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ENERGIA ED ENZIMI 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 CINETICAPOTENZIALE 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) Solubilizzazione UREA --> ASSORBE CALORE

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 > BΔG < 0 A-->B spontanea se A 0 B --> A X

Energia ed Enzimi ENERGIA LIBERA DI GIBBS = G ΔG > 0 La reazione deve essere accoppiata ad un donatore di ENERGIA (reazione con ΔG < 0) X A-->B non spontanea(ΔG)1 > 0 C-->D spontanea(ΔG)2 < 0 A+C --> B+D spontanea(ΔG)2>(ΔG)1 (ΔG)2-(ΔG)1 < 0 Reazione finale

Energia ed Enzimi Per far avvenire una reazione ENERGETICAMENTE SFAVORITA (reazione con ΔG > 0) Si accoppia ad una reazione SPONTANEA A + B C D + E F Richiesta di ENERGIA Rilascio di ENERGIA ENERGIA donata per spingere la reazione sfavorita ENERGIA donata per spingere la reazione sfavorita

Energia ed Enzimi Reazione risultante: 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 A + B + D + E C + F se ENERGIA (A/B/C/D) > (C/E)

Energia ed Enzimi Per spingere le reazioni sfavorite si utilizza l’Idrolisi dell’ ATP

Energia ed Enzimi Es: Spinta da: Acido Glutammico +NH3 Glutammina + H2O ΔG° cal/mole (ΔG > 0 non spontanea) ATP + H2O ADP + Pi ΔG° cal/mole = cal/mole (ΔG < 0 Favorita !!!!!)

Energia ed Enzimi REAZIONI REVERSIBILI INIZIO : solo reagenti --> ENTROPIA BASSA FINE : solo prodotti --> ENTROPIA BASSA INTERMEDIO reagenti + prodotti ENTROPIA MASSIMA !! SI RAGGIUNGE = EQUILIBRIO REAGENTI PRODOTTI

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° = cal/mole SPONTANEA MA NON AVVIENE !! S --> SP* --> P INTERMEDIO DI TRANSIZIONE SERVE UN ENZIMA

Energia ed Enzimi ENERGIA DI ATTIVAZIONE S --> P ΔG° = cal/mole SPONTANEA MA NON AVVIENE !! ENERGIA DI ATTIVAZIONE è necessaria per consentire la transizione da S a P

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 L’interazione tra ENZIMA e SUBSTRATO Segue la CINETICA ENZIMATICA dipende da: - affinita’ del substrato x l’enzima - affinita’ del prodotto x l’enzima

Energia ed Enzimi CURVA DI SATURAZIONE SCATCHARD PLOT Vmax = velocità massima di reazione Km = costante di Michaelis-Menten

Energia ed Enzimi CURVA DI SATURAZIONE SCATCHARD PLOT Vmax --> CAPACITA’ di CONVERSIONE Km --> AFFINITA’ ENZIMATICA

Energia ed Enzimi FATTORI CHE INFLUENZANO L’ATTIVITA’ ENZIMATICA - concentrazione di substrato - concentrazione di prodotto - temperatura - pH - ……………..

Energia ed Enzimi MODELLI DI CATALISI ENZIMATICA -Modello a chiave/serratura - Adattamento indotto

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 Competizione per il sito attivo

Energia ed Enzimi Competizione per il sito attivo Inibizione Competitiva Inibitore competitivo substrato Sito attivo Inibizione non competitiva ALLOSTERICA Inibitore non competitivo substrato Sito attivo

Energia ed Enzimi REGOLAZIONE DELLA ATTIVITA’ ENZIMATICA - Competizione per il sito attivo - Regolazione allosterica - Fosforilazione e processi correlati

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 -PO 4 3-

Fosforilazione<-- PROTEINE CHINASI Defosforilazione<-- 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) Fosforilazione / Defosforilazione OH P 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) Fosforilazione / Defosforilazione OH P SITO ATTIVO FUNZIONANTE fosforilazione defosforilazione

CASCATA ENZIMATICA OH P STIMOLO 1 FOSFORILAZIONE OH P FOSFORILAZIONE 10 enzimi attivi 10x10=100 enzimi attivi OH P FOSFORILAZIONE 100x10=1.000 enzimi attivi RISPOSTA BIOLOGICA AMPLIFICATA AMPLIFICAZIONE DEL SEGNALE

PROTEINE ASSOCIATE AL GTP PROTEINE G (O G-Proteins) GTP = guanosin trifosfato GDP = guanosin difosfato Alcune proteine possiedono un sito di legame per il GTP / GDP Pi = fosfato GTP ATTIVO Pi GDP INATTIVO GTP ATTIVO GDP GTP scambio

PROTEINE ASSOCIATE AL GTP PROTEINE G (O G-Proteins) GTP --> IDROLIZZATO A GDP GDP --> SCAMBIATO CON GTP INATTIVAZIONE ATTIVAZIONE

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 + NADH NAD-P NADP + NADPH FADH FADH2 NADH e FADH2 sono DONATORI/ACCETTORI di elettroni nelle reazioni di ossido-riduzione, da SUBSTRATO RIDOTTO PRODOTTO OSSIDATO e viceversa H + +2e - H + +2e - H + +2e -