1 Enzimi: concetti di base e meccanismi di catalisi enzimatica a.Classificazione, meccanismo dazione...

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Enzimi: concetti di base e meccanismi di catalisi

enzimatica

a. Classificazione, meccanismo d’azione

b. Esempi di reazioni catalizzate

c. Descrizione di alcune tipiche proteine enzimatiche.

a. caratteri generali, funzioni, effetti biologici b. regolazioni metaboliche delle vitamine A, D, E, F,

K, B1, B2, B3, B6, B8, B12, C, H, PP;

c. trasformazione di vitamine in coenzimi.

Cofattori e vitamine

Prof. G. Gilardi - Biological Chemistry2

Gli enzimi

Gli enzimi promuovono effetti catalitici. Possono essere proteine semplici ma spesso possiedono un gruppo prostetico che è fondamentale per la regolazione degli effetti catalitici.Quando siamo in presenza di un enzima che sia una proteina coniugata si indica:

Oloenzima= apoenzima+coenzimaOloenzima= apoenzima+coenzima Apoenzima: parte proteica semplice, alcuni enzimi sono solo apoenzimiCoenzima: gruppo prostetico, parte non proteica (derivato da una vitamina o metallo) che determina gli effetti catalitici


Classificazione degli enzimi

Sono stati individuati 6 tipi fondamentali di reazioni enzimatiche:

1.OSSIDOREDUTTASICHE (trasporto di elettroni)2.TRANSFERASICHE (trasferimento di gruppi)3.IDROLASICHE (scissione)4. LIASICHE (prevedono formazione o scissione

reversibile di legami)5. ISOMERASICHE (isomerizzazione del substrato)6. LIGASICHE (sintesi unidirezionale di legami)

Sono di conseguenza state individuate 6 classi di enzimi, una per ciascuna delle reazioni suindicate.


Classificazione degli enzimi

Ogni enzima è classificato con un codice a 4 cifre: a. b. c. d

a: si riferisce alla classe (reazione catalizzata, es. 4. liasi)

b-c: si riferiscono alla modalità della catalisi e individuano la sottoclasse e la sotto-sottoclasse

d: numero di serie dell’enzima all’interno della sotto-sottoclasse.

Consideriamo ora una classificazione ordinata


1. OSSIDOREDUTTASI

Trasportano unità riducenti, (H+)+(e-) La sottoclasse indica il donatore dell’H o altre

unità riducenti (es. alcooldeidrogenasi). I vari numeri indicano i vari tipi di substrato che possono donare unità riducenti.

Il 3° numero indica l’accettore delle unità riducenti (es. alcooldeidrogenasi: accettori sono enzimi del metabolismo lipidico oppure citocromi, il numero progressivo individua la reazione).

Il 4° numero indica il numero di serie nella sotto-sottoclasse.


1. OSSIDOREDUTTASI: coenzimi

Le ossidoreduttasi sono proteine coniugate (apoenzima + coenzima).

Il coenzima deriva dalla trasformazione da una vitamina oppure è una struttura che la cellula è in grado di prodursi: per esempio le strutture tetrapirroliche del protoemo nei citocromi.

Nel dettaglio vedremo le caratteristiche di reazione di ossidoriduttasi di tipo: PIRIDINICO (coenzima derivato dalla VITAMINA PP) FLAVINICO (coenzima derivato dalla VITAMINA B2 ) CHINONICO (coenzima derivato dalle VITAMINE Q, E, K ) PTERINICO (coenzima derivato dalla VITAMINA B8 ) VITAMINA C DIPENDENTI


OSSIDOREDUTTASI con coenzima PIRIDINICO (NAD+ e NADP +)

I coenzimi piridinici utilizzati da questa classe di ossidoreduttasi

derivano dalla vitamina PP

3

2

4

N1

5

6

O

NH2


VITAMINA PP

Ne sono dipendenti molti animali e molti eucarioti. E’ l’eterociclo della piridina che in posizione 3 ha un gruppo amidico

Si tratta dell’amide dell’acido nicotinico [1]: dopo l’assunzione abbiamo l’idrolisi del legame amidico e quindi liberazione dell’acido nicotinico [2] che servirà per la sintesi del coenzima.

