a. La Piruvato chinasi catalizza il trasferimento di un gruppo fosfato dal fosfoenolpiruvato all adenosina

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1 apitolo 18 Risposte a Domande interne al capitolo 18.1 (p. 548) a. La Piruvato chinasi catalizza il trasferimento di un gruppo fosfato dal fosfoenolpiruvato all adenosina difosfato. b. L alanina transaminasi catalizza il trasferimento di un gruppo amminico dall alanina all αchetoglutarato, con produzione di piruvato e glutammato. c. La Trioso fosfato isomerasi catalizza l isomerizzazione del chetone diidrossiacetone fosfato all aldeide gliceraldeide-3-fosfato. d. La Piruvato deidrogenasi catalizza l ossidazione e decarbossilazione del piruvato, producendo acetil coenzima A e 2.

2 18.2 (p. 548) a. La Fosfofruttochinasi catalizza il trasferimento di un gruppo fosforile da ATP al fruttosio-6-fosfato: ~ P ~ P ~ P 2 2 ATP ADP 2 2 Phosphofructokinase Fructose-6-phosphate Fructose-1,6-bisphosphate b. La lipasi catalizza l idrolisi del legame estere tra glicerolo e un acido grasso. ( 2 ) Lipase + ( 2 ) 14 3 Monoglyceride Glycerol Fatty acid Water c. L aceto acetato decarbossilasi catalizza la rimozione di un gruppo carbossilico da acetoacetato, producendo acetone e anidride carbonica: - Acetoacetate decarboxylase Acetoacetate Acetone arbon dioxide

3 d. La succinato deidrogenasi catalizza l ossidazione da succinato a fumarato. Il coenzima FAD è ridotto in questa reazione, producendo FAD2. - FAD FAD Succinate dehydrogenase - - Succinate Fumarate 18.3 (p. 548) a. saccarosio b. piruvato c. succinato 18.4 (p. 548) a. La saccarasi catalizza l idrolisi del saccarosio in glucosio e fruttosio. b. La piruvato decarbossilasi rimuove un gruppo carbossilico dal piruvato. c. La succinato deidrogenasi ossida succinato (p. 555) Il modello ad adattamento indotto presuppone che l enzima sia flessibile. L enzima e il substrato sono in grado di cambiare forma per formare il complesso enzima-substrato. Il modello chiaveserratura presuppone che l enzima (il blocco) sia flessibile e che il substrato (la chiave) si inserisca in un sito specifico rigido (il sito attivo) sull enzima per formare il complesso enzima substrato (p. 555) La grandezza, la forma e la distribuzione di carica del sito attivo dell enzima sono complementari a quelle del substrato (p. 559) Un enzima può distorcere un legame in modo da catalizzare la rottura del legame stesso. Un enzima è in grado di portare due molecole vicine e nel corretto orientamento affinché la reazione avvenga.

4 Infine, un enzima può alterare il p del microambiente del sito attivo agendo come donatore o accettore di protoni (p. 559) Lo stato di transizione è l intermedio instabile in una reazione catalizzata da un enzima. Nello stato di transizione il substrato condivide proprietà sia del substrato originale sia del prodotto finale (p. 561) Le vitamine solubili in acqua sono richieste dall organismo per la sintesi di coenzimi necessari per la funzione di vari enzimi (p. 561) a. Il coenzima A è prodotto dall acido pantotenico. b. La nicotinammide adenina dinucleotide (NAD +) e la nicotinammide adenina dinucleotide fosfato (NADP +) sono sintetizzate dalla niacina. c. La flavina adenina dinucleotide e flavina mononucleotide sono prodotte dalla riboflavina (p. 564) Una diminuzione del p può cambiare il grado di ionizzazione dei gruppi R all interno di una catena peptidica. Questo disturba le interazioni deboli che mantengono la struttura dell enzima, denaturandolo. Alterazioni meno drastiche della carica dei gruppi R nel sito attivo dell enzima possono inibire il legame enzima-substrato o alterare la capacità catalitica del sito attivo (p. 565) L alto calore denatura le proteine, compresi gli enzimi, delle cellule viventi. osì, riscaldare gli strumenti chirurgici è un mezzo efficace per la sterilizzazione se il trattamento termico è eseguito in condizioni di temperatura e di tempo sufficienti a uccidere forme di vita microbiche (p. 580) Gli inibitori irreversibili si legano molto forte, talvolta anche in modo covalente, a gruppi R nel sito attivo di diversi enzimi. La perdita di attività enzimatica impedisce il normale metabolismo cellulare, con conseguente morte della cellula o dell individuo.

