Gli enzimi In alcune reazioni chimiche il contenuto energetico dei prodotti della reazione è complessivamente maggiore di quello dei reagenti. Perché avvenga la reazione è necessario fornire energia Queste reazioni si chiamano endoergoniche In in altre reazioni chimiche il contenuto energetico dei prodotti della reazione è minore di quello dei reagenti. Quando la reazione chimica avviene si ha liberazione di energia Queste reazioni si chiamano esoergoniche Non è detto che perché una reazione è esoergonica essa debba obbligatoriamente avvenire Ad esempio la reazione che ha luogo durante la combustione di un fiammifero è fortemente esoergonica ma perché avvenga occorre inizialmente aggiungere energia per superare una barriera di attivazione (sfregando la capocchia si produce calore)

Reagenti Prodotti Energia di attivazione Energia potenziale Nelle reazione esoergoniche il livello energetico dei reagenti è superiore a quello dei prodotti della reazione. Tuttavia se vi è una energia di attivazione da superare abbastanza grande, può accadere che solo poche molecole in ogni istante posseggano sufficiente energia per superarla Aumentando la temperatura e l’agitazione molecolare un numero sempre maggiore di molecole riesce a superare l’energia di attivazione facendo decorrere interamente una reazione nella direzione del minor contenuto energetico Tuttavia questo innalzamento della temperatura potrebbe essere incompatibile con la vita di una cellula

Energia potenziale Energia di attivazione Particolari sostanze chiamate catalizzatori sono ingrado di favorire le reazioni esoergoniche abbassando l’energia di attivazione e aumentando la velocità della reazione (pur senza partecipare) Gli enzimi sono molecole proteiche che fungono da catalizzatori chimici. Essi sono dei catalizzatori biologici

Gli enzimi aumentano la velocità delle reazioni chimiche abbassando l’energia di attivazione Grazie agli enzimi possono avvenire, a temperatura compatibili con la vita, reazioni che altrimenti avverrebbero solo ad alte temperature Grazie agli enzimi possono avvenire negli esseri viventi reazioni che altrimenti avverrebbero con grande emissione di energia Grazie agli enzimi possono avvenire anche reazioni endoergoniche mediante l’accoppiamento di queste con reazioni esoergoniche Esistono migliaia di diversi tipi di enzimi ognuno specifico per una data reazione chimica Il nome della maggior parte degli enzimi è caratterizzato dalla presenza del suffisso –asi (es. DNA-polimerasi)

Reazioni esoergoniche L’enzima agisce essenzialmente abbassando l’energia di attivazione della reazione L’enzima agisce formando uno specifico complesso enzima substrato. Esso possiede un sito attivo nel quale solo quel particolare substrato si adatta 1) Orienta correttamente nello spazio le molecole che devono reagire 2) Forma molteplici legami deboli con il substrato modificando la configurazione elettrica e la forza dei legami nel substrato

Reazioni endoergoniche Gli enzimi permettono inoltre che avvengano reazioni endoergoniche mediante l’accoppiamento con reazioni che liberano energia Nelle reazioni endoergoniche catalizzate da enzimi quasi sempre entra in gioco la molecola dell’ATP (adenosintrifosfato) una molecola con tre atomi di fosforo che all’occorrenza ne può perdere uno liberando energia

Nell’idrolisi da ATP (tre gruppi fosfato) ad ADP (due gruppi fosfato) si ha liberazione di una grande quantità di energia che era contenuta nel legame fosforico. Questa energia può essere usata per far decorrere una reazione endoergonica Nei mitocondri Ovunque nella cellula La stessa molecola può essere riusata moltissime volte. L’ADP infatti viene riconvertito in ATP utilizzando specifiche reazioni esoergoniche in particolare quelle connesse con la respirazione (nei mitocondri)

In altre parole l’enegia contenuta nei cibi che mangiamo viene utilizzata per produrre ATP (tramite la respirazione nei mitocondri). L’ATP in seguito viene utilizzato quale molecola di scambio per tutti i processi della cellula che richiedono energia. Metabolismo -Reazioni chimiche endoergoniche Movimento (es muscolo, movimento ciliare) Pompe di membrana (per mantenere la concentrazione di soluti) Mantenimento della temperatura corporea

In altri casi l’enzima possiede due siti attivi e catalizza due reazioni enzimatiche una endoergonica e una esoergonica la quale serve sostanzialmente a fornire energia alla prima reazione Endoergonica Energia Esoergonica