In caso di deficienza soltanto le cellule animali hanno selezionato un sistema di supporto che utilizza gli intermedi del metabolismo del triptofano per sintetizzare un acido dicarbossilico ciclico: l’acido chinolinico [3].

N

C

O

NH2

N

C

O

OH

N

C

O

NH2

N

C

O

OH

C

O

OH

-OH

NH3

[1]

[2]

[3]


O

OH

P O

OH

OH

H

OH

H2C

H

P

O

O

OHOH

O

OP

OH

OH

COSTRUZIONE DEL COENZIMA PIRIDINICO [1]

Per la costruzione del coenzima sono necessari l’eterociclo della piridina, mono o disostituito con il carbossile (ACIDO NICOTINICO O CHINOLINICO). Inoltre è necessario, un saccaride, il RIBOSO. Si ottiene nella forma fosforilata sulla posizione 5 e con difosforilazione con l’anidride esterna dell’acido fosforico sulla posizione 1.

N

C

O

OH

ACIDO NICOTINICO RIBOSO-5-FOSFATO-1-PIROFOSFATO

1

5



In questi enzimi avremo quei metalli di transizione (Me) che sono in grado di dare legami dativi con l’atomo di ossigeno che in seguito diventano legami covalenti: questo effetto si compie sull’O legato al C1 del riboso: viene sottratta la struttura pirofosforica sulla posizione 1 su cui compare una carica +: il C1 diventa C+, in contemporanea si ha una inversione di configurazione del C1 da a .

Il C1+ può quindi ricevere attacco nucleofilo dal N1 del substrato (acido nicotinico o acido chinolinico). Si forma il prodotto di addizione e viene eliminato del pirofosfato (PPi).

O

OH

P O

OH

OH

H

OH

H2C

H

P

O

O

OHOH

O

OP

OH

OHN

C

O

OH

+

Me

CH+ O

H

OH

H

OH

H2C

H

P

O

O

OHOH

N

C

O

OH

+ PPi



La struttura che si forma è costituita da un pentoso legato all’acido fosforico (in posizione 5 del riboso) e ad un’eterociclo azotato (o base azotata) tramite legame del C1 del riboso con l’N1 dell’eterociclo. Possiamo definire questa struttura un nucleotide: il nicotinato mononucleotide (NMN) oppure il chinolinato mononucleotide (CMN).

O

H

OH

H

OH

CH2O P

H

N+

COOH

NMN

O

H

OH

H

OH

CH2O P

H

N+

COOH

COOH

CMN



Il chinolinato mononucleotide viene ulteriormente modificato da un metalloenzima Mn dipendente che riconosce il COOH in posizione 2 dell’eterociclo e lo sottrae sotto forma di CO2, generando quindi il nicotinato mononucleotide che serve per la formazione del coenzima funzionale.

O

H

OH

H

OH

CH2O P

H

N+

COOH

COOH

Mn

O

H

OH

H

OH

CH2O P

H

N+

COOH

+ CO2



La sintesi del coenzima prevede una ulteriore reazione del nicotinato mononucleotide con ATP:

un Mn enzima riconosce l’ossigeno del legame di anidride che collega il P con il P e destabilizza il legame tramite la transizione dativo-covalente dell’interazione Mn-O. Il P diventa sede di una carica + su cui da attacco nucleofilo uno degli atomi di ossigeno del fosforile del nicotinato. Quando il legame Mn-O ritorna dativo si libera pirofosfato e il prodotto di condensazione: il nicotinato adenin dinucleotide, ossia la forma desaminata del NAD+ (dNAD+).

N

N

N

N

NH2

OO

OHOH

P

O

OH

P

O

O

OH

OH

OH

O

O

PN

N

N

N

NH2

OO

OHOH

P+

O

OH

N+

COOH

OO

OH OH

OH

OHO P

Mn



Per ottenere la forma attiva del coenzima (NAD+) si ha la seguente reazione: dNAD+ + ATP + Q ADP + Pi +E + NAD+

La reazione si basa sulla destabilizzazione del legame amidico della glutammina (Q) che viene scomposta a acido glutammico e un gruppo amminico che si trasferisce sul carbossile dell’acido nicotinico che torna quindi a formare una nicotinamide.

