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
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