Le reazioni chimiche biologiche e gli enzimi

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1 Le reazioni chimiche biologiche e gli enzimi LEZIONE NR. 6 - PSICOBIOLOGIA

2 Le reazioni chimiche consistono in interazioni interatomiche che si svolgono a livello dei loro orbitali, e quindi differenti dalle reazioni nucleari (fusione e fissione) che coinvolgono i cambiamenti a livello del nucleo degli atomi. Nel caso delle molecole biologiche, le reazioni chimiche avvengono in genere fra atomi appartenenti a due molecole differenti, anche se nel caso delle macromolecole è possibile che avvengano reazioni chimiche fra atomi che la compongono. Come tutti i fenomeni fisici del nostro universo, anche le reazioni chimiche biologiche devono obbedire ai principi della termodinamica.

3 1) La quantità totale di energia di un sistema e di un ambiente che lo circonda, rimane sempre costante di conseguenza, qualsiasi siano le trasformazioni che coinvolgono il sistema a l ambiente, non ci sarà mai ne distruzione ne creazione di energia. 2) Tutte le trasformazioni energetiche sono SEMPRE accompagnate dalla dissipazione nell ambiente, sotto forma di calore, di una parte dell energia libera ovvero l energia utilizzabile per compiere un lavoro. Questo fenomeno viene misurato in accordo col concetto di entropia = disordine. Questo implica che un qualsiasi sistema e l ambiente che lo circonda, vedranno sempre l entropia aumentare e l energia libera diminuire. Tuttavia la materia vivente è in grado di controllare i flussi e la direzione di energia libera che vengono scambiati con l ambiente.

4 Assumendo continuamente sostanze in grado di fornire energia: Organismi fotosintetici Organismi chemiosintetici Organismi eterotrofi

5 Trattenendo all interno del corpo il calore che dovrebbe essere dissipato verso l esterno: Piumaggio Pelo Strato adiposo

6 In cosa consistono le reazioni chimiche nello specifico? Immagine 3.1 Basi biologiche Esse sono riarrangiamenti atomici conseguenti ad urti fra le molecole. Infatti un impatto fra due o più molecole, denominati reagenti genera energia cinetica che può anche essere utilizzata come energia chimica atta a rompere i legami delle molecole reagenti ed a formarne di nuovi con diverse conformazioni dando vita a nuove molecole chiamate prodotti.

7 Ovviamente non tutti gli impatti fra molecole danno vita a reazioni chimiche. Affinché ciò avvenga è necessario che i reagenti si urtino fra loro in maniera appropriata. Immagine 3.2 Basi biologiche - Giusto posizionamento relativo - Giusta velocità Se questi parametri sono corretti, forniscono congiuntamente la giusta energia di attivazione

8 Tipologie di reazioni chimiche

9 Caratteristiche delle reazioni chimiche Ogni reazione chimica ha delle precise caratteristiche che bisogna aver presente: Velocità della reazione Energia della reazione Direzione della reazione

10 Velocità Questa viene misurata in quantità di molecole di prodotto che vengono prodotte in ogni unità di tempo. Es. 0,05 moli/minuto oppure moli/secondo. La velocità dipende in massima parte da due parametri: Temperatura in genere l aumento di calore accelera la probabilità che due molecole impattino Concentrazione maggiore è la quantità di molecole in un solvente più è probabile che si incontrino Es. Rettili oppure la febbre

11 Energia Essa è misurabile confrontando il contenuto energetico dei prodotti con il contenuto energetico dei reagenti. Se il contenuto energetico dei prodotti < reagenti, si parla di reazione esoergonica o spontanea. L energia fluisce dai reagenti all ambiente. Se il contenuto energetico dei prodotti > reagenti, si parla di reazione endoergonica o indotta. L energia fluisce dall ambiente ai reagenti. Immagine 3.3 Basi biologiche

12 Esempio concreto: Cambio di livello di masse d acqua. Se dobbiamo portare l acqua da un livello inferiore ad uno superiore. Servirà energia che sarà divisa in due parti: 1. L energia effettivamente necessaria a spostare l acqua (secchi, idropompa) 2. Energia persa sotto forma di calore (calore che si genera nel corpo umano per fatica, o nell idropompa per attrito ingranaggi) Reazione endoergonica

