Enzimi e loro ruolo nel metabolismo

Perché ci interessa studiare gli Enzimi?

Senza enzimi non saremmo in grado di eseguire le

numerose reazioni chimiche che avvengono nelle

cellule e nell’ambiente extracellulare

Digestione

Metabolismo di carboidrati, lipidi, proteine, etc…

Omeostasi in diverse condizioni fisiologiche (es. digiuno….etc..)

•Definizioni e ruoli degli enzimi

•Cinetica enzimatica

•Localizzazione degli enzimi

•Enzimi come “bersaglio” di farmaci

•Enzimi come “markers” in Biochimica Clinica

•Errori congeniti del metabolismo (deficit di enzimi)

•Enzimi impiegati in terapia

Proteine capaci di innalzare, (si può

arrivare a 1016 volte) la velocità di reazioni

chimiche termodinamicamente possibili,

senza alterarne la costante di equilibrio.

Enzimi

Reagenti Prodotti

Enzima

Gli enzimi trovano numerose

applicazioni dalle scienze

biomediche al comparto agro-

alimentare, dalla ricerca scientifica

al mondo della produzione

industriale.

Usi industriali degli enzimi

Agroalimentare

Detergenti

Tessile

Proteasi ,

cellulasi,

lipasi

Cellulasi,

amilasi ,

perossidasi

Pectinasi,

amilasi…..Amilasi, xilanasi,

lipossigenasi

Proteasi ,

cellulasi,

lipasi

Lignasi,

proteasi

•Enzimi intracellulari (es. citoplasmatici,

mitocondriali, lisosomiali etc…)

Dove sono localizzati gli enzimi?

Enzimi extracellulari (es. Enzimi plasmatici

o secreti dalle cellule in diversi liquidi

biologici)

✓ Gli enzimi si possono trovare:

✓Liberi nel citoplasma delle cellule di

diversi tessuti ed organi

❑ Confinati in particolari strutture

all’interno delle cellule stesse

(organelli intracellulari, membrana

plasmatica)

❑ In un determinato tessuto od

organo specifico.

Localizzazione Intracellulare degli Enzimi

Enzimi come catalizzatori biologici.

•Essi svolgono il loro ruolo con modalità differenti da reazione a reazione, ma in tutti i casi la catalisi procede attraverso la formazione di complessi tra l'enzima e i reagenti (substrati)

•la gran parte delle reazioni non avverrebbe abbastanza velocemente nelle condizioni compatibili con pH, temperatura e ambiente ionico delle cellule o ambiente circostante.

Enzimi: catalizzatori biologici

X

Y

Reazione non

catalizzata

DG

DG*

DG*

Reazione

catalizzata

• Si combinano transientemente col substrato e abbassano l’energia diattivazione

• Non spostano l’equilibrio della reazione, ma aumentano la velocità con cuil’equilibrio viene raggiunto

• Non subiscono modificazioni permanenti durante la reazione e sonosubito disponibili per catalizzare una nuovo ciclo di reazione

L’energia di attivazione è una barriera per la reazione

biochimica, ma è fondamentale per la vita

La stabilità delle molecole aumenta con l’aumentare

della barriera di attivazione.

Senza questa barriera le molecole complesse

tenderebbero a convertirsi spontaneamente in altre

forme molecolari

Gli enzimi hanno sviluppato la capacità di abbassare in

modo selettivo solo l’energia di attivazione delle

reazioni necessarie per la sopravvivenza della cellula

L’enzimologia,la disciplina della biochimica che si occupa degli enzimi, è soggetta a continui e rapidi progressi.

Si ritiene che la nascita di questo settore scientifico sia stata nel 1926 grazie a Nobel J. Sumner, artefice della cristallizzazione in laboratorio dell’ureasi (l’enzima che scinde l’urea in ammoniaca ed anidride carbonica),

Già da molto tempo prima i processi biologici catalizzati dagli enzimi erano oggetto di interesse da parte della comunità scientifica.

James Sumner

Pasteur Prima della

Leonor Michaelis and Maud Menten, who together pioneeredthe development of enzyme kinetics by formulating the Michaelis-Menten equation to describe the action of enzymes.

Enzimologia. I protagonisti della ricerca

E + S ES EP E + P

Cinetica Enzimatica

S = Substrato P= prodotto

Complesso enzima-

substrato

La maggior parte delle

reazioni enzimatiche utilizza

substrati che sono di

piccole dimensioni se

comparati alla molecola

enzimatica.

