Cofattori e vitamine

Enzimi: concetti di base e meccanismi di catalisi enzimatica a. Classificazione, meccanismo d azione b. Esempi di reazioni catalizzate c. Descrizione di alcune tipiche proteine enzimatiche. Cofattori e vitamine a. caratteri generali, funzioni, effetti biologici b. regolazioni metaboliche delle vitamine A, D, E, F, K, B 1, B 2, B 3, B 6, B 8, B 12, C,, ; c. trasformazione di vitamine in coenzimi. 1

Gli enzimi Gli enzimi promuovono effetti catalitici. ossono essere proteine semplici ma spesso possiedono un gruppo prostetico che è fondamentale per la regolazione degli effetti catalitici. Quando siamo in presenza di un enzima che sia una proteina coniugata si indica: loenzima= apoenzima+coenzima Apoenzima: parte proteica semplice, alcuni enzimi sono solo apoenzimi Coenzima: gruppo prostetico, parte non proteica (derivato da una vitamina o metallo) che determina gli effetti catalitici 2

Classificazione degli enzimi Sono stati individuati 6 tipi fondamentali di reazioni enzimatiche: 1.SSIDREDUTTASICE (trasporto di elettroni) 2.TRASFERASICE (trasferimento di gruppi) 3.IDRLASICE (scissione o resintesi con partecipazione di 2 ) 4. LIASICE (formazione o scissione reversibile di legami) 5. ISMERASICE (isomerizzazione del substrato) 6. LIGASICE (sintesi irreversibile di legami con consumo di composti ad alta energia) Sono di conseguenza state individuate 6 classi di enzimi, una per ciascuna delle reazioni suindicate. 3

Classificazione degli enzimi gni enzima è classificato con un codice a 4 cifre: a. b. c. d a: si riferisce alla classe (reazione catalizzata, es. 4. liasi) b-c: si riferiscono alla modalità della catalisi e individuano la sottoclasse e la sotto-sottoclasse d: numero di serie dell enzima all interno della sotto-sottoclasse. Consideriamo ora una classificazione ordinata 4

1. SSIDREDUTTASI Trasportano unità riducenti, ( + )+(e - ) La sottoclasse indica il donatore dell (alcool, aldeide ecc.) o altre unità riducenti (es. alcooldeidrogenasi). I vari numeri indicano i vari tipi di substrato che possono donare unità riducenti. Il 3 numero indica l accettore delle unità riducenti (AD+, FAD, Citocromo ecc) (es. alcooldeidrogenasi: accettori sono enzimi del metabolismo lipidico oppure citocromi, il numero progressivo individua la reazione). Il 4 numero indica il numero di serie nella sottosottoclasse. 5

1. SSIDREDUTTASI: coenzimi Le ossidoreduttasi sono proteine coniugate (apoenzima + coenzima). Il coenzima deriva dalla trasformazione da una vitamina oppure è una struttura che la cellula è in grado di prodursi: per esempio le strutture tetrapirroliche del protoemo nei citocromi. el dettaglio vedremo le caratteristiche di reazione di ossidoriduttasi di tipo: IRIDIIC (coenzima derivato dalla VITAMIA ) FLAVIIC (coenzima derivato dalla VITAMIA B2 ) CIIC (coenzima Q oppure derivato dalle VITAMIE E, K ) TERIIC (coenzima derivato dalla VITAMIA B8 ) VITAMIA C DIEDETI 6

SSIDREDUTTASI con coenzima IRIDIIC (AD + e AD + ) I coenzimi piridinici utilizzati da questa classe di ossidoreduttasi derivano dalla vitamina 5 4 3 2 6 1 2 7

C 2 VITAMIA e sono dipendenti molti animali e molti eucarioti. E l eterociclo della piridina che in posizione 3 ha un gruppo amidico Si tratta dell amide dell acido nicotinico [1]: dopo l assunzione abbiamo l idrolisi del legame amidico e quindi liberazione dell acido nicotinico [2] che servirà per la sintesi del coenzima. In caso di deficienza soltanto le cellule animali hanno selezionato un sistema di supporto che utilizza gli intermedi del metabolismo del triptofano per sintetizzare un acido dicarbossilico ciclico: l acido chinolinico [3]. [1] [2] [3] C C C C 2 3-8

