2) La presenza di gruppi funzionali specifici che partecipano alla catalisi (quelli delle catene laterali dei suoi residui amminoacidici e/o quelli

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1 ENZIMI Tutti gli enzimi sono PROTEINE che funzionano da catalizzatori biologici nelle reazioni cellulari (sono in grado di aumentare la velocità delle reazioni biologiche anche di volte). Durante la reazione l enzima può essere temporaneamente modificato ma alla fine del processo ritorna nel suo stato originario, un enzima viene «riciclato» in modo da poter prendere parte alla stessa reazione numerose volte. Gli enzimi catalizzano le reazioni con una Specificità molto elevata: quando un enzima funziona correttamente non si formano mai prodotti secondari di reazione (che potrebbero essere potenzialmente tossici per la cellula)

2 Affinché un enzima funzioni correttamente è essenziale: 1) Che conservi la sua conformazione nativa: struttura proteica tridimensionale biologicamente attiva 2) Condizioni appropriate di temperatura e ph, che influenzano la stabilità della struttura proteica degli enzimi e quindi la loro attività catalitica. Ogni enzima possiede un intervallo ideale di valori di temperatura e ph all interno del quale è attivo.

3 2) La presenza di gruppi funzionali specifici che partecipano alla catalisi (quelli delle catene laterali dei suoi residui amminoacidici e/o quelli di cofattori) D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fondamenti di biochimica, Zanichelli editore

4 In base al tipo di reazione che catalizzano

5 L enzima partecipa alla reazione che catalizza senza modificare lo stato di equilibrio della reazione. L enzima non modifica la variazione di energia libera tra reagenti e prodotti che si verifica durante la reazione. L enzima accelera i tempi con cui reagenti e prodotti raggiungono l equilibrio. Per es.: A B G A = Energia libera reagenti G B = Energia libera prodotti ΔG 0 = variazione di energia libera della reazione (rende conto della spontaneità della reazione, non della sua velocità) ΔG 0 < 0 = reazione esoergonica (spontanea) (A B) ΔG 0 > 0 = reazione endoergonica (non spontanea) (è spontanea la reazione inversa B A)

6 A B Affinché avvenga la trasformazione dei reagenti in prodotti è necessario superare un dislivello energetico: ENERGIA DI ATTIVAZIONE (ΔG 0 ) (correlata alla velocità della reazione) ΔG 1 0 = E att della reazione diretta ΔG -1 0 = E att della reazione inversa È l energia necessaria a raggiungere e superare lo stato di transizione della reazione. STATO DI TRANSIZIONE: è il momento più difficile della reazione, in cui le molecole sono orientate, avvicinate e subiscono distorsioni, contemporaneamente si rompono alcuni legami e se ne formano degli altri. Ostacoli da superare 1) URTI MOLECOLARI 2) ORIENTAMENTO 3) FORZE REPULSIVE 4) DESOLVATAZIONE

7 L energia di cui necessitano le molecole di reagente per essere trasformate in prodotto è fornita dalla En. cinetica che le molecole stesse possiedono. L En. cinetica è convertita in energia libera G: le molecole di reagente che hanno un En. cinetica > all E att superano lo STATO DI TRANSIZIONE e si trasformano in prodotto. Se l E att è BASSA: un gran numero di molecole avrà l en. cinetica media all E att La reazione sarà VELOCE Se l E att è ALTA: un piccolo numero di molecole avrà l en. cinetica media all E att La reazione sarà LENTA LA VELOCITÀ DELLA REAZIONE DIPENDE DALL ENERGIA DI ATTIVAZIONE

8 Cosa cambia in una reazione catalizzata? D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fondamenti di biochimica, Zanichelli editore

