Gli EnzimiGli Enzimi

I Catalizzatori delle reazioni biologiche

S.Miniato 2005

NO2

CO

CH

N2CO2

H2O

S.Miniato 2005

• Le cellule compiono migliaia di reazioni chimiche (esoergoniche ed endoergoniche).

• L’insieme di queste reazioni costituisce il metabolismo cellulare.

• L’accoppiamento energetico utilizza le reazioni esoergoniche per far avvenire le reazioni endoergoniche.

Il metabolismo

Le reazioni chimiche consentono di immagazzinare o di liberare energia

Le reazioni endoergoniche assorbono energia e danno origine a prodotti ricchi in energia potenziale (con un livello di energia chimica superiore a quella delle sostanze di partenza).

En

erg

ia p

ote

nzi

ale

d

elle

mo

leco

le

Reagenti

Energia assorbita

Prodotti

Quantità di energia assorbita

Le reazioni esoergoniche liberano energia e danno origine a prodotti che contengono meno energia potenziale dei loro reagenti.

Reagenti

Energia liberata

Prodotti

Quantità di energia

liberata

Ene

rgia

pot

enzi

ale

delle

mol

ecol

e

Mappa metabolica

Tutte le reazioni che avvengono nelle cellule sono reazioni catalizzate

I catalizzatori di tali reazioni prendono il nome di enzimi

Gli enzimi sono grosse molecole chiamate proteine

Le proteine vengono formate dentro la cellula unendo tra di

loro molecole più piccole, gli amminoacidi

Mappa metabolica

la glicolisi

la glicolisi

una via metabolica

Caratteristiche degli enzimi

• Sono in grado di agire a concentrazioni molto basse

• Non subiscono trasformazioni

• Favoriscono il procedere della reazione fino al raggiungimento dello stato di equilibrio

12

3

5

4

68

911

7

1213

amminoacidi proteina

enzimi

enzimi

Anche le reazioni di sintesi e di degradazione delle proteine richiedono la presenza di enzimi

Gli enzimi accelerano le reazioni chimiche della cellula abbassando la richiesta energetica

Perchè una reazione chimica inizi, i reagenti devono assorbire una quantità di energia chiamata energia di attivazione (EA).

Barriera EA

Reagenti

ProdottiE

nzim

aContenitore 1 Contenitore 2

Gli enzimi abbassano l’energia di attivazione

Gli enzimi abbassano l’energia di attivazione

I substrati normalmente necessitano di una notevole

quantità di energia (picco rosso) per giungere allo stato di

transizione, e reagire per formare il prodotto.

Diagramma di una reazione catalitica che mostra l'energia richiesta a vari stadi lungo l'asse del tempo (coordinate di

reazione).

L'enzima crea un microambiente nel quale i

substrati possono raggiungere lo stato di

transizione (picco blu) più basso, riducendo così la

quantità d'energia richiesta. Essendo più facile arrivare a uno

stato energetico minore la reazione può avere luogo più

frequentemente e la velocità di reazione sarà maggiore.

Analogie

Enzima e Substrato

Termini:

• Substrato : il reagente che si lega al sito attivo di un enzima

• Sito attivo: la parte di enzima a cui si lega il substrato ed in cui avvengono le reazioni

• il sito attivo è altamente specifico per un solo tipo di substrato

substrato Sito

attivo

Complesso enzima-substrato

substrato

enzima

Complesso enzima-substrato

Enzima &

prodotti

+

enzima

enzima enzima

enzima

la catalisi enzimatica

Ingresso del substrato nel

siti attivo

Complesso enzima-

substrato

Complesso enzima-prodotti

prodotti

A + B CD

Enzima (saccarasi)Glucosio

Fruttosio

Sito attivo Substrato (saccarosio)

H2O

1 Enzima disponibile con il sito attivo vuoto

2Il substrato si lega all’enzima che subisce un adattamento indotto

4 I prodotti vengono liberati

3 Il substrato si scinde nei prodotti

Esempio di reazione catalizzata da un enzima

Modello chiave-serratura

L'enzima ed il substrato possiedono una forma esattamente complementare che ne permette un incastro perfetto. Tale modello è spesso definito come :

chiave-serratura

Modello dell’ adattamento indotto

Enzima e substrato si modificano a vicenda.

Si ritiene che la struttura del sito attivo non sia rigida ma flessibile, e presenti una conformazione capace di adattarsi alla forma 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.

L'enzima esochinasi è un buon esempio del modello ad adattamento indotto: quando il glucosio si avvicina al sito attivo l'enzima cambia conformazione, avvolgendosi attorno al substrato

Modello dell’ adattamento indotto

La temperatura, la concentrazione dei sali e il pH influenzano l’attività enzimatica.

• Per funzionare, alcuni enzimi richiedono molecole non proteiche chiamate cofattori.

I cofattori possono essere:

– sostanze inorganiche, come gli ioni metallo,

– molecole organiche (in questo caso si chiamano coenzimi).

L’ambiente cellulare influenza l’attività degli enzimi

Gli inibitori bloccano l’azione degli enzimi

• Una sostanza chimica che interferisce con l’attività di un enzima è detta inibitore.

• L’azione di un inibitore è irreversibile se si formano legami covalenti tra inibitore ed enzima. È reversibile quando si formano solo legami deboli (come il legame idrogeno).

Inibizione enzimatica

• Gli inibitori competitivi occupano il sito attivo di un substrato.

• Gli inibitori non competitivi cambiano la funzione dell’enzima modificando la sua forma.

Figura 5.8

Substrato

Enzima

Sito attivo

Legame normale del substrato

Inibitore enzimatico

Inibitore non competitivo

Inibitore competitivo

Inibizione enzimatica

Utilizzi degli inibitori

• Gli inibitori sono spesso utilizzati come farmaci, ma possono agire anche come veri e propri veleni.

• Un esempio di inibitore utilizzato come farmaco è l'aspirina, che inibisce l'attività delle ciclossigenasi COX-1 e COX-2, che producono le prostaglandine, mediatori dell'infiammazione, riducendo dunque la sensazione di dolore.

• Il cianuro è invece un inibitore irreversibile che si combina con il rame ed il ferro presenti nel sito attivo dell'enzima citocromo c ossidasi, bloccando la catena di trasporto degli elettroni e, di conseguenza, la respirazione cellulare.

In conclusione

controllo metabolico = controllo cinetico

gli enzimi = catalizzatori modulabili

gli enzimi = sensori molecolari con attività catalitica

controllo cinetico = controllo enzimatico