Gli

Enzimi

​

Gli enzimi

Studiare da pag. B38 a B41

Studiare da pag. B 44 a B45.

Gli enzimi: i catalizzatori biologici

Un'altra importante classe di proteine le cui funzioni dipendono strettamente dalla struttura terziaria sono gli enzimi.

​

Gli enzimi sono dei catalizzatori biologici la cui funzione è rendere possibile lo svolgimento delle reazioni chimiche del metabolismo cellulare.

La palla ha bisogno di una spinta (energia) per uscire dalla buca.

La palla ha ricevuto un apporto di energia di attivazione può rotolare spontaneamente giù dal pendio, rilasciando energia libera.

L’energia di attivazione è necessaria per avviare una reazione

La nomenclatura ufficiale attribuisce a ogni enzima un codice numerico (che indica le classi e sottoclassi) preceduto dalla sigla EC (Enzyme Commission).

Tuttavia, è tuttora utilizzata la nomenclatura basata sul nome sistematico, il quale è costituito da un prefisso e da un suffisso: il prefisso è dato dalla radice del nome del substrato su cui agisce l’enzima, il suffisso corrisponde alla desinenza –asi.

La classificazione degli enzimi

Lattato deidrogenasi

Per esempio, L’enzima lattato deidrogenasi opera sulla molecola lattato e la ossida privandola di due atomi di idrogeno.

Lattato

NAD⁺

Piruvato

NADH + H⁺

Coenzima

• L’azione catalitica svolta dagli enzimi richiede spesso l’intervento di altre molecole, detti cofattori, che possono essere:

I cofattori enzimatici

Molecole organiche, di natura non proteica, dette coenzimi.

Ioni inorganici (Ca²⁺, Zn²⁺, Mg²⁺, o il Fe²⁺).

Inorganici

Organici

Cofattori

Permettono alla molecola enzimatica di assumere una forma adatta per potersi combinarsi con il substrato.

Funzionano da trasportatori di gruppi funzionali (coenzima A) o di elettroni (NAD, FAD e NADP).

• I coenzimi sono molecole organiche non proteiche, che favoriscono l’azione catalitica degli enzimi. In genere un coenzima non sta sempre unito allo stesso enzima, ma passa da un enzima all’altro trasportando elettroni o gruppi chimici. (Esempi di coenzimi: NAD, coenzima A, NADP e FAD).

I cofattori organici-Coenzimi

Quando i coenzimi sono legati in modo permanente all’enzima sono detti gruppi prostetici.

• L’enzima non legato al cofattore, quindi inattivo, si chiama apoenzima.
• Il complesso cataliticamente attivo (apoenzima-cofattore) si chiama oloenzima.

I cofattori organici-Coenzimi

• In ogni reazione chimica, due o più molecole (chiamate substrati) si combinano per generare una o più nuove molecole (i prodotti).

L’interazione tra un enzima e il substrato

E

+ S

E–S

E

+ P

• Il complesso enzima-substrato dà origine al prodotto (P) e all’enzima libero (E).

• L'energia richiesta per rompere i legami nei substrati e generare i prodotti è detta energia di attivazione, in quanto serve a portare le molecole dei substrati in uno stato di transizione o stato attivato, in cui possono combinarsi nei prodotti.

• Come tutti i catalizzatori, gli enzimi non modificano l’equilibrio della reazione ma permettono di arrivare all’equilibrio più velocemente abbassando l’energia di attivazione, mediante l’introduzione di uno o più stati di transizione intermedi.

• Alcune reazioni hanno una bassa energia di attivazione, per cui il calore presente nell'ambiente cellulare (circa 37°C) è sufficiente ad attivare i substrati.
• La maggior parte delle reazioni metaboliche (come la glicolisi o l'ossidazione degli acidi grassi) hanno tuttavia un'energia di attivazione elevata e non avverrebbero praticamente mai spontaneamente nelle condizioni cellulari.

Gli enzimi servono ad abbassare l'energia di attivazione per passare dai substrati ai prodotti, rendendo possibili le reazioni del metabolismo cellulare.

