ENZIMI

Gli enzimi sono molecole proteiche aventi il compito di catalizzare praticamente tutte le reazioni chimiche che avvengono negli organismi viventi.

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.

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L'enzima si combina con l'unico reagente S, detto substrato, per formare un complesso enzima-substrato, ES. ES è poi trasformato in EP che si scinde in prodotto P ed enzima libero, che è nuovamente disponibile per reagire con un'altra molecola di S.

Il processo può avvenire in maniera estremamente rapida: in molti casi una sola molecola di enzima è in grado di trasformare in 1 secondo migliaia di molecole di substrato in prodotto.

La velocità di una reazione catalizzata da un enzima può essere fino a 1014 volte superiore alla velocità della stessa reazione non catalizzata.

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La più semplice reazione catalizzata da un enzima può essere così rappresenta da:

E + S <===>ES <====>EP <====> E + P

Come ogni catalizzatore, gli enzimi accelerano le reazioni (che coinvolgono composti organici) abbassando l’energia di attivazione.

Costante cinetica espressa nella forma di Arrhenius:K=A*exp(-Ea/RT)

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Modello chiave-serraturaIl primo modello ad essere stato messo a punto per spiegare la specificità degli enzimi è quello suggerito da Hermann Emil Fischer nel 1894, secondo il quale l'enzima ed il substrato possiedono una forma esattamente complementare che ne permette un incastro perfetto.

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Questo modello spiega bene la specificità degli enzimi, ma è decisamente insufficiente per spiegare la stabilizzazione dello stato di transizione che l'enzima raggiunge durante il legame con il substrato.

Modello dell’adattamento indotto

Nel 1958 Daniel Koshland propose una modifica del modello chiave-serratura: dal momento che gli enzimi sono strutture relativamente flessibili, egli suggerì che il sito attivo potesse continuamente modellarsi in base alla presenza o meno del substrato. Come risultato, il substrato non si lega semplicemente ad un sito attivo rigido, ma genera un rimodellamento del sito stesso, che lo porta ad un legame più stabile in modo da portare correttamente a termine la sua attività catalitica.

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L'enzima esochinasi è un esempio del modello dell'adattamento indotto: quando il glucosio si avvicina al sito attivo (immagine a sinistra - freccia), l'enzima cambia conformazione, avvolgendosi attorno al substrato (destra).

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Esistono sei differenti classi di enzimi secondo la natura delle reazioni che catalizzano:

• Ossidoreduttasi: catalizzano reazioni di ossidoriduzione e includono le ossidasi (ossidazione diretta con ossigeno), le deidrogenasi (rimozione di idrogeno), ecc;• Transferasi: catalizzano il trasferimento di un gruppo funzionale da un donatore ad un accettore;• Idrolasi: catalizzano reazioni di idrolisi (proteasi, esterasi, ecc);• Liasi: catalizzano le addizioni al doppio legame o le eliminazioni con formazione di doppi legami;• Isomerasi: catalizzano le isomerizzazioni all'interno di una molecola; • Ligasi: catalizzano la formazione di un legame covalente tra due molecole.

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Cofattori o attivatori

Molti enzimi richiedono la presenza di gruppi non proteici per svolgere la loro azione catalitica. Questi gruppi sono detti cofattori e rientrano in 3 gruppi principali:

1.Coenzimi: molecole organiche che possono essere separate dall’enzima.

2.Gruppi prostetici: sono legati all’enzima da cui non si distaccano né durante il corso della reazione, né ad enzima inattivo.

3.Ioni organici (K+, Na+, Mg2+, Zn2+, Ca2+, Fe3+, ecc).

Il complesso enzima-cofattore è detto oloenzima.Mentre se si rimuove il cofattore rimane l’apoenzima inattivo.

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CINETICA DI MICHAELIS-MENTEN

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EFFETTO DEL pH

Come detto, l’enzima può contenere gruppi carichi sia positivamente sia negativamente ad un dato pH.Tali gruppi ionizzabili sono spesso parte del sito attivo. Perché possano esplicare azione catalitica, i gruppi ionizzabili del sito attivo devono spesso possedere ciascuno una particolare carica, cioè l’enzima catalitico attivo esiste solo in un particolare stato di ionizzazione. Pertanto, l’enzima cataliticamente attivo può essere solo una frazione dell’enzima totale a seconda del pH.

Effetto del pH

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ea + S <===> ea S Ksea S <====> ea + P k

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Effetto della temperatura

Un aumento della temperatura tra 0 e 40-50 °C accresce l’attività della maggior parte degli enzimi a causa dell’aumento delle collisioni efficaci tra i reagenti (vedi eq.ne di Arrhenius).

Al di sopra di 40-50°C l’attività decade in genere drasticamente, fino ad annullarsi, nella maggior parte dei casi, intorno a 60°C a causa della disattivazione dell’enzima. Infatti, all’aumentare della temperatura gli atomi nella molecola dell’enzima hanno maggiore energia e quindi una maggiore tendenza a muoversi, superando così le deboli interazioni che tengono insieme la struttura globulare della proteina (denaturazione).

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