Gli enzimi
In alcune reazioni chimiche il contenuto energetico dei prodotti
della reazione è complessivamente maggiore di quello dei reagenti.
Perché avvenga la reazione è necessario fornire energia
Queste reazioni si chiamano endoergoniche
In in altre reazioni chimiche il contenuto energetico dei prodotti
della reazione è minore di quello dei reagenti.
Quando la reazione chimica avviene si ha liberazione di energia
Queste reazioni si chiamano esoergoniche
Non è detto che perché una reazione è esoergonica
essa debba obbligatoriamente avvenire
Ad esempio la reazione che ha luogo durante la combustione di un
fiammifero è fortemente esoergonica ma perché avvenga occorre
inizialmente aggiungere energia per superare una barriera di
attivazione (sfregando la capocchia si produce calore)
Reagenti
Energia di attivazione
Energia potenziale
Prodotti
Nelle reazione esoergoniche il livello energetico dei reagenti è superiore a
quello dei prodotti della reazione. Tuttavia se vi è una energia di
attivazione da superare abbastanza grande, può accadere che solo poche
molecole in ogni istante posseggano sufficiente energia per superarla
Aumentando la temperatura e l’agitazione molecolare un numero sempre
maggiore di molecole riesce a superare l’energia di attivazione facendo
decorrere interamente una reazione nella direzione del minor contenuto
energetico
Tuttavia questo innalzamento della temperatura potrebbe essere
incompatibile con la vita di una cellula
Energia di attivazione
Energia potenziale
Particolari sostanze chiamate
catalizzatori sono ingrado di
favorire
le
reazioni
esoergoniche
abbassando
l’energia di attivazione e
aumentando la velocità della
reazione
(pur
senza
partecipare)
Gli enzimi sono molecole proteiche che fungono da catalizzatori
chimici. Essi sono dei catalizzatori biologici
Gli enzimi aumentano la velocità delle reazioni chimiche abbassando
l’energia di attivazione
Grazie agli enzimi possono avvenire, a temperatura compatibili con la
vita, reazioni che altrimenti avverrebbero solo ad alte temperature
Grazie agli enzimi possono avvenire negli esseri viventi reazioni che
altrimenti avverrebbero con grande emissione di energia
Grazie agli enzimi possono avvenire anche reazioni endoergoniche
mediante l’accoppiamento di queste con reazioni esoergoniche
Esistono migliaia di diversi tipi di enzimi ognuno specifico per una data
reazione chimica
Il nome della maggior parte degli enzimi è caratterizzato
dalla presenza del suffisso –asi (es. DNA-polimerasi)
Reazioni
esoergoniche
L’enzima agisce essenzialmente abbassando
l’energia di attivazione della reazione
L’enzima agisce formando uno specifico complesso enzima substrato. Esso
possiede un sito attivo nel quale solo quel particolare substrato si adatta
1)
Orienta
correttamente
nello spazio le
molecole che
devono reagire
2) Forma molteplici
legami deboli con il
substrato modificando
la
configurazione
elettrica e la forza dei
legami nel substrato
Reazioni endoergoniche
Gli enzimi permettono inoltre
che
avvengano
reazioni
endoergoniche
mediante
l’accoppiamento con reazioni
che liberano energia
Nelle reazioni endoergoniche
catalizzate da enzimi quasi sempre
entra in gioco la molecola
dell’ATP (adenosintrifosfato) una
molecola con tre atomi di fosforo
che all’occorrenza ne può perdere
uno liberando energia
Nell’idrolisi da ATP (tre gruppi fosfato) ad ADP (due gruppi fosfato) si ha
liberazione di una grande quantità di energia che era contenuta nel legame
fosforico. Questa energia può essere usata per far decorrere una reazione
endoergonica
Nei
mitocondri
Ovunque
nella
cellula
La stessa molecola può essere riusata moltissime volte. L’ADP infatti viene
riconvertito in ATP utilizzando specifiche reazioni esoergoniche in
particolare quelle connesse con la respirazione (nei mitocondri)
In altre parole l’enegia contenuta nei cibi che mangiamo viene utilizzata per
produrre ATP (tramite la respirazione nei mitocondri). L’ATP in seguito
viene utilizzato quale molecola di scambio per tutti i processi della cellula
che richiedono energia.