E

+ S

E–S

E

+ P

Gli enzimi abbassano la barriera di potenziale

Energia libera

Tempo di reazione

E + P

E + S

Ea

Eac

Complesso attivato E–S

Enzima substrato

E-S

• I catalizzatori non biologici sono per la maggior parte aspecifici.
• I catalizzatori biologico sono specifici; un enzima riconosce un solo substrato e catalizza un’unica reazione.
• Le molecole di substrato si legano a un sito particolare dell’enzima, detto sito attivo, dove avviene la reazione.

Gli enzimi hanno un’elevata specificità

Enzima

Sito attivo

Il substrato è una molecola sulla quale agisce un enzima.

Spesso gli enzimi cambiano forma quando legano il loro substrato, grazie ad un processo chiamato adattamento indotto: in questo modo il sito dell’enzima può interagire più facilmente con la molecola di substrato.

Modello dell’Adattamento indotto:

Enzima

Substrato

Un esempio di adattamento indotto si ha nell’enzima esochinasi che catalizza la reazione:

Glucosio

ATP

Glucosio 6-fosfato

ADP

esochinasi

La fosforilazione è una reazione molto frequente nelle cellule perché è il modo principale in cui le molecole vengono attivate nel corso dei vari processi metabolici.

Enzima

Substrato

Sito attivo

Enzima + substrato

Enzima

Complesso E-S

Prodotti

Modello dell’adattamento indotto

• La capacità di un enzima di selezionare esattamente il substrato giusto dipende dai gruppi funzionali che interagiscono in corrispondenza del sito attivo.

​

• Il legame dell’Enzima con il substrato si basa sugli stessi tipi di legame che caratterizzano la struttura terziaria dell’enzima: legame ad idrogeno, attrazione e repulsione tra gruppi dotati di carica elettrica e interazione idrofobiche.

• Interazione tra enzima e substrato

Orientarli spazialmente

Metterli fisicamente in tensione

Gli enzimi hanno diversi modi di indurre i loro substrati a passare allo stato di transizione, tra cui:

Come funzionano gli enzimi

​

• Gli enzimi possiedono pieghe chiamate siti attivi, in cui le catene R degli amminoacidi prendono contatto con i gruppi reattivi dei substrati facilitando la sintesi dei prodotti.

La classificazione degli enzimi

Ossidoreduttasi

Transferasi

Idrolasi

Liasi

Isomerasi

Ligasi

Ossido-riduzione

Trasferimento di gruppi chimici

Idrolisi

Addizione o rimozione di gruppi chimici

Isomerizzazione (inter- conversione tra due isomeri)

Formazione di legami covalenti C-C, C-O, C-S, C-N mediante reazioni di condensazioni accoppiate con scissione di ATP

Deidrogenasi (trasferimento di due atomi di idrogeno)

Chinasi (trasferimento di gruppi fosfato – ATP), Transaminasi trasferimento di gruppi amminici

Glicosidasi (idrolisi del legame glicosidico), Esterasi (idrolisi del legame estereo),

Proteasi (idrolisi del legame proteico)

Decarbossilasi (rimozione del gruppo CO2), Idratasi (addizione di H2O al doppi legame).

Mutasi (trasferimento intramolecolare di gruppi chimici)

Polimerasi (polimerizzazione degli acidi nucleici)

• Studiare da pag. B 44 a B45

Gli enzimi sono regolati

• Esistono inoltre molecole o addirittura piccole proteine che, legandosi a un enzima, lo possono attivare o inibire. Agendo sugli enzimi, la cellula è in grado di operare una fine regolazione della velocità delle sue vie metaboliche.

Gli enzimi sono regolati

• Regolare la velocità a cui operano gli enzimi contribuisce a garantire l’omeostasi, ovvero il mantenimento di condizioni chimico-fisiche stabili all’interno dell’organismo.

Altri meccanismi di regolazione enzimatica sono:

Effetti allosterici

Possono essere positivi o negativi.

