Enzimi e loro ruolo nel metabolismo

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Umberto Giusti
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1 Enzimi e loro ruolo nel metabolismo

2 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

3 Enzimi Proteine capaci di innalzare, (si può arrivare a volte) la velocità di reazioni chimiche termodinamicamente possibili, senza alterarne la costante di equilibrio. Reagenti Enzima Prodotti

4 Gli enzimi trovano numerose applicazioni dalle scienze biomediche al comparto agroalimentare, dalla ricerca scientifica al mondo della produzione industriale.

5 Usi industriali degli enzimi Tessile Detergenti Agroalimentare Proteasi, cellulasi, lipasi Cellulasi, amilasi, perossidasi Pectinasi, amilasi.. Amilasi, xilanasi, lipossigenasi Proteasi, cellulasi, lipasi Lignasi, proteasi

6 Dove sono localizzati gli enzimi? Enzimi intracellulari (es.citoplasmatici, mitocondriali, lisosomiali etc ) Enzimi extracellulari (es. Enzimi plasmatici o secreti dalle cellule in diversi liquidi biologici)

Localizzazione Intracellulare degli Enzimi Gli enzimi si possono trovare: Liberi nel citoplasma delle cellule di diversi tessuti ed organi Confinati

7 Localizzazione Intracellulare degli Enzimi 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.

8 Via metabolica

9 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.

10 Enzimi: catalizzatori biologici Reazione non catalizzata DG* Reazione catalizzata X DG DG* Y Si combinano transientemente col substrato e abbassano l energia di attivazione Non spostano l equilibrio della reazione, ma aumentano la velocità con cui l equilibrio viene raggiunto Non subiscono modificazioni permanenti durante la reazione e sono subito disponibili per catalizzare una nuovo ciclo di reazione

11 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

12 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

13 Enzimologia. I protagonisti della ricerca Pasteur Prima della Leonor Michaelis and Maud Menten, who together pioneered the development of enzyme kinetics by formulating the Michaelis-Menten equation to describe the action of enzymes.

14 Cinetica Enzimatica S = Substrato P= prodotto Complesso enzimasubstrato E + S ES EP E + P

15 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.

17 Enzimi e Specificità di substrato. Tutti gli enzimi presentano il fenomeno della 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.

18 Specificità degli enzimi struttura del sito attivo: sito di legame, residui di alcuni aminoacidi accolgono e legano il substrato (legami a idrogeno, ponti salini, interazioni idrofobiche) sito catalitico, costituito da residui di aminoacidi che partecipano alla catalisi

19 Specificità l'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 July 1919)

20 Modello : ipotesi della serratura e della chiave 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.

21 Modello dell adattamento indotto L avvicinamento del substrato all enzima modifica la struttura di quest ultimo e migliora la interazione con esso A catalisi avvenuta l enzima riacquista la conformazione iniziale.

23 Fonte: Pearson Education 2011

24 Meccanismi molecolari Catalisi acido-base Stabilizzazione di intermedi carichi mediante trasferimento di ioni H + o OH - esempio: Nel sito attivo di un enzima possono essere presenti residui amminoacidici che fungono da donatori o accettori di protoni. Catalisi covalente Coinvolge la formazione di un legame covalente transitorio tra l enzima ed il substrato Catalisi da ioni metallici Coinvolge interazioni deboli tra il metallo, gli aminoacidi della proteina, il substrato

25 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 tempo La 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

28 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

29 Effetto del ph sull attività di un enzima

31 Effetto della temperatura sulla attività enzimatica

32 Effetto della temperatura sulla attività enzimatica

33 Effetto della temperatura sulla attività enzimatica

34 Effetto della temperatura sulla attività enzimatica

38 Valutazione dell attività enzimatica Unità Internazionali (U) quantità di enzima che, in determinate condizioni (37 C), trasforma una micromole di substrato in 1 minuto

39 Gruppo di enzimi Reazione catalizzata Esempi Ossidoreduttasi Transferasi Trasferimento di idrogeno, ossigeno o di elettroni da un substrato all altro Trasferimento di un gruppo specifico da un substrato all altro Deidrogenasi. Transaminasi Chinasi (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 Decarbossilasi Aldolasi Ligasi Unione di due molecole con formazione di nuovi legami DNA ligasi

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