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Franca Esposito » 4.Gli enzimi: proprietà generali, catalisi enzimatica


Proprietà generali degli enzimi

Enzimi

Enzimi sono macromolecole, proteine globulari, eccezione: ribozimi, RNA con attività catalitica che fungono da catalizzatori biologici.

  • Non alterano l’equilibrio della reazione catalizzata
  • Accelerano la reazione diretta ed inversa
  • Restano inalterati alla fine della reazione

Lezione della Prof. Margherita Ruoppolo

Proprietà generali degli enzimi (segue)

Enzimi

  • Più efficaci dei catalizzatori inorganici (diversi ordini di grandezza superiore)
  • Condizioni di reazione moderate (temperatura, pH, pressione fisiologiche)
  • Elevata specificità di reazione (dovuta alla struttura tridimensionale proteica dell’enzima)
  • Soggetti a regolazione (modulazione da parte dei prodotti sintetizzati e/o dal consumo di substrato)
  • Importanza clinica: alcuni enzimi come marcatori di malattia oppure sono deficienti in alcune patologie

Proprietà generali degli enzimi (segue)

Sito attivo: regione specifica (tasca) nella struttura dell’enzima che interagisce con il reagente.

Substrato: molecola di reagente che si lega al sito attivo dell’enzima (riconoscimento chemio – e stereoselettivo).

E + S = ES

Specificità degli enzimi – struttura del sito attivo:

  • sito di legame, residui aa che “accolgono” e legano il substrato (legami a idrogeno, ponti salini, interazioni idrofobiche)
  • sito catalitico, residui aa che partecipano alla catalisi

Proprietà generali degli enzimi (segue)

  • Alcuni enzimi hanno bisogno per la loro attività di componenti non proteiche chiamati cofattori
  • Cofattore può essere costitutito da uno o più ioni inorganici

Proprietà generali degli enzimi (segue)

Quando il cofattore è una molecola organica si chiama coenzima.

Un coenzima legato covalentemente alla proteina viene detto gruppo prostetico.

Un enzima attivo con cofattori, coenzimi o gruppi prostetici viene definito oloenzima, la sola parte proteica viene definita apoenzima.

Proprietà generali degli enzimi (segue)

Classificazione degli enzimi

Nomenclatura tradizionale
Si aggiunge il suffisso -asi al nome del substrato o al tipo di reazione catalizzata (es: proteasi, lipasi, ATPasi, GTPasi)

Nomenclatura sistematica
Identifica in maniera più precisa il tipo di reazione catalizzata

Per cui:

Nome tradizionale dell’enzima E: esochinasi
Nome sistematico dell’enzima E : ATP: glucosio fosfotransferasi

Si può usare il numero di classificazione che identifica univocamente l’enzima.

Nell’esempio precedente il numero di identificazione è: EC2.7.1.1

EC= Enzyme Commision number, 2 = classe, 7 = sottoclasse, 1= gruppo accettore (OH), 1= molecola reagente (D-glucosio)

Esempio di reazione catalizzata.

Esempio di reazione catalizzata.


Proprietà generali degli enzimi (segue)

Classificazione internazionale degli enzimi.

Classificazione internazionale degli enzimi.


Catalisi enzimatica

Imagine autoprodotta.

Imagine autoprodotta.


Catalisi enzimatica (segue)

Ogni reazione può comprendere varie tappe in cui si ha la formazione e la scomparsa di specie transitorie dette intermedi.

La velocità complessiva è determinata dalla tappa con l’energia di attivazione più elevata che viene detta tappa che limita la velocità di reazione.

Immagine autoprodotta.

Immagine autoprodotta.


Catalisi enzimatica (segue)

La formazione del complesso ES:

favorisce l’eliminazione di molecole di acqua ed il corretto orientamento e posizione dei gruppi coinvolti nella reazione (in pratica si indeboliscono i legami che devono essere scissi).

Tale azione dell’E viene definito = Effetto di prossimità ed orientamento

Ciò spiega perché si abbassa notevolmente l’energia dello stato di transizione rispetto alla reazione non catalizzata.

Risultato: Aumento della velocità della reazione in presenza di E. 

Proprietà generali degli enzimi

 Alcuni coenzimi che svolgono il ruolo di trasportatori transienti di specifci atomi o gruppi funzionali.

Alcuni coenzimi che svolgono il ruolo di trasportatori transienti di specifci atomi o gruppi funzionali.


Catalisi enzimatica

Meccanismo di azione degli enzimi

Formazione di uno specifico complesso ES stabilizzato da interazioni idrofobiche, ioniche, etc.

Formazione di ogni interazione è accompagnata da rilascio di energia libera. Tale energia viene detta energia di legame (ΔGB).

Energia di legame è la fonte di energia usata dall’enzima per abbassare l’energia di attivazione della reazione.

Catalisi enzimatica (segue)

Meccanismo di azione degli enzimi

Enzima è complementare allo stato di transizione della reazione.

Nel complesso ES si formano alcune interazioni deboli ma tutte le possibili interazioni si generano solo quando il substrato raggiunge lo stato di transizione.

L’enzima deve fornire i gruppi funzionali per le interazioni ioniche, idrofobiche, i legami a idrogeno e stabilire la loro posizione in modo che l’energia di legame diventi ottimale allo stato di transizione.

Viene definita specificità la capacità di un enzima di discriminare tra composti simili ma allo stesso tempo chimicamente diversi (per esempio isomeri = stereospecificità).

Catalisi enzimatica (segue)

Come fa il substrato ad adattarsi perfettamente al sito attivo?

1. 1894 Ipotesi di Fischer: modello chiave-serratura

Il sito di legame presenta la forma adatta per accogliere il substrato =

complementarità geometrica (chiave e serratura)

  • In realtà la complementarietà fra enzima e substrato è raramente così precisa
  • Nell’ipotesi chiave-serratura, il sito di legame è rigido e ciò contrasta con i cambiamenti dinamici della catalisi enzimatica

Catalisi enzimatica (segue)

2. 1958 Ipotesi di Koshland: adattamento indotto

Il sito di legame dell’enzima in seguito all’interazione con il substrato, subisce un cambiamento conformazionale per meglio adattarsi alla geometria del substrato.

Si stabilizza il legame del substrato (instaurarsi di legami deboli) → complesso E-S.

Reversibilità dei legami = dinamicità dell’interazione (il prodotto deve essere allontanato).

Tutte le possibili interazioni si formano quando il substrato raggiunge lo stato di transizione ΔG è minore rispetto alla reazione non catalizzata.

Catalisi enzimatica (segue)

Catalisi acido-base

Stabilizzazione di intermedi carichi mediante trasferimento di ioni H+ o OH-

Catalisi covalente

Coinvolge la formazione di un legame covalente transitorio tra l’enzima ed il substrato

Catalisi da ioni metallici

Coinvolge interazioni deboli tra il metallo ed il substrato

Catalisi enzimatica (segue)

Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.


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