Introduzione agli enzimi ( un po’ di storia…)

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 • isola e cristallizza l’enzima ureasi • postula che gli enzimi siano proteine 1926: Sumner fine anni ’30: Northrop verifica che gli enzimi sono proteine Haldane scrive un trattato intitolato “Enzimi” sono stati purificati migliaia di enzimi e di centinaia di essi è stata determinata la struttura e il meccanismo chimico seconda metà XX sec:

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 2. devono essere efficaci in piccole quantità 3. 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. 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. 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 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. 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. interpretazione dei termini Vmax e Km (equazione di Lineweaver – Burk) grafico dei doppi reciproci: retta con pendenza Km/Vmax intercetta asse y intercetta asse x Vmax = K2 [Et] 1/Vmax -1/Km 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. 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. 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. 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 negativo induce una modificazione del sito attivo tale da impedire all’enzima di funzionare effettore positivo induce modificazioni che trasformano lo stato inattivo dell’enzima nella sua forma attiva: essa può legarsi al substrato

17. 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