CSTRUZIE DEL CEZIMA IRIDIIC [1] er la costruzione del coenzima sono necessari l eterociclo della piridina, mono o disostituito con il carbossile (ACID ICTIIC CILIIC). Inoltre è necessario, un saccaride, il RIBS. Si ottiene nella forma fosforilata sulla posizione 5 e con difosforilazione con l anidride esterna dell acido fosforico sulla posizione 1. C 1 5 2 C ACID ICTIIC RIBS-5-FSFAT-1-IRFSFAT 9

CSTRUZIE DEL CEZIMA IRIDIIC [2] In questi enzimi avremo quei metalli di transizione (Me) che sono in grado di dare legami dativi con l atomo di ossigeno che in seguito diventano legami covalenti: questo effetto si compie sull legato al C1 del riboso: viene sottratta la struttura pirofosforica sulla posizione 1 su cui compare una carica +: il C1 diventa C+, in contemporanea si ha una inversione di configurazione del C1 da α a β. Il C1+ può quindi ricevere attacco nucleofilo dal 1 del substrato (acido nicotinico o acido chinolinico). Si forma il prodotto di addizione e viene eliminato del pirofosfato (i). C + Me 2 C C C + 2 C + i 10

CSTRUZIE DEL CEZIMA IRIDIIC [3] La struttura che si forma è costituita da un pentoso legato all acido fosforico (in posizione 5 del riboso) e ad un eterociclo azotato (o base azotata) tramite legame del C1 del riboso con l 1 dell eterociclo. ossiamo definire questa struttura un nucleotide: il nicotinato mononucleotide (M) oppure il chinolinato mononucleotide (CM). C C + + C M C 2 C 2 CM 11

CSTRUZIE DEL CEZIMA IRIDIIC [4] Il chinolinato mononucleotide viene ulteriormente modificato da un metalloenzima Mn dipendente che riconosce il C in posizione 2 dell eterociclo e lo sottrae sotto forma di C 2, generando quindi il nicotinato mononucleotide che serve per la formazione del coenzima funzionale. C Mn C + C C 2 + C 2 + C 2 12

CSTRUZIE DEL CEZIMA IRIDIIC [5] La sintesi del coenzima prevede una ulteriore reazione del nicotinato mononucleotide con AT: Mn 2 + C + 2 un Mn enzima riconosce l ossigeno del legame di anidride che collega il α con il β e destabilizza il legame tramite la transizione dativo-covalente dell interazione Mn-. Il α diventa sede di una carica + su cui da attacco nucleofilo uno degli atomi di ossigeno del fosforile del nicotinato. Quando il legame Mn- ritorna dativo si libera pirofosfato e il prodotto di condensazione: il nicotinato adenin dinucleotide, ossia la forma desaminata del AD + (desamido-ad + ). 13

CSTRUZIE DEL CEZIMA IRIDIIC [6] er ottenere la forma attiva del coenzima (AD + ) si ha la seguente reazione: desamidoad + + AT + Q AD + i +E + AD + La reazione si basa sulla destabilizzazione del legame amidico della glutammina (Q) che viene scomposta a acido glutammico e un gruppo amminico che si trasferisce sul carbossile dell acido nicotinico che torna quindi a formare una nicotinamide. Si ottiene il primo coenzima piridinico attivo, il ICTIAMIDE ADEI DIUCLETIDE (AD + ). + desamidoad + 2 + 2 AD + 2 14

CSTRUZIE DEL CEZIMA IRIDIIC [7] L altro coenzima piridinico attivo si ottiene dal AD + tramite fosforilazione della posizione 2 del riboso legato all anello purinico dell adenina. 2 2 AD + + AT AD + AD + + I due coenzimi hanno identico meccanimo di azione ma sono caratterizzati da un differente p isoionico ed isoelettrico, poiché uno (il AD + ) contiene un gruppo fosforico e ha quindi una carica netta negativa maggiore. Questi coenzimi interagiranno quindi con proteine che hanno simmetricamente un diverso p isoelettrico ed eventualmente cariche positive complementari a quelle del coenzima. Alcune apoproteine si legheranno in modo specifico al AD + e altre al AD + a formare differenti oloenzimi ossidoreduttasici piridinici. 15

Struttura trimensionale del coenzima + * * 2 Tra i due piani si collocano i metalli cofattori, ioni metallici bivalenti (Ca 2+ Mg 2+ Mn 2+ ), effettori della catalisi, che danno 4 interazioni con gli atomi indicati dagli asterischi * * 2 * La molecola da un punto di vista spaziale risulta ripiegata intorno ad un asse in corrispondenza dell che connette i due gruppi fosforici. I due eterocicli si trovano su piani affacciati e paralleli. 16