13 Esempio concreto: Cambio di livello di masse d acqua. La caduta dell acqua da un livello superiore ad uno inferiore è un fenomeno spontaneo che genera energia cinetica che a sua volta sarà divisa in due parti: 1. Una parte che potrà essere utilizzata per un lavoro (ruota di un mulino) 2. Energia persa sotto forma di calore (calore che si genera sui massi sul fondo della cascata) Reazione esoergonica

14 La soglia di attivazione Nonostante come detto, alcune reazioni chimiche possano essere spontanee, questo negli organismi biologici avviene molto raramente. Es. le molecole del nostro corpo non si trasformano in CO 2 ed H 2 O nonostante questa trasformazione dal punto di vista esoergonico sia molto favorevole. Immagine 3.4 Basi biologiche Questo avviene perché anche le reazioni esoergoniche hanno bisogno di una iniziale somministrazione di energia, che verrà poi interamente restituita durante la reazione chimica. Es. bruciare un foglio di carta

15 Direzione Ciò che definisce una molecola come reagente o viceversa come prodotto è la direzione entro la quale la reazione chimica avviene. Le molecole collidono e l energia che ne deriva, forma uno stato intermedio chiamato complesso attivato che ha due possibili vie di evoluzione Portare a termine la reazione (condizione energetica più stabile) Regredire alla condizione iniziale (condizione energetica più stabile) Pertanto una reazione chimica è teoricamente sempre reversibile. E la direzione in cui essa procederà dipende da molti fattori, il più importante fra i quali è la concentrazione dei reagenti rispetto a quella dei prodotti.

16 Direzione

17 La reazione chimica nelle cellule organiche La probabilità di inizio e la velocità di una reazione chimica, come detto in precedenza, dipendono dalla temperatura e dalla concentrazione. Tuttavia le cellule non hanno la possibilità di modificare autonomamente e facilmente tali parametri. Per questa ragione, l evoluzione ha dotato gli organismi di catalizzatori che hanno il compito di abbassare la soglia di attivazione di ciascuna reazione, in modo tale che i reagenti che presentano il contenuto energetico adatto a dare il via alla reazione, aumenti. Tali sostanze: 1) Si legano in modo altamente specifico ai reagenti di una data reazione chimica, abbassandone la soglia di attivazione. 2) Non entrano a far parte della reazione e non ne determinano la direzione di svolgimento 3) Non si «consumano» nel corso della reazione, e quindi al termine tornano nuovamente disponibili per ulteriori cicli di reazioni.

18 A parte il caso dei ribozimi (molecole di RNA, coinvolte in alcune fasi di trascrizione e traduzione) i catalizzatori biologici sono sempre delle proteine, denominate enzimi. Gli enzimi sono proteine in grado di riconoscere in modo specifico come reagenti determinate molecole così da poter dare il via a determinate reazioni chimiche. In genere il nome dell enzima dipende dalla reazione chimica che andrà a catalizzare, definita dalla desinenza -asi (es. DNA-polimerasi).

19 La capacità degli enzimi di catalizzare le reazioni chimiche nella materia vivente, dipende in gran parte dal fatto che essendo proteine, sono contraddistinti da una forma tridimensionale data loro dalla struttura terziaria (o quaternaria). Questa struttura consente di avere varie regioni dell enzima che possono interagire in maniera reversibile o stabile con i reagenti (substrato), con fattori che regolano la funzione enzimatica o che ne dirigono la localizzazione intra-cellulare. Immagine 3.8 Basi biologiche In particolare ogni enzima ha una regione chiamata sito attivo che media il riconoscimento stereo-specifico dell enzima, con il substrato. L insieme dell enzima e del substrato, forma il complesso ES

20 Un valido modello di spiegazione dell interazione fra enzima e substrato è stato offerto da Fisher all inizio del XX secolo, ed è stato definito modello chiave serratura. Tale modello spiega come gli enzimi possano avere diversi gradi di specificità nei confronti delle molecole substrato. Alta specificità, accoglie quasi interamente le molecole del substrato. Questo fa in modo che solo e solamente quelle molecole riescano a legarsi all enzima, dando il via alla reazione chimica. Bassa specificità, accoglie solo una porzione dell intera molecola del substrato. Questo fa in modo che molecole diverse fra loro, ma con una parte in comune, che riesce a legarsi all enzima, possano dare il via alla reazione chimica.

