Gli Enzimi
I Catalizzatori delle reazioni
biologiche
S.Miniato 2005
N2
CO2
H2 O
NO2
CO
CH
S.Miniato 2005
Il metabolismo
• 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.
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).
Energia potenziale
delle molecole
Prodotti
Energia assorbita
Reagenti
Quantità
di energia
assorbita
Le reazioni esoergoniche liberano energia e danno
origine a prodotti che contengono meno energia
potenziale dei loro reagenti.
Energia potenziale
delle molecole
Reagenti
Quantità
di energia
liberata
Energia liberata
Prodotti
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
una via metabolica
la glicolisi
la glicolisi
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
Anche le reazioni di sintesi e di degradazione
delle proteine richiedono la presenza di enzimi
enzimi
6 7
8
5
4
9
11
3
12
2 13
1
proteina
amminoacidi
enzimi
Gli enzimi abbassano l’energia di attivazione
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).
Enzima
Barriera EA
Reagenti
Contenitore 1
Prodotti
Contenitore 2
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.
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.
Diagramma di una reazione catalitica che mostra
l'energia richiesta a vari stadi lungo l'asse del
tempo (coordinate di reazione).
Analogie
Enzima e Substrato
Termini:
• Substrato : il reagente
che si lega al sito attivo di
un enzima
substrato
Sito
attivo
• 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
Complesso enzima-substrato
enzima
substrato
Complesso
enzimasubstrato
Enzima
&
prodotti
la catalisi enzimatica
A+B
+
CD
enzima
enzima
Complesso
enzimasubstrato
Ingresso del
substrato nel
siti attivo
enzima
prodotti
Complesso
enzima-prodotti
enzima
Esempio di reazione catalizzata da un enzima
1 Enzima disponibile
con il sito attivo
vuoto
Sito attivo
Glucosio
Substrato
(saccarosio)
Il substrato
2 si lega all’enzima
che subisce
un adattamento indotto
Enzima
(saccarasi)
Fruttosio
H2O
4 I prodotti
vengono liberati
3 Il substrato
si scinde
nei prodotti
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.
Modello dell’ adattamento indotto
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
L’ambiente cellulare influenza l’attività degli enzimi
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).
Inibizione enzimatica
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.
Substrato
Sito attivo
Enzima
Legame normale del substrato
Inibitore
competitivo
Figura 5.8
Inibitore
non competitivo
Inibitore enzimatico
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
controllo cinetico = controllo enzimatico
gli enzimi = catalizzatori modulabili
gli enzimi = sensori molecolari
con attività catalitica