9 L ENZIMA AGISCE ABBASSANDO L ENERGIA DI ATTIVAZIONE Modifica il meccanismo della reazione e crea un ambiente in cui i reagenti non incontrano ostacoli alla reazione, Promuove direttamente l evento catalitico rilasciando il prodotto e ritornando inalterato nel suo stato originario. Substrato (reagente) S + E ES E + P Complesso Enzima/substrato Prodotto Complessi transitori S (in assenza di enzima) ΔG 0 ES E + S ES EP ΔG 0 EP Stato intermedio della reazione che si trova ad un minimo energetico ES E + P

10 COMPLESSO ENZIMA-SUBSTRATO S + E ES E + P L interazione fra enzima e substrato (o più substrati) è reversibile. La formazione del complesso ES comporta il legame fra il SITO ATTIVO dell enzima e il substrato/i. Tasca della proteina in cui sporgono le catene laterali di alcuni residui amminoacidici che costituiscono il sito di legame per il substrato (responsabile della specificità) e di altri residui amminoacidici, o cofattori che costituiscono il sito catalitico (responsabile dell evento catalitico) La formazione di legami fra il sito attivo dell enzima e il substrato è un processo esoergonico: libera ENERGIA DI LEGAME che va ad abbassare la barriera costituita dall En att.

11 Quando il substrato si lega al sito attivo dell enzima (ES), viene bloccato nella corretta posizione (La specificità di legame fa si che il complesso ES si formi molto facilmente). Il substrato viene desolvatato e nel sito attivo subisce distorsioni in modo che gli atomi che devono reagire sono avvicinati. S = substrato da scindere stato di transizione EP Le interazioni fra sito attivo di un enzima e substrato diventano ottimali solo quando è raggiunto lo stato di transizione del passaggio ES E + P

12 Se il sito attivo fosse perfettamente complementare al substrato la reazione non procederebbe Substrato Nelson Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER, Zanichelli editore S.p.A. Copyright

13 La specificità del legame enzima/substrato può essere spiegata col modello chiave-serratura di Fisher Il sito attivo possiede dei punti di ancoraggio specifici per i gruppi funzionali del substrato Il potere catalitico di un enzima può essere spiegato col modello dell adattamento indotto di Koshland L enzima ha un sito che può alloggiare in modo specifico un substrato ma questo sito diventa complementare al substrato solo nello stato di transizione e solo attraverso un cambiamento conformazionale dell enzima stesso

14 Quando si forma il complesso ES, nel distorcere il substrato, l enzima stesso cambia conformazione adattando perfettamente la forma del sito catalitico allo stato di transizione del substrato e presentando ad esso i suoi gruppi catalitici. esochinasi (è una trasferasi: trasferisce sul C-6 del glucosio un gruppo fosfato donato dall ATP e produce glucosio-6-fosfato)

15 velocità di reazione Effetto della temperatura sulla velocità di una reazione enzimatica La velocità di reazione aumenta all aumentare della temperatura sino a raggiungere un valore massimo (Mantenendo costanti ph, [E] e [S]) Optimum di temperatura: è diverso per i diversi enzimi A T superiori a quella ottimale: - sono alterate le interazioni che consentono la formazione di ES; - l enzima va incontro a modificazioni strutturali del sito attivo (rottura dei legami deboli, denaturazione)

16 Velocità di reazione Effetto del ph sulla velocità di una reazione enzimatica Da ricollegare al diverso stato di protonazione delle catene laterali di residui amminoacidici che costituiscono il sito catalitico e il sito di legame per il substrato.

17 velocità di reazione Cys-25 Massima attività Cys-25 His-159 His-159 Cys-25 PAPAINA = enzima proteolitico, scinde i legami peptidici delle proteine. Nel sito attivo sono presenti una cisteina molto acida e un istidina molto basica. FORMANO UNA COPPIA IONICA His ph Massima attività: intervallo di ph compreso fra i pka di due residui amminoacidici del sito attivo (fra ph 4.2 e 8.2). In questo intervallo le catene laterali di entrambi i residui amminoacidici sono ionizzati. O=C l HN C H l CH 2 l H C N+ CH C N H H O=C l HN C H l CH 2 l S His-159 (pk R 8.2) Cys-25 (pk R 4.2)