Si ottiene il primo coenzima piridinico attivo, il NICOTINAMIDE ADENIN DINUCLEOTIDE (NAD+).

dNAD+ NAD+

O

N+

OO

OH OH

OH

O P

NH2

N

N

N

N

NH2

OO

OH

P

O

OH

O

OH

O

N+

OO

OH OH

OH

O PN

N

N

N

NH2

OO

OH

P

O

OH

O

OH

OH



L’altro coenzima piridinico attivo si ottiene dal NAD+ tramite fosforilazione della posizione 2 del riboso legato all’anello purinico dell’adenina.

NAD+ + ATP ADP + NADP+

I due coenzimi hanno identico meccanimo di azione ma sono caratterizzati da un differente pH isoionico ed isoelettroco, poiché uno (il NADP + ) contiene un gruppo fosforilico e ha quindi una carica netta negativa maggiore. Questi coenzimi interagiranno quindi con proteine che simmetricamente un diverso pH isoelettrico ed eventualmente cariche positive complementari a quelle del coenzima. Alcune apoproteine si legheranno in modo specifico al NAD + e altre al NADP+ a formare differenti oloenzimi ossidoreduttasici piridinici.

O

N+

OO

OH OH

OH

O P

NH2

N

N

N

N

NH2

OO

OH

P

O

OH

O

PO

O

OH

OH


Struttura trimensionale del coenzima

La molecola da un punto di vista spaziale risulta ripiegata intorno ad un asse in corrispondenza dell’O che connette i due gruppi fosforici. I due eterocicli si trovano su piani affacciati e paralleli.

Tra i due piani si collocano i metalli cofattori, ioni metallici bivalenti (Ca2+ Mg2+ Mn2+ ), effettori della catalisi, che danno 4 coordinazioni con gli atomi indicati dagli asterischi *

O

N+

OO

OH OH

OH

O P

NH2

N

N

N

N

NH2

OO

OH

P

O

OH

O

OH

*

*

**


Effetto catalitico

I metalli cofattori catalizzano il trasporto di elettroni reversibile da un eterociclo all’altro: la adenina transisce dalla forma lattimica alla forma semilattamica, e questo effetto, amplificato dai metalli cofattori si trasmette alla piridina, che verrà a trovarsi in 2 possibili forme di risonanza: la aromatoide e la chinoide.

N

O

NH2

+

+ H + elettroneH

CH3

N

O

NH2

H

aromatoide chinoide


Effetto catalitico

La transizione scatenata dall’equilibrio tra le due forme di risonanza fa sì che sulla posizione 4 si concentri la carica positiva portata in precedente dall’N e che possa essere fissato in 4 un atomo di idrogeno in più mentre un elettrone viene accettato dal sistema delocalizzato degli anelli. Si forma pertanto una struttura neutra.

Le ossidoreduttasi che contengono questi coenzimi operano reversibilmente, catalizzando la riduzione o l’ossidazione dei substrati. NAD+

NADP+

+ XH2

ossidazione

riduzione

X + NADH + H+

NADPH + H+

La catalisi è stereospecifica: il substrato interagisce con il coenzima solo solo se si trova in una conformazione sterica appropriata.


Interazione coenzima-apoproteina

L’interazione con la proteina è esclusivamente salina


Struttura trimensionale del coenzima

La molecola da un punto di vista spaziale risulta ripiegata intorno ad un asse in corrispondenza dell’O che connette i due gruppi fosforici. I due eterocicli si trovano su piani affacciati e paralleli.

Tra i due piani si collocano i metalli cofattori, ioni metallici bivalenti (Ca2+ Mg2+ Mn2+ ), effettori della catalisi, che danno 4 coordinazioni con gli atomi indicati dagli asterischi *

O

N+

OO

OH OH

OH

O P

NH2

N

N

N

N

NH2

OO

OH

P

O

OH

O

OH

*

*

**


Vitamina B2

N N

NNH

O

O

OH

OH

OH

OH

CH3

CH3

H

H

H

HH

N9

N1

N10

N34

28

5

7

6

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