Introduzione agli enzimi (un po’ di storia…)

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1 Introduzione agli enzimi (un po’ di storia…)
fermentazione dello zucchero in alcol è catalizzata da “fermenti” li chiama enzimi e postula che siano inseparabili dalla struttura della cellula vivente 1850: Pasteur gli enzimi coinvolti nella fermentazione possono funzionare anche una volta rimossi dalla struttura della cellula vivente 1897: Buchner 1926: Sumner isola e cristallizza l’enzima ureasi postula che gli enzimi siano proteine fine anni ’30: Northrop verifica che gli enzimi sono proteine Haldane scrive un trattato intitolato “Enzimi” seconda metà XX sec: sono stati purificati migliaia di enzimi e di centinaia di essi è stata determinata la struttura e il meccanismo chimico

2 caratteristiche enzimi
sono proteine che svolgono un’attività catalitica nei sistemi biologici sistema di nomenclatura e di classificazione basato sul tipo di reazione catalizzata e sul nome di ciascun enzima (IUB, 1961) ogni cellula contiene alcune migliaia di enzimi diversi e tutti sono necessari per il suo normale funzionamento OSSIDOREDUTTASI TRANSFERASI IDROLASI LIASI ISOMERASI LIGASI sistema gerarchico, in cui gli enzimi sono divisi in 6 classi principali a volte è utile classificare un enzima così: molecola proteica + molecola non proteica enzima biologicamente attivo (APOENZIMA) (GR. PROSTETICO) (OLOENZIMA) cofattore coenzima

3 enzimi: catalizzatori biologici
alla fine della reazione, le proteine enzimatiche devono conservare la loro struttura immodificata e pronta per riprendere l’attività catalitica devono essere efficaci in piccole quantità non devono influenzare l’equilibrio di una reazione chimica reversibile: la costante di equilibrio è una costante termodinamica caratteristica della reazione 4. devono mostrare specificità nella capacità di accelerare le reazioni chimiche

4 gli enzimi modificano solo la velocità della reazione e non
come lavorano gli enzimi la velocità di una reazione, misurata come quantità di prodotto ottenuto in un tempo definito, dipende dalla energia di attivazione alzare la temperatura: si incrementa il numero di molecole che hanno una quantità sufficiente di energia per superare la barriera di energia posso abbassare l’energia di attivazione aggiungendo un catalizzatore diagramma delle variazioni di energia in una reazione S P gli enzimi modificano solo la velocità della reazione e non gli equilibri abbassamento energia di attivazione interazioni deboli non covalenti tra S ed E, provocano un rilascio di energia libera rende enzimi specifici

5 modello chiave-serratura modello adattamento induttivo
regione specifica delle molecole enzimatiche dove il substrato si lega e reagisce per formare il prodotto. Esistono due modelli per interpretare l’interazione sito attivo-substrato SITO ATTIVO modello chiave-serratura (Fischer 1894) modello adattamento induttivo (Koshland 1954) (modello eccessivamente semplificato) la forma assunta dall’enzima è adatta a far avvenire la reazione solo dopo che questo si è legato al substrato: tale fenomeno serve a portare i gruppi funzionali specifici dell’enzima nell’orientamento corretto necessario per la catalisi della reazione l’enzima è una serratura in cui può girare solo la chiave specifica; infatti, solo una determinata molecola di substrato ha la forma che le permette di entrare nella fessura del sito attivovdell’enzima in modo che la reazione possa avvenire

6 cinetica enzimatica [S] = cost
relazione tra la concentrazione del substrato e la velocità della reazione in generale [S] non rimane costante durante la reazione si valuta Vo iniziale, quando [S] >>[E] tempo di analisi sufficientemente breve [S] = cost 1. a [S] basse, Vo ha un dipendenza lineare da [S] 2. a [S] alte, Vo tende asintoticamente a Vmax 1913: teoria generale dell’azione degli enzimi (Michaelis – Menten) la velocità della reazione è proporzionale a [ES] il complesso enzima-substrato (ES) è la chiave per la comprensione del comportamento cinetico degli enzimi si definisce uno stato stazionario quando [ES] rimane costante

7 Equazione di Michaelis - Menten
la relazione tra [S] e la velocità della reazione enzimatica può essere espressa in modo quantitativo Equazione di Michaelis - Menten Km = (K2 + K-1) / K1 un solo substrato definizione pratica di Km: in genere Km è una funzione complessa; se però K2 << K1 essa può essere considerata la misura dell’affinità di un enzima per il substrato: più è alta Km, minore è l’affinità