21 Il ruolo del complesso enzima-substrato è quello di abbassare la soglia di attivazione della reazione. Questo avviene poiché l enzima mantiene fermi i reagenti in una posizione favorevole, nella quale la maggior parte degli urti fra le loro molecole, riesce a dare il via alla reazione. In conclusione, la presenza di un enzima, consente alla reazione chimica di svolgersi ad elevata velocità minimizzando l energia necessaria per il suo innesco. Immagine 3.9 Basi biologiche

22 Tuttavia, come detto in precedenza l enzima può dare il via alla reazione chimica ma non ne può influenzare la direzione. Ciò vuol dire che la regola esposta in precedenza circa la concentrazione di reagenti e prodotti, rimane valida e che il complesso ES, come risultato potrà avere la formazione dei prodotti, ma anche il ritorno ai singoli reagenti. Per ovviare a tale problema, gli enzimi dopo aver legato a loro i reagenti, vanno incontro ad un cambiamento conformazionale che può portare con più probabilità alla formazione dei prodotti. Immagine 3.10 Basi biologiche

23 La regolazione enzimatica Talvolta il sito attivo, oltre ad ospitare i reagenti, può anche ospitare altre molecole chiamate inibitori enzimatici. Si tratta di molecole molto simili a quelle che creano il normale substrato dell enzima, ma che creano un diverso complesso chiamato E-I. A differenza dei reagenti, gli inibitori non vengono trasformati in prodotti dalla reazione chimica. In alcuni casi gli inibitori sono presenti nella cellula e vengono utilizzate da queste ultime per regolare l attività enzimatica. Più frequentemente queste sostanze vengono introdotte dall esterno dell organismo (farmaci o sostanze velenose). Immagine 3.11 Basi biologiche

24 Acido acetilsalicilico, derivato artificiale di acido salicilico, presente nella corteccia e nelle foglie del salice. È un inibitore degli enzimi ciclo-ossigenasi 1 e 2 che catalizzano le prostaglandine che danno inizio alla risposta infiammatoria. In particolare l aspirina diminuisce la produzione delle prostaglandine a livello dell ipotalamo che è il centro regolatore di tutta la temperatura corporea.

25 Gli inibitori enzimatici inoltre si possono classificare in inibitori competitivi e non competitivi. Sulla base della stabilità del complesso E-I che essi formano. Se il complesso E-I è instabile, dopo breve tempo si romperà liberando nuovamente l enzima che avrà il sito attivo libero di accogliere nuovamente un altra molecola. Se la molecola è un reagente avrà inizio la reazione, se è un inibitore, l enzima sarà bloccato ancora una volta temporaneamente. La probabilità del nuovo legame, dipende come sempre dalla concentrazione dei reagenti o degli inibitori (per tale ragione questi inibitori vengono definiti competitivi). A causa della loro bassa tossicità gli inibitori competitivi sono il principio attivo di molti farmaci utilizzati per l uomo. Se il complesso E-I è stabile. L enzima viene attivato in maniera permanente e l unico rimedio che la cellula ha di attivare nuove reazioni chimiche utili è quella di sintetizzare nuovi enzimi. Immagine 3.12 Basi biologiche A causa della elevata tossicità, gli inibitori non-competitivi, sono frequenti componenti dei veleni rilasciati da animali o piante.

26 Abbiamo visto che gli enzimi possono essere inattivati in maniera reversibile o irreversibile. Ma questi possono anche essere attivati, consentendo così alla cellula di regolarne le funzioni. Ma in cosa consistono di preciso tali regolazioni? In genere sono quasi tutte modificazioni post-traduzione. Ve ne sono di 6 tipologie. E possono agire in maniera singola, contemporanea o sequenziale su ogni enzima. 1) Attivazione mediante taglio proteolitico 2) Attivazione mediante unione con un cofattore 3) Assemblaggio di sub-unità 4) Traslocazione intracellulare 5) Attivazione/Inattivazione mediante cambiamento delle cariche elettriche 6) Regolazione allosterica

27 1) Attivazione mediante taglio proteolitico 2) Attivazione mediante unione con un cofattore 3) Assemblaggio di sub-unità 4) Traslocazione intracellulare 5) Attivazione/Inattivazione mediante cambiamento delle cariche elettriche 6) Regolazione allosterica La cellula genera un pro-enzima inattivo, che diventerà attivo solo a seguito del taglio di una parte della sua catena polipeptidica. Molti enzimi della catalisi proteolitica del tubo digerente funzionano in questo modo.

