Gli enzimi e la catalisi

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1 Gli enzimi e la catalisi

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3 Distribuzione di energia in una popolazione di molecole Normalmente, le molecole stabili sono per lo più presenti ad un livello di energia relativamente basso Solo una piccola frazione di esse possiede sufficiente energia per superare la barriera dell energia di attivazione

4 GLI ENZIMI: CATALIZZATORI BIOLOGICI Accelerano le reazioni chimiche (REAGENTE CHE SI TRASFORMA IN PRODOTTO) Non possono alterare l equilibrio della reazione ma solamente accelerare la velocità di reazione riducendo l energia di attivazione richiesta per iniziare la reazione Dalla regolazione degli enzimi dipende l adattabilità metabolica Gli enzimi sono proteine GLOBULARI

5 GLI ENZIMI: CATALIZZATORI BIOLOGICI Permettono alle reazioni di andare verso condizioni che l organismo può tollerare Può processare milioni di molecole ogni secondo Agiscono in modo molto specifico, solo con pochi tipi di molecole (substrati)

6 REAZIONE TIPO S P

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8 La spontaneità di una reazione è determinata dalle proprietà e dalle concentrazioni dei reagenti

9 La spontaneità di una reazione è determinata dalle proprietà e dalle concentrazioni dei reagenti Ma se una reazione spontanea non significa che sia veloce.potrebbe avvenire in tempi lunghissimi (quindi, in termini biologici, come se non avvenisse)

10 S P Velocità = k (S) Inversamente proporzionale All energia di attivazione

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12 REAZIONE ENZIMATICA TIPO E + S ES EP E + P FORMAZIONE DEL COMPLESSO ES

13 SITO ATTIVO DELL ENZIMA

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15 La teoria dello stato di transizione Questa teoria considera una reazione solo in termini di: stato fondamentale (reagenti) stato di transizione (specie chimiche con legami non completamente formati) intermedi (specie chimiche con legami completamente formati) prodotti

16 Enzimi: catalizzatori biologici G Reazione non catalizzata ΔG* Reazione catalizzata X ΔG* ΔG Y Gli enzimi si combinano transientemente col substrato e ne 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

17 Analogies for NRG barriers

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20 Determinanti del potere catalitico Formazione di legami covalenti tra enzima e substrato Instaurazione di numerose interazioni non covalenti ENERGIA DI LEGAME (ΔG B )

21 Le interazioni deboli sono ottimali nello stato di transizione

22 Il complesso enzima-substrato E + S Sito attivo ES Sito di legame Sito catalitico

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26 SITO ATTIVO regione specifica delle molecole enzimatiche dove il substrato si lega e reagisce per formare il prodotto. Esistono due modelli per interpretare l interazione sito attivo-substrato modello chiave-serratura (Fischer 1894) (modello eccessivamente semplificato) l enzima è una serratura in cui può girare solo la chiave specifica; infatti, solo una determinata molecola di substrato ha la forma che le permette di entrare nella fessura del sito attivovdell enzima in modo che la reazione possa avvenire modello adattamento induttivo (Koshland 1954) la forma assunta dall enzima è adatta a far avvenire la reazione solo dopo che questo si è legato al substrato: tale fenomeno serve a portare i gruppi funzionali specifici dell enzima nell orientamento corretto necessario per la catalisi della reazione

27 Funzione dell energia di legame nella catalisi

28 Reversibilità delle reazioni enzimatiche L enzima favorisce il raggiungimento dell equilibrio, quindi catalizza anche la reazione inversa A <====> B Ma, se B è substrato di una reazione successiva, la prima reazione diventa praticamente irreversibile A -----> B <====> C Ciò vale per catene anche molto lunghe di reazioni (catene enzimatiche)

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30 TIPI DI CATALISI

31 CATALISI ACIDO-BASE

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33 CATALISI COVALENTE

34 CATALISI COVALENTE CATALISI DA IONI METALLICI

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36 Struttura generale degli enzimi coenzima (vitamina) ione metallico OLOENZIMA gruppo prostetico (legato covalentemente) APOENZIMA (Parte proteica)

