Energia di attivazione

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1 1 ENZIMI Caratteristiche fondamentali della catalisi enzimatica e del meccanismo di azione degli enzimi Componenti strutturali e funzionali degli enzimi Nomenclatura e classificazione internazionale degli enzimi

2 2 Energia di attivazione Y si trova ad uno stato energetico inferiore rispetto a X Conversione X Y termodinamicamente favorevole Ma la reazione non avviene se X non acquisisce sufficiente energia per superare la barriera dell energia di attivazione

3 3 Numero di molecole Distribuzione delle molecole a vari livelli di energia Energia di attivazione Molecole con energia maggiore dell energia di attivazione Energia Aumento di temperatura Presenza di un catalizzatore

4 4 Energia A Energia di attivazione Energia di attivazione senza catalizzatore Stato iniziale Energia di attivazione con catalizzatore Energia liberata dalla reazione P Stato finale

5 5 Enzimi: catalizzatori biologici Si combinano transientemente col substrato e ne abbassano l energia di attivazione Non modificano l equilibrio della reazione, ma solo la velocità con la quale l equilibrio viene raggiunto Non vengono modificati nella reazione, e al termine della reazione sono subito disponibili per catalizzare una nuova reazione Stabilizzano lo stato di transizione e riducono la barriera dell energia di attivazione inserendo stati di transizione di livello energetico più basso

6 6 DNA RNA ribosomi Struttura generale degli enzimi Zimogeno (precursore) Substrato Apoenzima Prodotto Sito attivo ENZIMA ATTIVO Parte non proteica ione metallico o coenzima Sito allosterico Ubiquitina Lisosomi degradazione Effettore allosterico

7 7 Nomenclatura degli enzimi Denominazione classica costituita da 3 parti: Nome del substrato Nome del coenzima Nome della reazione catalizzata + asi Esempio: Lattico NAD deidrogenasi International Enzyme Commission, fondata nel 1956 da Prof. M. Florkin, International Union of Biochemistry: Classificazione degli enzimi secondo il sistema delle classi EC Esempi: Creatin kinasi: EC , adenosintrifosfato : creatin N fosfo trasferasi Lattato deidrogenasi: EC , lattato : NAD+ ossidoreduttasi Ha funzionato bene fino agli anni 90 (circa 3200 enzimi) Esistono circa 20,000 geni, di cui almeno 1/4 1/3 sono enzimi Progetto genoma umano (HUGO):

8 8 Classificazione internazionale degli enzimi 1 ossidoreduttasi: reazioni di ossido riduzione 1.1 agisce sul gruppo CHOH del donatore 1.2 agisce sul gruppo aldeidico o chetonico del donatore 1.3 agisce sul gruppo CH CH del donatore 1.4 agisce sul gruppo CH NH2 del donatore 1.5 agisce sul gruppo C NH del donatore 1.6 agisce su NADH2 o NADPH2 1.7 agisce su altri composti azotati 1.8 agisce su gruppi solforati 1.9 agisce sui gruppi eme

9 9 Classificazione internazionale degli enzimi 1 ossidoreduttasi: reazioni di ossido riduzione 2 transferasi: trasferimento di gruppi chimici da una molecola ad un'altra 2.1 gruppi ad una unità di carbonio 2.2 gruppi chetonici o aldeidici 2.3 gruppi acilici 2.4 gruppi glicosidici 2.5 gruppi alchilici 2.6 gruppi azotati 2.7 gruppi fosforici 2.8 gruppi contenenti zolfo

10 10 Classificazione internazionale degli enzimi 1 ossidoreduttasi: reazioni di ossido riduzione 2 transferasi: trasferimento di gruppi chimici da una molecola ad un'altra 3 idrolasi: reazioni di idrolisi 3.1 legami esterei 3.2 legami glicosidici 3.3 altri legami 3.4 legami peptidici 3.5 legami C N non peptidici 3.6 legami anidridici 3.7 legami C C