5 18.14 (p. 580) Un inibitore irreversibile lega fortemente, spesso covalentemente, un enzima, disattivando permanentemente il sito attivo. Un inibitore non competitivo reversibile si lega più debolmente all enzima. L attività enzimatica è ripristinata quando l inibitore si dissocia dall enzima (p. 580) Un analogo strutturale è una molecola che ha una struttura e la distribuzione di carica molto simile a quella del substrato naturale di un enzima. Generalmente gli analoghi strutturali sono in grado di legarsi al sito attivo dell enzima. Questo inibisce l attività enzimatica poiché il substrato normale deve competere con l analogo strutturale per formare il complesso enzima-substrato (p. 580) Un analogo strutturale assomiglia alla dimensione, forma e distribuzione di carica del normale substrato per un enzima. A causa di questa somiglianza è in grado di legarsi al sito attivo. Tuttavia, quando l analogo strutturale si lega al sito attivo, non avviene alcuna reazione. osì l enzima è inibito dalla formazione del complesso enzima-analogo strutturale (p. 587)

6 18.18 (p. 588) a. trp-val-gly hymotrypsin N + 3 N N Glycine Valine N Tryptophan b. phe-ala-pro hymotrypsin - N + 3 N N 2 3 Alanine Proline Phenylalanine (p. 588)

7 18.20 (p. 588) trp-val-lys-ala-ser hymotrypsin Trypsin Elastase N + 3 N N N N N 3 Valine 2 2 Alanine Serine 2 Tryptophan N + 3 Lysine Risposte a Domande ed Esercizi di fine capitolo 18.1 Gli enzimi sono normalmente classificati dal tipo di reazioni che catalizzano E; 2-; 3-A; 4-F, 5-B; 6-D 18.3 Le classi di enzimi basate sul tipo di reazione che catalizzano: a. Le ossidoriduttasi catalizzano reazioni di ossidoriduzione. La lattato deidrogenasi è una ossidoriduttasi. b. Le transferasi catalizzano il trasferimento di gruppi chimici da una molecola all altra. L alanina transaminasi è una transferasi. c. Le idrolasi catalizzano l addizione di una molecola d acqua ad un legame, con conseguente rottura del legame stesso. La tripsina è una idrolasi. d. Le liasi catalizzano l addizione di un gruppo ad un doppio legame o la rimozione di un gruppo per formare un doppio legame. La citrato liasi è una liasi. e. Le isomerasi catalizzano la conversione di un isomero in un altro. La Trioso fosfato isomerasi è una isomerasi. f. Le ligasi catalizzano l unione di due molecole. La DNA ligasi è una ligasi.

8 18.4 Un substrato è il reagente in una reazione catalizzata da enzima che si lega al sito attivo dell enzima ed è convertito in prodotto Il prodotto è la specie che deriva da una reazione chimica e che appare sul lato destro di un equazione chimica L energia di attivazione di una reazione è l energia necessaria perché la reazione avvenga Un enzima abbassa l energia di attivazione di una reazione La costante di equilibrio per una reazione chimica riflette la differenza di energia dei reagenti e dei prodotti. Si consideri la seguente reazione: aa + bb c + dd La costante di equilibrio per questa reazione è: d c a b K eq = [D] [] /[A] [B] = [products]/[reactants] Poiché la differenza di energia tra i reagenti e i prodotti è la medesima, indipendentemente dal percorso della reazione, un enzima non altera la costante di equilibrio della reazione Un enzima, fornendo un percorso alternativo alla reazione, aumenta la velocità di una reazione chimica, abbassando così l energia di attivazione della reazione La velocità di una reazione chimica catalizzata tipicamente raddoppia ogni volta che raddoppia la concentrazione del substrato A una certa concentrazione del substrato, la velocità di reazione raggiunge un livello massimo. A questa velocità massima, ogni sito attivo è occupato da una molecola substrato Il fattore limitante è lo step più lento in una reazione catalizzata da un enzima, e quindi limita la velocità con cui il substrato può essere convertito in prodotto Il grafico che mostra l attività di un enzima rispetto alla concentrazione del substrato suggerisce che la velocità di una reazione catalizzata da un enzima è limitata dal tempo richiesto alla reazione per avvenire e/o dal tempo richiesto dal prodotto per essere rilasciato.