Di conseguenza solo una

piccola parte della proteina

enzimatica si trova a diretto

contatto con la molecola del

substrato a formare il

COMPLESSO ENZIMA-

SUBSTRATO (ES).

Le porzioni di enzima a contatto con

il substrato che giocano un ruolo

diretto nel processo catalitico

costituiscono il cosiddetto SITO

ATTIVO ( sito CATALITICO).

Il resto della proteina enzimatica

fornisce una specie di scheletro

strutturale che garantisce il

mantenimento dei componenti del

sito attivo nella conformazione

tridimensionale necessaria ad una

efficiente e specifica catalisi.

•Tutti gli enzimi presentano il fenomeno della specificità di substrato.

Enzimi e Specificità di substrato.

•gli enzimi non solo sono in grado di discriminare in base all’ identità chimica del substrato, ma anche sulla base della sua configurazione geometrica e stereochimica.

•Ad esempio se un enzima utilizza come substrato la forma D di uno zucchero, ne consegue che il corrispondente stereoisomero L non sarà oggetto di reazione, se non in misura del tutto trascurabile.

Specificitàl'enzima e il substrato si adattano l'un l'altro.

Nel 1894 H.E. Fischer propose la sua "ipotesi della serratura e della chiave" (lock and key hypothesis) implicante una complementarietà tra substrato ed enzima legata a rigide conformazioni molecolari.

Hermann Emil Louis

Fischer (9 October 1852 – 15

July 1919)

Nel 1894 Fischer propose la sua "ipotesi della serratura e della chiave" (lock and key hypothesis) implicante una complementarietà tra substrato ed enzima legata a rigide conformazioni molecolari.

Modello : ipotesi della serratura e della chiave

Fonte: Pearson Education 2011

Cinetica di Michaelis Menten

Effetto della concentrazione del substrato sulla

velocità della reazione

Velocità Massima (Vmax) La velocità di una reazione (V) è il numero di molecole del substrato che si trasformano in prodotto nell’unità di tempoLa velocità si esprime in umol/L d prodotto che si è formato in un minuto

La Velocità aumenta con l’aumentare della concentrazione del substrato fino a raggiungere una velocità massima. Questa si raggiunge quando la concentrazione del substrato è elevata e riflette la saturazione con il substrato nei siti attivi disponibili nelle molecole degli enzimi presenti

Km (costante di Michaelis Menten)concentrazione di un substrato in corrispondenza del raggiungimento di ½ Vmax

La Km riflette l’affinità di un enzima per il suo substrato

Effetto del pH sull’attività

di un enzima

Effetto della temperatura sulla attività

enzimatica

Effetto della temperatura

sulla attività enzimatica

Effetto della temperatura sulla attività

enzimatica

Denaturazione delle proteine

Valutazione dell’attività enzimatica

Unità Internazionali (U)

quantità di enzima che, in determinate condizioni (37°C), trasforma una micro-

mole di substrato in 1 minuto

Reazioni di ossidoriduzione

Gruppo di enzimi Reazione catalizzata Esempi

Ossidoreduttasi Trasferimento di idrogeno,ossigeno o di elettroni da un substrato all’altro

Deidrogenasi ….

Transferasi Trasferimento di un gruppo specifico da un substrato all’altro

TransaminasiChinasi (o cinasi)

Idrolasi Idrolisi di un substrato Esterasi, Enzimi digestivi

Isomerasi Variazione della forma molecolare del substrato

Mutasi

Liasi Rimozione di un gruppo o addizione di un gruppo a un substrato attraverso processi differenti da idrolisi e ossidazione

DecarbossilasiAldolasi

Ligasi Unione di due molecole con formazione di nuovi legami

DNA ligasi

Malattie congenite legate a deficit di enzimi: la fenichetonuria

I soggetti affetti da fenilchetonuria (PKU) sono perfettamente

normali alla nascita.

I primi sintomi della malattia si manifestano intorno al sesto mese.

Livelli elevati di fenilalanina nel sangue hanno effetti deleteri sullo

sviluppo del bambino e sono spesso associati ad una condizione

di ritardo mentale a meno che i livelli della fenilalanina non

vengano matenuti bassi attraverso una dieta controllata.

DRIED BLOOD SPOT

www.spotonsciences.com

Screening neonatale