Energia, enzimi e metabolismo rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. Antoine Lavoisier 1743 – 1794 BIOENERGETICA E ENZIMI Capitolo 6: Energia, enzimi e metabolismo

H = G + TS DG = DH - TDS H = entalpia: energia totale. G = energia libera di Gibbs: energia utilizzabile per compiere un lavoro S = entropia: disordine del sistema H = G + TS Ad una trasformazione chimica è associata una variazione di energia libera (DG) misurabile : DG = DH - TDS In Biochimica, DG’0 indica la variazione in condizioni standard: - 298 °K (25 °C) - 1 atm. - pH=7 - [ ] =1 M

DG < 0 DG > 0

Relazione tra DG e equilibrio di una reazione K’eq= [prodotti] / [substrati] A B K’eq= [B] / [A] DG’0 = - R T lnK’eq R = Costante dei gas = 8, 315 J/(mol * K) T = 298 K

Glucosio 1P Glucosio 6P K’eq= [Glucosio 6P] / [Glucosio 1P] = 19 mM / 1 mM = 19 DG’0 = - R T lnK’eq = - (8,315 J/(mole K)) (298 K) ln 19 = - 7,3 kJ/mole

Trasformazioni di forme diverse di energia

Adenosintrifosfato (ATP) Moneta energetica della cellula

Energia di attivazione La variazione di DG dà informazioni sull’equilibrio tra reagenti e prodotti, ma non da informazioni sul tempo richiesto per la reazione una reazione con DG negativo potrebbe richiedere secondi o milioni di anni per avvenire. Il tempo dipende dalla livello energetico dello stato di transizione che deve essere raggiunto per permettere lo svolgimento della reazione.

ENZIMI Catalizzatori biologici (quasi) tutti gli enzimi sono proteine Sono altamente specifici Permettono lo svolgersi di reazioni in condizioni fisiologiche Agiscono abbassando l’energia di attivazione

Abbassamento dell’energia di attivazione nella catalisi enzimatica

Meccanismi per l’abbassamento dell’enegia di attivazione Orientamento dei substrati Destabilizzazione del substrato Modificazioni chimiche

Specificità e complesso enzima-substrato L’enzima è altamente specifico per un certo substrato. La formazione del complesso enzima-substrato permette di abbassare l’energia di attivazione di una reazione. L’enzima rimane inalterato alla fine della reazione S + E → ES → P + E

Effetto della concentrazione del substrato S + E → ES → P + E Le reazioni enzimatiche hanno una caratteristica dipendenza a iperbole della velocità in base alla concentrazione di substrato. Ciò accade perché ad una data concentrazione l’enzima è completamente saturato dal substrato e un ulteriore aggiunta di enzima non provoca aumenti nella velocità.

Cinetica di Michaelis-Menten KM = Concentrazione di substrato alla quale si ha metà della Vmax

Nomenclatura degli enzimi Nomi degli enzimi sono basati su: - reagenti / prodotti - tipo di reazione - si aggiunge il suffisso “-asi” Esempi: Peptidasi idrolizza i legami peptidici Piruvato decarbossilasi rimuove un gruppo carbossilico dal piruvato

Classificazione ufficiale degli enzimi Ossidoreduttasi – reazioni redox Transferasi – trasferimento di gruppi Idrolasi – reazioni di idrolisi Liasi – traserimento di gruppi su doppi legami Isomerasi – reazioni di isomerizzazione Ligasi – formazione di legami con uso di ATP Ad ogni enzima viene assegnato un numero a 4 cifre dalla Enzyme Commission

Gli enzimi possono utilizzare - cofattori (metalli) - coenzimi (molecole complesse)

Effetto della temperatura sull’attività dell’enzima

Effetto del pH sull’attività dell’enzima Pepsina = stomaco (pH 2) Amilasi = saliva (pH neutro)

Proteasi del virus dell’HIV con molecola di inibitore

Gli inibitori sono competitivi (si legano allo stesso sito del substrato) o non competitivi (si legano ad un sito diverso). Gli inibitori competitivi impediscono il legame del substrato legandosi al sito attivo. Gli inibitori non competitivi si legano ad un altrosito (chiamato allosterico) cambiando la conformazione dell’enzima e diminuendo l’affinità per il substrato.