9 18.14 Il complesso enzima-substrato è l aggregato molecolare che si forma quando il substrato si lega al sito attivo di un enzima Il sito attivo di un enzima è la tasca o il solco sulla superficie di un enzima, che è il sito di legame del substrato I siti attivi sono tasche sulla superficie dell enzima che coinvolgono gruppi R aminoacidici coinvolti nel legame con Il substrato e gruppi R coinvolti nella catalisi. La forma del sito attivo è complementare a quella del substrato e ne determina la specificità. Il legame enzima substrato coinvolge legami deboli Il modello ad adattamento indotto del legame enzima substrato è più accurate rispetto al modello chiave-serratura perché considera anche le proteine e in particolare gli enzimi sono molecole flessibili La specificità enzimatica è la capacità di un enzima di legarsi ad un solo, o pochissimi, substrati e quindi catalizzare solo una singola reazione La specificità del gruppo è la catalizzazione, da parte di un enzima, di reazioni che coinvolgono molecole simili aventi lo stesso gruppo funzionale La specificità di legame è la catalizzazione, da parte di un enzima, della formazione e della rottura di un solo tipo di legame La specificità assoluta è la catalizzazione, da parte di un enzima, della reazione di un unico substrato La specificità stereochimica è la distinzione, da parte di un enzima, di un enantiomero da un altro Fase 1: formazione del complesso enzima-substrato. Fase 2: formazione dello stato di transizione. Durante questa fase il substrato assume una forma intermedia tra il substrato e il prodotto originale. Fase 3: conversione del substrato in prodotto e formazione del complesso enzima-prodotto. Fase 4: rilascio del prodotto e rigenerazione dell enzima nella sua forma originale Lo stato di transizione è uno stato ad alta energia in cui il substrato è costretto in una forma intermedia simile al substrato e al prodotto. Lo stato di transizione favorisce la conversione del substrato in prodotto Un amminoacido nel sito attivo che presenta un gruppo R acido o basico potrebbe alterare il p locale accettando o rilasciando un protone.

10 18.26 Un cofattore aiuta a mantenere la forma del sito attivo di un enzima Un coenzima si lega transitoriamente a un enzima e accetta o dona gruppi chimici al substrato in una reazione biochimica La tiamina (B1) si trova nel coenzima tiamina pirofosfato. La riboflavina (B2) si trova sia nella flavina mononucleotide e nella flavina adenina dinucleotide. La niacina (B3) è presente nella nicotinammide adenina dinucleotide e nella nicotinammide adenina dinucleotide fosfato. La piridossina (B6) si trova nel piridossal fosfato e nella piridossammina fosfato. La cianocobalamina (B12) si trova nel coenzima deossiadenosil cobalamina. L acido folico si trova nell acido tetraidrofolico. L acido pantotenico si trova nel coenzima A. La biotina si trova nella biocitina Nelle reazioni chimiche i coenzimi possono donare gruppi al substrato o accettare gruppi che vengono rimossi dal substrato. Il coenzima tiamina pirofosfato è coinvolto nelle reazioni di decarbossilazione. La flavina mononucleotide e la flavina adenina dinucleotide portano atomi di idrogeno. La nicotinammide adenina dinucleotide e nicotinammide adenina dinucleotide fosfato sono portatori di ioni idruro. Il piridossal fosfato e la fosfato piridossammina sono portatori di gruppi amminici e carbossilici. La deossiadenosil cobalamina è un coenzima coinvolto nel metabolismo degli amminoacidi. L acido tetraidrofolico è un coenzima coinvolto nel trasferire gruppi con un atomo di carbonio. Il oenzima A trasferisce gruppi acilici. La biocitina è un coenzima della fissazione di gnuna delle seguenti risposte presuppone che l enzima sia stato purificato da un organismo le cui condizioni ottimali per la vita sono: 37, p 7. a. Diminuendo la temperatura da 37 a 10 si causerà la diminuzione della velocità dell enzima reazione perché la frequenza di collisioni tra enzima e substrato diminuirà al diminuire della velocità di movimento molecolare. b. Aumentando il p da 7 a 11 generalmente si causerà una diminuzione della velocità della reazione catalizzata dall enzima. In realtà, la maggior parte degli enzimi sarebbe denaturato da un p di 11 e l attività enzimatica cesserebbe. c. Riscaldando l enzima da 37 a 100 si distruggerà l attività enzimatica perché l enzima è