8 Vmax = K2 [Et] interpretazione dei termini Vmax e Km 1/Vmax -1/Km
(equazione di Lineweaver – Burk) grafico dei doppi reciproci: retta con pendenza Km/Vmax intercetta asse x intercetta asse y Vmax = K2 [Et] -1/Km 1/Vmax numero di turnover numero di molecole di substrato che viene convertito in prodotto nell’unità di tempo da una singola molecola enziamatica, quando è saturata con il substrato si definisce una costante di velocità per descrivere la tappa che limita la velocità di una reazione catalizzata

9 accelerare le reazioni
funzioni dell’enzima controllare e regolare i processi metabolici un inibitore enzimatico è una molecola che impedisce all’enzima di funzionare correttamente INIBIZIONE ENZIMATICA IRREVERSIBILI REVERSIBILI si legano con un legame covalente ad un residuo di un amminoacido presente nel sito attivo si modifica in modo irreversibile la forma del sito attivo e la conformazione della molecola enzimatica attività dell’enzima si annulla agiscono con modalità che consentono all’enzima di recuperare la propria funzionalità biologica competitivi non competitivi incompetitivi

10 inibizione competitiva
l’inibitore ha una forma simile a quella del substrato l’inibitore si lega reversibilmente al sito attivo dell’enzima competizione per conquistare il sito attivo dipende dalla concentrazione dei due contendenti inibizione competitiva la Km tende ad aumentare apparentemente quando sono presenti concentrazioni crescenti di [I] numero di turnover può scendere rapidamente a zero

11 inibizione non competitiva
si ha inibizione non competitiva quando l’inibitore si lega reversibilmente ad un radicale amminoacido dell’enzima in un sito diverso dal sito attivo deformazione del sito attivo: esso può ancora ricevere il substrato, ma non è più in grado di trasformarlo in prodotto numero di turnover è solo abbassato, poiché ciò che diminuisce è Vmax

12 reciproci in presenza di un inibitore non competitivo
si ha inibizione incompetitiva quando l’inibitore si lega reversibilmente al complesso enzima – substrato durante il processo catalitico inibizione incompetitiva (diagramma dei doppi reciproci in presenza di un inibitore non competitivo ed uno incompetitivo) l’inibitore non competitivo si lega al’enzima in un sito diverso da quello per il substrato: non si hanno variazioni della Km ma solo la diminuzione di Vmax l’inibitore incompetitivo si lega al complesso enzima – substrato già formato e ciò riduce significativamente le possibilità, per l’enzima, di disfarsi del prodotto: diminuzione di Km e Vmax

13 effetto della temperatura sulle reazioni catalizzate da enzimi
un eccessivo aumento della temperatura provoca la denaturazione degli enzimi con una modificazione irreversibile del sito attivo e una drastica riduzione dell’attività catalitica effetto della temperatura sulle reazioni catalizzate da enzimi T > 40, 50°C effetto di denaturazione degli enzimi T < 40, 50°C le molecole non possiedono, anche se catalizzate, l’energia sufficiente per superare la barriera del’energia di attivazione

14 effetto del pH sulle reazioni catalizzate da enzimi
il cambiamento del pH altera il grado di ionizzazione dei diversi gruppi ionizzabili presenti in una molecola enzimatica; se anche il substrato è un composto ionico, la sua ionizzazione varierà con il pH sia la natura ionica del substrato che quella dell’enzima modificano il modo di combinarsi dell’uno con l’altro (andamento della velocità di reazione enzimatica in funzione del pH) si può individuare un pH ottimale e un range di valori di pH entro cui l’enzima mostra la massima efficienza

15 regolazione dell’attività enzimatica
un enzima regolatore è quello che controlla le quantità di sostanze che devono essere trasformate in una via metabolica (catalizza la reazione più lenta) tali enzimi non seguono la cinetica di Michaelis – Menten e sono responsabili della modulazione della velocità con cui decorre l’intero processo metabolico ENZIMI ALLOSTERICI struttura quaternaria (due o più subunità proteiche) in essi esistono più siti chimicamente attivi effettore: molecola che interagendo in siti lontani dal sito attivo di un enzima, esercita un qualche effetto sulla sua attività (positivo o negativo)

16 l’enzima allosterico, costituito da due subunità proteiche, esiste
in due forme oscillanti fra uno stato attivo ed uno inattivo effettore positivo induce modificazioni che trasformano lo stato inattivo dell’enzima nella sua forma attiva: essa può legarsi al substrato effettore negativo induce una modificazione del sito attivo tale da impedire all’enzima di funzionare

17 sigmoide cooperatività andamento della velocità di
trasformazione del substrato sigmoide (enzima allosterico di classe K: gli effettori modificano la Km ma non la Vmax) essa si presenta, a livello enzimatico, quando il legame di un effettore su una subunità migliora la possibilità, per altri effettori, di formare legami successivi su subunità adiacenti alla prima cooperatività