11 11 Classificazione internazionale degli enzimi 1 ossidoreduttasi: reazioni di ossido riduzione 2 transferasi: trasferimento di gruppi chimici da una molecola ad un'altra 3 idrolasi: reazioni di idrolisi 4 liasi: reazioni di addizione a doppi legami 4.1 legami C = C 4.2 legami C = O 4.3 legami C = N 4.4 legami C = S

12 12 Classificazione internazionale degli enzimi 1 ossidoreduttasi: reazioni di ossido riduzione 2 transferasi: trasferimento di gruppi chimici da una molecola ad un'altra 3 idrolasi: reazioni di idrolisi 4 liasi: reazioni di addizione a doppi legami 5 isomerasi: reazioni di trasformazione di una molecola nel suo isomero 5.1 racemasi 5.2 cis trans isomerasi

13 13 Classificazione internazionale degli enzimi 1 ossidoreduttasi: reazioni di ossido riduzione 2 transferasi: trasferimento di gruppi chimici da una molecola ad un'altra 3 idrolasi: reazioni di idrolisi 4 liasi: reazioni di addizione a doppi legami 5 isomerasi: reazioni di trasformazione di una molecola nel suo isomero 6 ligasi: reazioni di formazione di nuovi legami con rottura di ATP in AMP e pirofosfato o ADP e Pi 6.1 legami C O 6.2 legami C S 6.3 legami C N 6.4 legami C C

14 14 Classificazione internazionale degli enzimi 1 ossidoreduttasi: reazioni di ossido riduzione 2 transferasi: trasferimento di gruppi chimici da una molecola ad un'altra 3 idrolasi: reazioni di idrolisi 4 liasi: reazioni di addizione a doppi legami 5 isomerasi: reazioni di trasformazione di una molecola nel suo isomero 6 ligasi: reazioni di formazione di nuovi legami con rottura di ATP in AMP e pirofosfato o ADP e Pi

15 15 Struttura primaria e mutazioni genetiche Tutte le funzioni delle proteine necessitano del riconoscimento fra zone della proteina e altre molecole o parti di molecola: Enzima substrato, molecole di adesione membrane, anticorpo antigene etc Il riconoscimento è basato sulla distribuzione dei gruppi R e quindi sulla sequenza degli aminoacidi La zona di riconoscimento e la molecola da riconoscere devono essere complementari in termini di struttura e di carica Ogni alterazione della struttura primaria può impedire il riconoscimento o renderlo difficile, causando disfunzioni più o meno gravi Se ne deriva uno stato patologico, quella mutazione interessa la zona di riconoscimento Se la mutazione è silente (non genera malattie o disfunzioni), è possibile che l'aminoacido mutato non è nella zona di riconoscimento

16 16 Modello Lock and Key: l enzima si combina chimicamente col substrato Il sito attivo è costituito dal negativo del substrato Si formano legami ionici e elettrostatici esatti fra enzima e substrato Riconoscimento spesso tridimensionale Esempio: glicerol kinasi (lega solo glicerolo in forma alfa) Gli enzimi possono distinguere gli stereoisomeri D e L degli aminoacidi

17 Il legame enzima substrato avviene tramite l interazione delle cariche del substrato con alcuni aminoacidi del sito attivo Esempio: proteasi a serina Modifiche della struttura primaria di un enzima possono mutarne l attività causando malattie genetiche 17

18 18 Il legame enzima substrato induce un cambiamento conformazionale nell enzima Esempio: esochinasi senza e con glucosio

19 19 Coenzimi Piccole molecole organiche, spesso derivate da vitamine Si legano con forte affinità a enzima e substrato Spesso fungono da secondo substrato Determinano la specificità della reazione catalizzata

20 20 Adenosin trifosfato (ATP) Coenzima delle chinasi, trasferisce un gruppo Pi al substrato Esempio: Glucosio + ATP Glucosio 6 fosfato + ADP In molte chinasi, il substrato vero è Mg ATP