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38 I coenzimi sono molecole organiche che si associano alle proteine per aiutarle a svolgere la funzione catalitica. Essi generalmente sono vitamine del gruppo B modificate (attivate) VITAMINA Tiamina (B1) Riboflavina (B2) Niacina (PP) Piridossina (B6) Acido pantotenico Acido folico Cobalamina (B12) Biotina (H) FUNZIONE Coenzima TPP (tiamina pirofosfato) - rimozione gruppi CO 2 Coenzima FAD e FMN - trasporto idrogeno ed elettroni Coenzimi NAD e NADP - trasporto idrogeno ed elettroni Coenzima PLP (piridossalfosfato) - trasporto gruppi amminici e metabolismo aa in generale Coenzima A - trasporto gruppi acilici e in particolare acetato Coenzima FH 4 - trasporto dei gruppi monocarboniosi ridotti Coenzima correlato all' FH 4 per il trasporto dei gruppi monocarboniosi Coenzima nelle reazioni di carbossilazione (trasporto unità monocarboniosa ossidata)

39 CLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE ENZIMI: OSSIDOREDUTTASI TRANSFERASI IDROLASI LIASI ISOMERASI LIGASI

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41 CLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE ENZIMI: ossidoreduttasi: reazioni di ossido-riduzione 1.1 agisce sul gruppo CHOH del donatore 1.2 agisce sul gruppo aldeidico o chetonico del donatore 1.3 agisce sul gruppo CH-CH del donatore 1.4 agisce sul gruppo CH-NH 2 del donatore (ammina primaria) 1.5 agisce sul gruppo C-NH del donatore 1.6 agisce su NADH o NADPH. 1.7 agisce su altri composti azotati 1.8 agisce su gruppi solforati 1.9 agisce sui gruppi eme Esempio: DEIDROGENASI, CATALASI, OSSIDASI, PEROSSIDASI, IDROSSILASI REDUTTASI

42 CLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE ENZIMI: 3 - idrolasi: reazioni di idrolisi 3.1 legami esterei 3.2 legami glicosidici 3.3 altri legami 3.4 legami peptidici 3.5 legami C-N non peptidici 3.6 legami anidridici 3.7 legami C-C Esempi: ESTERASI, GLICOSIDASI, PEPTIDASI, FOSFATASI, TIOLASI, LIPASI.

43 NOMENCLATURA Diidrossiacetone fosfato < > gliceraldeide deidrogenasi TRIOSOFOSFATO DEIDROGENASI EC ISOMERASI 3. ossidazione di una parte del substrato e riduzione in un altra 1. Interconversione di aldosi in chetosi e viceversa 1. Primo ingresso nella sotto-sottoclasse Nomenclatura enzimatica (academic Press, 1992) 3196 enzimi

44 Denominazione costituita da 3 parti: Nome del substrato Nome del coenzima Nome della reazione catalizzata + asi Esempi: Alcool + NAD + < > aldeide (o chetone) + NADH Alcool : NAD + ossidoreduttasi EC ATP + Creatina < > creatina-fosfato + ADP ATP : Creatina fosfotrasferasi EC

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46 Introduzione agli enzimi (un po di storia ) 1850: Pasteur 1897: Buchner fermentazione dello zucchero in alcol è catalizzata da fermenti (lievito) li chiama enzimi e postula che siano inseparabili dalla struttura della cellula vivente gli enzimi coinvolti nella fermentazione possono funzionare anche una volta rimossi dalla struttura della cellula vivente 1926: Sumner isola e cristallizza l enzima ureasi postula che gli enzimi siano proteine fine anni 30: Northrop Haldane verifica che gli enzimi sono proteine scrive un trattato intitolato Enzimi seconda metà XX sec: sono stati purificati migliaia di enzimi e di centinaia di essi è stata determinata la struttura e il meccanismo chimico