lipoico,
vitamine A, D, E e K.
24
definire:
•
•
•
•
•
•
•
cofattore
coenzima
oloenzima
apoenzima
sito attivo
substrato
energia di attivazione
25
EFFETTO DELLA CONCENTRAZIONE
DELL'ENZIMA
[E]
26
completa
• la velocità di una reazione catalizzata da
un enzima è
...............................................................
proporzionale alla
..............................................................
dell'enzima
27
Grafico di Michaelis-Menten
descrive come aumenta la
velocità di reazione
all'aumentare della
concentrazione di
substrato
28
EFFETTO DELLA CONCENTRAZIONE DEL
SUBSTRATO [S]
29
domande:
• quando tutte le molecole di enzima sono
saturate con il substrato,
aumentare la concentrazione del substrato
può aumentare ancora la velocità di
rezione?
• da quali caratteristiche della curva del
grafico ricavi informazioni per rispondere?
30
CATALISI
⇓
dipende dalla conformazione di una tasca
detta SITO ATTIVO.
E’ fondamentale la conformazione nativa
della proteina per la sua funzione catalitica.
DENATURAZIONE ⇒ MODIFICA
STRUTTURA NATIVA ⇒
DISATTIVAZIONE DELL’ENZIMA
31
Temperatura
E2
E3
E1
32
RISPONDI ALLE SEGUENTI
DOMANDE
• per quale motivo la temperatura può
condizionare l'attività degli enzimi?
• gli enzimi E1,E2,E3 hanno la stessa
temperatura ottimale?
• secondo te svolgono la loro catalisi
abituale alle stesse temperature?
• quale di questi enzimi potrebbe
appartenere a batteri che vivono in
vicinanza di sorgenti termali calde?
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stomaco
pH
intestino tenue
pepsina
Chimotripsina
Gli enzimi lavorano
meglio a pH
fisiologico. In
genere valori estremi
di pH denaturano la
proteina.
GLI ENZIMI SONO
BEN ADATTATI AL
pH DEGLI
AMBIENTI NEI
QUALI LAVORANO:
La pepsina (stomaco)
e la chimotripsina
(intestino tenue)
hanno differenti
34
valori di pH ottimale.
domanda:
• perchè il pH può condizionare l'attività
degli enzimi?
• se io assumo alimenti o bevande che
aumentano il pH dello stomaco, la
digestione degli alimenti proteici ne viene
condizionata?
• se negli alimenti di cui mi nutro sono
presenti enzimi è probabile che vengano
inattivati nello stomaco? perchè?
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INIBIZIONE ENZIMATICA
gli enzimi possono essere inibiti da
Inibitori (I) =sostanze che
diminuiscono le velocità di reazione
L’inibitore possono legarsi all’enzima
mediante legami DEBOLI o legami
COVALENTI che risultano rispettivamente
Irreversibili
Reversibili
Inibitori enzimatici
(sono piccole molecole o ioni)
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a cosa serve l'inibizione?
• nelle cellule e negli organismi l'inibizione
serve a regolare la velocità delle reazioni
catalizzate dagli enzimi a seconda delle
necessità
• l'inibitore può essere il prodotto della
reazione stessa
• alcuni enzimi vengono prodotti in forma
inattiva come gli enzimi digestivi per
evitare che danneggino i tessuti
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IL PRINCIPIO DELL'INIBIZIONE E' USATO
ANCHE A NOSTRO VANTAGGIO
Alcuni INIBITORI reversibili sono farmaci
molto utili.
La sulfanilammide è un ANTIBIOTICO che
inibisce l'enzima che catalizza la sintesi di
acido folico, fondamentale per i batteri.
I FARMACI chiamati statine inibiscono la
sintesi del colesterolo agendo su un enzima
che serve per la sua sintesi
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Alcuni inibitori irreversibili
sono farmaci importanti.
La penicillina agisce modificando
covalentemente un enzima coinvolto nella
sintesi della parete batterica che viene
bloccata facendo morire i batteri
L’aspirina agisce modificando
covalentemente l’enzima cicloossigenasi
riducendo la sintesi dei segnali infiammatori e 39
il dolore
INIBIZIONE E METALLI
PESANTI*
i metalli pesanti si legano covalentemente agli
enzimi inibendoli risultando tossici
metalli pesanti maggiormente presenti nell'ambiente sono : il
piombo, il mercurio, il cadmio,il cromo
Piombo - Frutta, verdura, carni, cereali, vino, sigarette ne
contengono. Causa danni al cervello, disfunzioni alla nascita, danni
ai reni, difficolta' di apprendimento, distruzione del sistema nervoso
Mercurio - Distruzione del sistema nervoso, danni al cervello.
Cadmio - Diarrea, dolori di stomaco, vomito, fratture ossee, danni
immunitari, disordini psicologici
con numero atomico superiore di quello del
ferro (55) e con una densita' molto elevata]
[*sono definiti metalli pesanti quelli
40
specificità
substrati
complementarietà strutturale:
SITO ATTIVO/SUBSTRATO
riconoscimento
e
ADATTAMENTO
INDOTTO
reazione
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GLI ENZIMI REGOLATORI: regolano attività di altri
enzimi
MODULANO l’attività
VARIANO LE MOLECOLE
regolazione
sono come direttori d'orchestra
che regolano le reazioni
stimolandone alcune o
bloccandone altre
42