11 denaturato dal calore estremo L alta temperatura denatura gli enzimi batterici e le proteine strutturali. Poiché la vita delle cellule dipende dalla funzione di queste proteine, in queste condizioni la cellula muore ltre una certa temperatura il calore può alterare o denaturare il sito attivo di un enzima distruggendone l attività, modificando la struttura tridimensionale della proteina a. Le cellule regolano il livello di attività enzimatica per risparmiare energia. La produzione di un enzima, se il suo substrato non è presente o se il suo prodotto è in eccesso, è uno spreco di energia cellulare. b. La produzione di enzimi digestivi proteolitici deve essere attentamente controllata perché l enzima attivo potrebbe distruggere la cellula che lo produce. Pertanto, sono prodotti in una forma inattiva e sono attivati solo nel sito in cui effettuano la digestione L enzima allosterico ha un sito di legame per un effettore nonché un sito attivo. Il legame dell effettore modifica la forma del sito attivo, rendendolo attivo (allosterismo positivo) o inattivo (allosterismo negativo) Nell allosterismo positivo, il legame della molecola effettrice attiva l enzima. Nell allosterismo negativo, il legame della molecola effettrice disattiva l enzima Un proenzima è la forma inattiva di un enzima che convertito in forma attiva solo nel sito dove deve catalizzare la reazione Il vantaggio di produrre enzimi digestivi in forme inattive (proenzimi) è che in questo stato non possono danneggiare le cellule che li producono. Essi possono quindi essere facilmente convertiti nella forma attiva solo nel sito che necessita la loro attività L inibizione enzimatica competitiva si verifica quando un analogo strutturale del substrato normale occupa il sito attivo dell enzima in modo che la reazione non possa avvenire. L analogo strutturale e il substrato normale competono per il sito attivo. In questo modo la velocità di reazione dipende dalle concentrazioni relative delle due molecole Un analogo strutturale assomiglia alla dimensione, forma e distribuzione di carica del normale substrato per un enzima. A causa di questa somiglianza è in grado di legarsi al sito attivo. Tuttavia,

12 quando l analogo strutturale si lega al sito attivo, non avviene alcuna reazione. osì l enzima è inibito dalla formazione del complesso enzima-analogo strutturale Gli inibitori irreversibili si legano fortemente e bloccano il sito attivo di un enzima, eliminando la catalisi Gli inibitori irreversibili vengono chiamati veleni perché distruggono permanentemente l attività di molti enzimi. L interruzione delle reazioni biochimiche essenziali provoca malattie e morte a. La polifenolossidasi richiede ioni rame come cofattori, perché l attività dell enzima è bloccata quando la feniltiourea rimuove tutti gli ioni rame disponibili. b. La feniltiourea è un inibitore irreversibile non competitivo Un enzima proteolitico catalizza la scissione del legame peptidico che stabilizza la struttura primaria della proteina himotripsina, tripsina ed elastasi hanno tutte strutture tridimensionali molto simili. Sono proteasi, che tagliano il legame peptidico sul lato carbonilico di particolari amminoacidi Le elastasi tagliano i legami peptidici sul lato carbonilico di alanina e glicina. La tripsina taglia i legami peptidici sul lato carbonilico di lisina e arginina. La chimotripsina taglia i legami peptidici sul lato carbonilico di triptofano e fenilalanina La conformazione del sito attivo dona specificità agli enzimi proteolitici: per esempio il sito attivo della tripsina è lungo e stretto, adatto per gruppi R di aminoacidi come la lisina o l arginina, mentre il sito attivo della chimotripsina può legare gruppi R aromatici La terapia di sostituzione enzimatica può essere utilizzata per trattare determinate malattie. Per esempio nella malattia di Gaucher, che mostra una carenza dell enzima glucocerebrosidasi, i pazienti ricevono l enzima lisosomiale umano β-glucocerebrosidasi per via endovenosa reatina-chinasi MB, e aspartato aminotransferasi (AST / SGT) a. transferasi b. transferasi c. isomerasi d. ossidoreduttasi

13 e. idrolasi f. transferasi g. esterasi h. decarbossilasi i. ossidoreduttasi