28 1) Attivazione mediante taglio proteolitico 2) Attivazione mediante unione con un cofattore 3) Assemblaggio di sub-unità 4) Traslocazione intracellulare 5) Attivazione/Inattivazione mediante cambiamento delle cariche elettriche 6) Regolazione allosterica In questo caso l enzima non si attiva solo dopo l unione con i reagenti, ma è necessario che vi si leghi anche un cofattore. Ad esempio nel neurone, l enzima PKA (proteinchinasi A), implicato nei processi di trasduzione del segnale, viene attivato dal legame con il nucleotide camp (AMP ciclico)

29 1) Attivazione mediante taglio proteolitico 2) Attivazione mediante unione con un cofattore 3) Assemblaggio di sub-unità 4) Traslocazione intracellulare 5) Attivazione/Inattivazione mediante cambiamento delle cariche elettriche 6) Regolazione allosterica Singole sub-unità, ognuna delle quali inattiva vengono unite fra loro per formare l enzima completo che diverrà attivo. Un esempio a livello dei neuroni è rappresentato dall enzima adenilato ciclasi che produce il camp partendo dall ATP. Di per sé questo enzima è inattivo, ma quando gli viene assemblata una subunità alpha s, presa dalla proteina G che gli è accanto, allora l enzima si attiva.

30 1) Attivazione mediante taglio proteolitico 2) Attivazione mediante unione con un cofattore 3) Assemblaggio di sub-unità 4) Traslocazione intracellulare 5) Attivazione/Inattivazione mediante cambiamento delle cariche elettriche 6) Regolazione allosterica La molecola enzimatica viene trasportata da un sito intracellulare nel quale non poteva essere attiva, ad un secondo sito intracellulare nella quale può esplicare la propria funzione Es. gli enzimi della fosforilazione ossidativa iniziano a funzionare dopo essere stati trasportati nei mitocondri.

31 1) Attivazione mediante taglio proteolitico 2) Attivazione mediante unione con un cofattore 3) Assemblaggio di sub-unità 4) Traslocazione intracellulare 5) Attivazione/Inattivazione mediante cambiamento delle cariche elettriche 6) Regolazione allosterica Vengono aggiunti o sottratti gruppi funzionali carichi dal punto di vista elettrico, come i gruppi fosfati. Troviamo quindi nuovamente i processi di fosforilazione e defosforilazione che in genere riguardano gli amminoacidi serina, treonina o tirosina. Es. proteinchinasi o fosfatasi.

32 1) Attivazione mediante taglio proteolitico 2) Attivazione mediante unione con un cofattore 3) Assemblaggio di sub-unità 4) Traslocazione intracellulare 5) Attivazione/Inattivazione mediante cambiamento delle cariche elettriche 6) Regolazione allosterica Riguarda una particolare tipologia di enzimi (in genere metabolici) che sulla loro superfice oltre ad avere il sito attivo che accoglie il substrato, hanno anche un secondo sito di legame, chiamato per l appunto sito allosterico che lega gli effettori allosterici che possono essere distinti in: Immagine 3.13 Basi biologiche Inibitori allosterici Attivatori allosterici L azione di queste seconde molecole di ligando, può essere esplicata solo se il sito attivo è libero e viceversa, per via dei cambiamenti conformazionali indotti da entrambi i legami.

33 1) Attivazione mediante taglio proteolitico 2) Attivazione mediante unione con un cofattore 3) Assemblaggio di sub-unità 4) Traslocazione intracellulare 5) Attivazione/Inattivazione mediante cambiamento delle cariche elettriche 6) Regolazione allosterica Enzima chiave Esempio di catena metabolica Regolazione a feed-back Immagine 3.14 Basi biologiche Diventa inibitore allosterico dell enzima chiave

34 Abbiamo visto come gli enzimi vengono regolati. Tuttavia fra l enorme quantità di enzimi che sono presenti nelle cellule del nostro organismo, ve ne sono alcuni che non vengono regolati. Ciò vuol dire che alla cellula basta produrre quel determinato enzima per ottenere in modo automatico i prodotti della reazione chimica che andrà a catalizzare l enzima in questione. In poche parole agisce come un interruttore ON/OFF Tali enzimi vengono definiti come dotati di attività costitutiva Un esempio concreto è rappresentato dai neuroni catecolaminergici. Alcuni fra questi neuroni possono sintetizzare un enzima chiamato dopamina-b-idrossilasi, che catalizza una trasformazione della dopamina in noradrenalina, e vengono quindi detti neuroni noradrenergici. Altri neuroni non codificano questo enzima, e quindi non avviene questa reazione la dopamina rimane dopamina ed i neuroni vengono definiti dopaminergici.