​

Gli enzimi allosterici sono formati da più subunità.

Inibitori Enzimatici

Sono impiegati nelle vie metaboliche perché la loro azione può essere attivata o inibita.

Sono sostanze che modificano il sito attivo di un enzima in modo che questo non può più legare il substrato.

Sono sostanze che si legano all’enzima riducendo la sua attività catalitica.

Irreversibile

Reversibile

Competitivi

Non competitivi

Substrato

I Meccanismi di modulazione allosterica

Sito attivo

Attivatore allosterico

Inibitore allosterico

Substrato

Quando la cellula richiede una maggiore quantità di un prodotto di una reazione, sintetizza più molecole di effettore positivo. Il legame dell’attivatore al sito allosterico induce un cambiamento di forma del sito attivo, che può quindi legarsi al substrato.

Quando la richieda di un prodotto di reazione diminuisce, vengono sintetizzati effettori negativi. Il legame dell’inibitore al sito allosterico induce un cambiamento di forma del sito attivo, che non può più legare il substrato.

Modulazione allosterica positiva

Modulazione allosterica negativa

Gli enzimi allosterici sono molto importanti nelle vie metaboliche, perché la loro azione può attivare o disattivare un’intera via metabolica (feedback). Un esempio di modulazione allosterica è la formazione di l’ATP che controlla diverse vie cataboliche.

Modulazione allosterica

ATP

ADP

idrolasi

L’ATP è in grado di legarsi a molti enzimi catabolici, diminuendo la loro affinità per il substrato e quindi inibendo la loro l’attività enzimatica.

​

Se l’ATP viene prodotto in eccesso rispetto al fabbisogno, il suo stesso accumulo inibisce gli enzimi catabolici (feedback negativo).

P

+

L’ADP, invece, funziona come attivatore degli stessi enzimi catabolici.

L’accumulo di ADP provoca l’attivazione degli enzimi catabolici.

31

Inibitori reversibili competitivi e non competitivi

Inibizione competitiva

Inibizione non competitiva o allosterica

• Gli inibitori reversibili non competitivi, si legano all’enzima in un sito diverso dal sito attivo e causano un cambiamento strutturale della molecola dell’enzima che impedisce al sito attivo di svolgere il suo compito.

Inibizione non competitiva

• Gli inibitori reversibili competitivi sono molecole con forma analoga a quella del substrato e in grado di formare un legame non covalente con il sito attivo dell’enzima, impedendogli di legare il substrato.

Inibizione non competitiva

• Gli inibitori si definiscono competitivi quando simulano strutturalmente il substrato e si collocano nel sito attivo dell’enzima,

Inibizione competitiva

Enzima

Substrato

Sito attivo

Enzima + inibitore

Inibitore

Inibitori competitivi

Inibizione non competitiva

Gli enzimi allosterici possono modulare il feedback di un processo metabolico nel quale il prodotto finale Z inibisce l’enzima E₁.

Feedback negativo

Il prodotto dell’enzima 4 inibisce l’azione dell’enzima 1

Modificazione o Regolazione covalente

Un esempio di modificazione covalente irreversibile è la scissione proteolitica, che consiste nella rimozione di amminoacidi da un precursore enzimatico inattivo. L’idrolisi di uno o più legami peptidici porta alla produzione di un enzima attivo. Per esempio, gli enzimi digestivi vengono attivati dopo che sono stati secreti dalla cellula per evitare l’autodigestione. (es. Il tripsinogeno, prodotto dal pancreas, per scissione proteolitica si trasforma in tripsina, forma attiva).

Modificazione o Regolazione covalente

La modificazione covalente irreversibile è tipica di molti farmaci, come la penicillina, un antibiotico che blocca gli enzimi necessari alla costruzione della parete cellulare dei batteri.

Infine, ricordiamo le tossine e i veleni: per esempio, lo ione CN^- si lega stabilmente allo ione metallico presente nell’enzima che serve per trasportare l’ossigeno (citocromo C ossidasi), cosi da provocare il blocco della respirazione cellulare.

Fine

​