Vie metaboliche Il metabolismo è organizzato in vie metaboliche Z X Enzima A Enzima B Enzima C Z Enzima E Enzima D Le vie metaboliche possono biforcarsi Se è presente solo l’enzima B allora si produrra la molecola X. Se è presente l’enzima D si produrrà la molecola Z. Se sono presenti entrambi ci saranno entrambi i prodotti finali in proporzione alla presenza dei diversi enzimi

Saturazione dell’enzima Cinetica enzimatica La velocità di una reazione catalizzata da un enzima cresce con la concentrazione del substrato Ciò è dovuto essenzialmente al fatto che tanto più concentrato è il substrato tanto più spesso una molecola di questo entra nel sito attivo Concentrazione del substrato velocità In seguito continuando ad aggiungere substrato si ottiene solo un modesto incremento Saturazione dell’enzima All’inizio la velocità della reazione aumenta rapidamente con la concentrazione del substrato. Si arriva infine ad un punto un cui continuando ad aggiungere substrato non si ottiene più alcun aumento della velocità della reazione

Date queste caratteristiche della cinetica enzimatica, quando il substrato è presente in eccesso saranno la concentrazione dell’enzima e la sua affinità con il substrato (in molti enzimi questa può essere variata) a determinare il decorrere di una data reazione

Regolazione della funzione enzimatica L’azione degli enzimi è regolata da una gran quantità i fattori legati ai bisogni della cellula e alla disponibilità dei composti. Ci sono essenzialmente due modi per regolare l’attività di una determinata via metabolica 1) Si può controllare la produzione di un dato enzima aumentandola o diminuendola tramite un’azione sui meccanismi di regolazione del gene 1) Si può agire direttamente sulla funzionalità di un dato enzima agendo su uno dei suoi siti attivi

Si supponga ad esempio che ci sia un accumulo nella cellula della sostanza X La sostanza X (o un suo metabolita) possono agire: 1) inibendo l’attività dell’enzima B 2) inibendo la sintesi dell’enzima B 3) aumentando la sintesi dell’enzima D -- DNA -- X Enzima A Enzima B Enzima C + Z Enzima E Enzima D DNA

Inibizione della attività di un enzima Come può fare la sostanza X ad inibire un enzima che si trova a monte del processo metabolico che la produce? Ci sono essenzial-mente due modi: Inibizione competitiva Inibizione non competitiva L’inibitore competitivo occupa lo stesso sito attivo che normalmente occupa il substrato in tal modo impedendo al substrato stesso di accedervi. Normalmente gli inibitori competitivi sono chimicamente affini al substrato (ma non sempre) Enzima Inibitore competitivo Substrato

Inibitore non competitivo L’inibitore non competitivo occupa un altro sito, chiamato sito allosterico Quando il competitore si attacca al sito allosterico l’enzima modifica la sua forma o la distribuzione delle sue cariche in modo tale che il substrato non si combina più con il sito attivo Enzima Substrato Sito allosterico Enzima Inibitore non competitivo Substrato

Molte tossine e veleni sono inibitori enzimatici (sia competitivi che non) Gli inibitori naturali (il cui scopo è regolare il metabolismo) si legano reversibilmente ai siti dell’enzima. Al contrario veleni e tossine spesso si legano irreversibilmente bloccando ogni ulteriore attività enzimatica

Isozimi Gli isozimi o isoenzimi sono forme leggermente diverse dello stesso enzima (possono avere uno o più aminoacidi di differenza) Uno dei vantaggi degli eterozigoti * è la presenza di isozimi Si supponga ad esempio che l’enzima A1 funzioni in modo ottimale a 20 gradi di temperatura mentre la forma A2 lavori meglio a 30 gradi Gli individui che possiedono A1 saranno favoriti a 20 gradi mentre quelli che hanno A2 saranno favoriti a 30 gradi Gli individui hanno una mistura di A1 e A2 potranno vivere in un ambito di temperature più ampio * Ogni individuo possiede due copie dello stesso gene che possono essere identiche (omozigoti) o diverse tra loro (eterozigoti) vedi Genetica

Respirazione cellulare Cellulosa + Ossigeno Acqua + Anidride carbonica Combustione Glucosio + Ossigeno Respirazione cellulare ENERGIA (calore) ENERGIA (ATP) Le cellule ottengono energia dalla reazione del glucosio con l’ossigeno attraverso molti passaggi metabolici che avvengono nei mitocondri C6H12O2 + 6 O2 6 H2O + 6 CO2 32 molecole di ATP

Energia solare C6H12O2 + 6O2 6H2O + 6CO2 C6H12O2 + 6O2 6H2O + 6CO2 Respirazione di animali e piante C6H12O2 + 6O2 6H2O + 6CO2 ATP per i processi cellulari C6H12O2 + 6O2 6H2O + 6CO2 Energia solare Fotosintesi clorofilliana