• Metabolismo -Reazioni chimiche endoergoniche
• Movimento (es muscolo, movimento ciliare)
• Pompe di membrana (per mantenere la concentrazione di soluti)
• Mantenimento della temperatura corporea
In altri casi l’enzima possiede due siti attivi e catalizza due reazioni
enzimatiche una endoergonica e una esoergonica la quale serve
sostanzialmente a fornire energia alla prima reazione
Endoergonica
Energia
Esoergonica
Vie metaboliche
Il metabolismo è organizzato in vie metaboliche
Enzima A
Enzima B
Enzima C
X
Enzima E
Z
Le vie metaboliche possono biforcarsi
Se è presente solo l’enzima B allora si produrra la molecola X. Se è presente
l’enzima D si produrrà la molecola Z. Se sono presenti entrambi ci saranno
entrambi i prodotti finali in proporzione alla presenza dei diversi enzimi
Cinetica
enzimatica
La velocità di una reazione catalizzata da un
enzima cresce con la concentrazione del substrato
velocità
Ciò è dovuto essenzialmente al fatto che tanto più concentrato è il
substrato tanto più spesso una molecola di questo entra nel sito attivo
All’inizio la velocità
della reazione aumenta
rapidamente con la
concentrazione
del
substrato.
In seguito continuando
ad aggiungere substrato
si ottiene solo un
modesto incremento
Saturazione dell’enzima
Si arriva infine ad un punto
un cui continuando ad
aggiungere substrato non si
ottiene più alcun aumento
della velocità della reazione
Concentrazione del substrato
Date queste caratteristiche della cinetica enzimatica, quando il
substrato è presente in eccesso saranno la concentrazione dell’enzima
e la sua affinità con il substrato (in molti enzimi questa può essere
variata) a determinare il decorrere di una data reazione
Regolazione della funzione enzimatica
L’azione degli enzimi è regolata da una gran quantità i fattori
legati ai bisogni della cellula e alla disponibilità dei composti.
Ci sono essenzialmente due modi per regolare l’attività di una
determinata via metabolica
1) Si può controllare la produzione di un dato enzima
aumentandola o diminuendola tramite un’azione sui
meccanismi di regolazione del gene
1) Si può agire direttamente sulla funzionalità di un dato
enzima agendo su uno dei suoi siti attivi
Si supponga ad esempio che ci sia un accumulo nella cellula della sostanza X
La sostanza X (o un suo metabolita) possono agire:
1) inibendo l’attività dell’enzima B
2) inibendo la sintesi dell’enzima B
3) aumentando la sintesi dell’enzima D
DNA
-Enzima A
Enzima B
--
Enzima C
X
Enzima E
Z
DNA
+
Inibizione della attività di un enzima
Come può fare la sostanza X ad inibire un enzima che si
trova a monte del processo metabolico che la produce?
Ci sono essenzialmente due modi:
1) Inibizione competitiva
2) Inibizione non competitiva
L’inibitore competitivo occupa
lo stesso sito attivo che
normalmente occupa il substrato
in tal modo impedendo al
substrato stesso di accedervi.
Normalmente
gli
inibitori
competitivi sono chimicamente
affini al substrato (ma non sempre)
Substrato
Enzima
Inibitore
competitivo
L’inibitore non competitivo occupa un altro sito, chiamato sito allosterico
Quando il competitore si attacca al sito allosterico l’enzima modifica la
sua forma o la distribuzione delle sue cariche in modo tale che il
substrato non si combina più con il sito attivo
Substrato
Substrato
Enzima
Enzima
Sito allosterico
Inibitore
non
competitivo
Molte tossine e veleni sono inibitori enzimatici
(sia competitivi che non)
Gli inibitori naturali (il cui scopo è regolare il metabolismo) si
legano reversibilmente ai siti dell’enzima. Al contrario veleni e
tossine spesso si legano irreversibilmente bloccando ogni
ulteriore attività enzimatica
Isozimi
Gli isozimi o isoenzimi sono forme leggermente diverse dello
stesso enzima (possono avere uno o più aminoacidi di differenza)
Uno dei vantaggi degli eterozigoti * è la presenza di isozimi
Si supponga ad esempio che l’enzima A1 funzioni in modo ottimale a 20
gradi di temperatura mentre la forma A2 lavori meglio a 30 gradi
Gli
individui
che
possiedono A1 saranno
favoriti a 20 gradi mentre
quelli che hanno A2
saranno favoriti a 30 gradi
Gli individui hanno una
mistura di A1 e A2
potranno vivere in un
ambito di temperature
più ampio
* Ogni individuo possiede due copie dello stesso gene che possono essere
identiche (omozigoti) o diverse tra loro (eterozigoti) vedi Genetica
Combustione
Cellulosa + Ossigeno
Acqua + Anidride carbonica
ENERGIA (calore)
Respirazione cellulare
Glucosio + Ossigeno
Acqua + Anidride carbonica
ENERGIA (ATP)
Le cellule ottengono energia dalla reazione del glucosio con l’ossigeno
attraverso molti passaggi metabolici che avvengono nei mitocondri
C6H12O2 + 6 O2
6 H2O + 6 CO2
32 molecole di ATP
Respirazione di animali e piante
C6H12O2 + 6O2
6H2O + 6CO2
ATP per i processi cellulari
Fotosintesi clorofilliana
C6H12O2 + 6O2
6H2O + 6CO2
Energia solare