21 21 Nicotinamide Adenina Dinucleotide (NAD+) Coenzima di deidrogenasi Derivato da niacina Trasferisce un protone da/a substrati: lattato + NAD+ + piruvato + NADH + H Esiste una forma+ fosforilata NADP

22 22 Flavina adenina dinucleotide (FAD) Coenzima di deidrogenasi Derivato da riboflavina (vit. B6) Trasferisce due protoni da/a substrati Esempio: Succinato + FAD Fumarato + FADH2

23 23 Coenzima A Trasportatore e attivatore di gruppi acilici (acidi grassi) e di acetato

24 24 Metalli di transizione (Fe, Zn, Cu, Mn ) Cofattori più che coenzimi Presenti in 2/3 degli enzimi Agiscono come stabilizzatori della proteina e come donatori/ accettori di elettroni (acidi di Lewis), per esempio i citocromi

25 25 Di tutte le reazioni possibili per un substrato, l enzima ne favorisce una sola Gli enzimi forzano le vie metaboliche attraverso reazioni selezionate (ad es: A > B > H > K > N > T > Z) favorendo il flusso unidirezionale di materiale

26 26 CINETICHE CHIMICHE E ENZIMATICHE Studio della velocità di trasformazione dei reagenti in prodotti Effetto della concentrazione di reagente Ordine di una reazione

27 27 Cinetiche chimiche (A P) Concentrazione di prodotto Vt Equilibrio V iniziale d[a] d[p] n velocità = v = = = k[a] dt dt k=costante di velocità n=numero intero 1 3 Tempo

28 28 Cinetiche chimiche (A P) Conc. di prodotto Conc. di substrato Velocità V iniziale V finale Tempo Tempo Tempo

29 29 Effetto della concentrazione di A (A P) A4 > A3 > A2 > A1 [prodotto] Velocità iniziale A4 A3 A2 A1 Tempo A1 A2 A3 A4 [A]

30 30 Cinetiche chimiche vs cinetiche enzimatiche Velocità iniziale Cinetica enzimatica Cinetica chimica [A]

31 31 Ordine di reazione Primo ordine A P v=k[a]1, n=1 Secondo ordine Pseudo primo ordine Ordine zero A + B P v=k[a]1[b]1, n=2 A + B P v=k[a]1[b]1, n=2 ma se [B]»[A], v=k[a]1, n=1 v=k, n=0 v dipende solo dalla concentrazione del catalizzatore

32 32 Ipotesi per l azione degli enzimi N.B.: [S] >> [E] E + S ES EP E + P L enzima si lega col substrato per formare ES: reazione reversibile e relativamente lenta Il complesso ES subisce il cambiamento conformazionale che induce la formazione di P L enzima rilascia P e torna nello stato iniziale La velocità globale è regolata dalla formazione di ES

33 33 Interazione enzima substrato v0 Vmax Se [S] è molto alto, v0 non cambia all aumentare di [S] Ordine 0 Ordine misto 1 ordine Se [S] è alto, v0 è controllata da [E] Se [S] è intermedio, v0 è controllata sia da [S], sia da [E] Se [S] è basso, v0 è controllata da [S] [substrato]

34 34 Raccomandazioni della Commission on Enzyme Nomenclature of the International Union of Biochemistry Attività enzimatica: quantità di substrato convertito per minuto in condizioni standard di temperatura, ph e forza ionica (moli/tempo) 1 katal = 1 mol/s 1 IU = 1 micromole/min Costante catalitica o numero di turnover: attività enzimatica per mole di enzima (moli/tempo/mole enzima) Attività specifica di un enzima: attività enzimatica per mg di proteina (moli/tempo/mg proteina) Espressione di purezza in una preparazione

35 35 Equazione di Michaelis Menten (1913) Vmax [S] v0 = K M + [S] Leonor Michaelis & Maud Menten

36 36 Assunzioni di Michaelis Menten E + S ES E + P 1 solo substrato Fattore limitante: formazione di ES Tutto E ES Non esiste E libero E saturo di S ES stazionario