Effetto catalitico I metalli cofattori catalizzano la ridistribuzione del sistema di insaturazioni: la adenina transisce dalla forma lattimica alla forma semilattamica, e questo effetto, amplificato dai metalli cofattori si trasmette alla piridina, che verrà a trovarsi in 2 possibili forme di risonanza: la aromatoide e la chinoide. 2 + + elettrone 2 + Aromatoide (AD() + ) C 3 Chinoide (AD() + + ) 17

Effetto catalitico La transizione scatenata dall equilibrio tra le due forme di risonanza fa sì che sulla posizione 4 si concentri la carica positiva portata in precedente dall e che possa essere fissato in 4 un atomo di idrogeno in più mentre un elettrone viene accettato dal sistema delocalizzato degli anelli. Si forma pertanto una struttura neutra. Le ossidoreduttasi che contengono questi coenzimi operano reversibilmente, catalizzando la riduzione o l ossidazione dei substrati. AD + ossidazione AD + + + X 2 X + AD + riduzione AD + + La catalisi è stereospecifica: il substrato interagisce con il coenzima solo solo se si trova in una conformazione sterica appropriata. 18

Interazione coenzima-apoproteina L interazione con la proteina è esclusivamente salina, il coenzima si lega all apoproteina tramite interazioni dei fosforili del pirofosfato. ei coenzimi AD viene coinvolto anche il gruppo fosforico presente in 2. Gli enzimi che interagiscono con AD o AD hanno p isoelettrico differente. elle cellule eucariotiche: I coenzimi AD sono presenti in enzimi intra-mitocondriali. I coenzimi AD in enzimi extra-mitocondriali Eccezione: le ossidoreduttasi della glicolisi utilizzano AD anche se la glicolisi è extra-mitocondriale. 19

Interazione coenzima-apoproteina Durante il trasferimento delle unità riducenti si realizzano nel sito attivo dell enzima dei cambiamenti conformazionali che fanno variare la costante di dissociazione (Kd) tra coenzima e apoproteina, fino a farla aumentare di un fattore 10 3-10 4 Il coenzima trasformato dissocia (infatti all aumentare della Kd diminuisce l affinità del coenzima per la apoproteina) e lo stesso enzima trasformato può essere accettato da un altra apoproteina che lo utilizzerà per una reazione spostata in verso opposto rispetto alla precedente 20

Substrati delle ossidoreduttasi con coenzimi piridinici. Tipo 1 Coinvolgono unità MCARBISE (gruppi con un solo atomo di carbonio). C- alcool 2 ario + AD + C= (chetone) + AD + + C 2 - alcool 1 ario + AD + C (aldeide) + AD + + C aldeide + AD + C (carbossile) + AD + + C carbossile: può essere ossidato a C 2 o ridotto a -C il gruppo aminico può andare incontro a desaminazione ossidativa 2 -C- + AD + C= (immino gruppo) + AD + + 21

Esempio: passagio aldeide-acido E 0 + AD + E 1 -AD + + R-C- E 2 -AD + S S R-C- E 3 -AD E 4 -Zn + AD + 3 4 E 5 -Zn S R-C= S R-C= S + R-C- 22

Substrati delle ossidoreduttasi con coenzimi piridinici. Tipo 2 Alcune ossidoreduttasi AD dipendenti hanno potenziale standard che consente l interazione diretta con altre ossidoreduttasi. In particolare si ha l interazione con enzimi redox che hanno coenzimi flavinici. FAD 2 FM 2 FAD + AD() + + AD() + + FM E IMRTATE ER LE CATEE REDX, es. catena respiratoria 23

Substrati delle ossidoreduttasi con coenzimi piridinici. Tipo 3 ossono interagire con l ossigeno molecolare AD() + + + 2 AD() + + - + Si tratta di M-SSIGEASI Si forma un radicale e a questo punto l enzima può ospitare nel sito attivo il substrato su cui avviene una sostituzione radicalica ad opera del radicale (ossigenazione). Es. un gruppo metilenico diventa un alcol. Alcuni batteri che operano per il disinquinamento trasformano gli idrocarburi in alcoli che sono poi in grado di metabolizzare. 24