37 37 Ipotesi v0=vmax/2 K = [S] quando v =V E una concentrazione M 0 /2 max (dimensioni moli/litro) E indipendente da [E] Vmax [S] v0 = K M + [S] Vmax Vmax [S ] = 2 K M + [S] 1 [S] = 2 K M + [S] K M + [S] = 2 [S] K M = [S]

38 38 Rappresentazione grafica delle reazioni enzimatiche v0 Vmax Vmax/2 KM [S]

39 39 Trasformazione di Lineweaver Burk Vmax [S] v0 = K M + [S] 1 K M + [S] = v0 Vmax [S] 1 KM [S] = + v0 Vmax [S] Vmax [S] Y 1 KM 1 1 = + v0 Vmax [S] Vmax X

40 40 Rappresentazione grafica delle reazioni enzimatiche 1 KM 1 1 = + v0 Vmax [S] Vmax 1/v0 1/Vmax 1/KM 1/[S]

41 41 Rappresentazione grafica delle reazioni enzimatiche Grafico di Lineweaver Burk V0 1/V0 Vmax Vmax/2 1/Vmax KM [S] 1/KM 1/[S]

42 42 REGOLAZIONE DELL ATTIVITÀ ENZIMATICA Necessità fisiologica della regolazione dell attività enzimatica Controllo del livello di enzima Modulazione dell attività dell enzima

43 43 Il buon funzionamento della cellula richiede che le varie attività enzimatiche siano regolate In condizioni di stato stazionario, i processi cellulari non funzionano mai al massimo delle loro capacità, ma possono anche venire completamente disattivati in alcune condizioni Ciò consente di: non produrre prodotti inutili economizzare l energia cellulare aumentare rapidamente l attività quando necessario

44 44 Reversibilità delle reazioni enzimatiche L enzima favorisce il raggiungimento dell equilibrio, quindi in teoria catalizza anche la reazione inversa A B Ma, se B è substrato di una reazione successiva, la prima reazione diventa praticamente irreversibile A B C Ciò vale per catene anche molto lunghe di reazioni (catene enzimatiche) A B C D E Anche se le singole reazioni enzimatiche sono reversibili (specie quelle con G 0), in pratica il flusso è unidirezionale perché il prodotto di una reazione funge da substrato per la reazione successiva Spesso il prodotto terminale di una sequenza di reazioni (E) inibisce il deflusso della stessa catena a livello della prima reazione A B L accumulo di E chiude il rubinetto La mancanza di E riapre il rubinetto A B C D E

45 45 Caratteristiche generali delle reazioni regolatorie G<<0 (maggior efficacia) Precoci nella catena enzimatica Inibizione o regolazione da parte del prodotto finale Gli enzimi coinvolti sono spesso multimerici Capacità catalitica = (concentrazione di enzima) x (efficienza catalitica)

46 46 Controllo della concentrazione di enzima (regolazione lenta) Regola generale: Tutte le strutture cellulari ed extracellulari (ad eccezione dell eritrocita umano) sono sottoposte a ricambio ed equilibrio dinamico Quindi, ad ogni istante, il livello di un enzima dipende da: Velocità di sintesi della proteina Velocità di trasformazione da zimogeno (o pro enzima) in enzima attivo Velocità di degradazione

47 47 Velocità di sintesi Può aumentare in seguito all accumulo intracellulare del substrato (es: operon del lattosio) Può aumentare in presenza di induttori gratuiti senza relazione col substrato Può essere repressa dai prodotti terminali della catena enzimatica (es: alcuni aminoacidi (His, Leu), effetto glucosio in E.coli)

48 48 Chimotripsinogeno chimotripsina

49 49 Attivazione degli zimogeni pancreatici mediante taglio proteolitico

50 50 Funzioni biologiche della proteolisi ubiquitina dipendente Regolazione del ciclo cellulare Essenziale per uscire dalla fase mitotica e separare i cromosomi durante mitosi e meiosi Malfunzionamenti causano formazione di cellule con numero anomalo di cromosomi (Down e tumori solidi) Riparazione del DNA, cancro e apoptosi Essenziale per mantenere il livello di p53 (il guardiano del genoma) Risposte immunologiche e infiammatorie Regolazione di NF kb (fattori di trascrizione) per attivare l espressione genica Generazione di peptidi MHC (difesa contro le infezioni virali) Fibrosi cistica Coinvolta nella mutazione di CFTR (transmembrane conductance regulator)

51 51 Compartimentalizzazione Si può ottenere un forte aumento di concentrazione di molecole compartimentalizzandole in una zona delimitata da una membrana

52 52 Modulazione dell attività dell enzima (regolazione veloce) ph Temperatura Inibizione reversibile ed irreversibile: Competitiva Non competitiva Uncompetitiva Modificazioni allosteriche Modificazioni covalenti

53 53 ph e attività enzimatica Ogni enzima ha il suo ph ottimale Il ph ottimale può non corrispondere col ph in cui si trova l enzima Attività ph

54 54 Temperatura e attività enzimatica à Attivit Aumento dovuto alla temperatura ( ogni 10 C) 0 Diminuzione dovuta alla denaturazione della proteina Risultato Temperatura Per ogni enzima, esiste una temperatura ottimale La temperatura ottimale può non corrispondere con la temperatura in cui si trova l enzima (37 C)

55 55 Inibizione competitiva e non competitiva Competitiva: Non competitiva: S e I si legano al sito attivo, Quando E lega I, cambia la EI è inattivo conformazione e diventa inattivo

56 56 Inibizione competitiva I simile a S, compete con S per il sito attivo di E Inibizione reversibile all aumentare di [S] V non cambia, K aumenta max M v0 1/v0 Vmax inibitore inibitore Vmax/2 1/Vmax KM [S] 1/KM 1/[S]

57 57 Esempi di inibizione enzimatica competitiva CH3OH CH3 CH2OH Metanolo Etanolo

58 58 Esempi di inibizione enzimatica competitiva Metotrexato o antifolato, antileucemico che rallenta la biosintesi di purine e pirimidine

59 59 Esempi di inibizione enzimatica competitiva Fluorouracile, analogo della mercaptopurina

60 60 Esempi di inibizione enzimatica competitiva Substrati suicidi o antimetaboliti, prevengono la reazione col substrato e/o disattivano l enzima Penicillina inibisce transpeptidasi che stabilizza le membrane batteriche

61 61 Inibizione non competitiva I reagisce su un sito diverso dal sito attivo Tende a disattivare E Inibizione non reversibile all aumentare di [S] K non cambia, V diminuisce M max v0 1/v0 inibitore inibitore Vmax 1/Vmax Vmax/2 KM [S] 1/KM 1/[S]

62 62 Esempi di inibizione non competitiva Degradazione proteica (temperatura, estremi di ph) Molti veleni e composti mercuriali (reagiscono con SH dei residui di Cys) Cianuro, reagisce con gli ioni metallici degli enzimi della catena respiratoria Diisopropil fluorofosfato (Sarin), gas nervino, inibisce gli enzimi contenenti Ser (acetilcolinesterasi)

63 63 Inibizione uncompetitiva I si lega al complesso ES

64 64 Inibizione uncompetitiva L inibitore reagisce con il complesso ES Cambiamenti simultanei di K e V M max V0 1/V0 + inibitore Vmax + inibitore 1/Vmax KM [S] 1/KM 1/[S]

65 65 Modificazioni covalenti degli enzimi La fosforilazione AUMENTA l attività di alcuni enzimi Glicogeno fosforilasi, citrato liasi, fosforilasi b chinasi, HMG CoA reduttasi chinasi e altri... La fosforilazione DIMINUISCE l attività di altri enzimi Acetil CoA carbossilasi, glicogeno sintasi, piruvato deidrogenasi, HMG CoA reduttasi e altri...