Gli enzimi

Gli enzimi sono le proteine1 che catalizzano2 le reazioni chimiche che avvengono

nei sistemi biologici

1 con l’eccezione dei ribozimi (RNA catalitici)

2 un catalizzatore è una sostanza che promuove

una reazione chimica senza subire alcuna

modificazione permanente

Proprietà generali delle reazioni catalizzate dagli enzimi

• Elevate velocità di reazione (106-1012 volte

maggiori rispetto a quella delle reazioni non catalizzate)

• Avvengono in condizioni più moderate

• Maggiore specificità di reazione

• Sono spesso soggette a regolazione

Enzima Velocità della

reazione non

enzimatica (s-1)

Velocità della

reazione

enzimatica (s-1)

Aumento

della

velocità

Anidrasi carbonica 1,3 x 10-1 1 x 106 7,7 x 106

Trioso fosfato

isomerasi

2,6 x 10-5

50 1,9 x 106

Carbossipeptidasi A 4,3 x 10-6

4300 1,0 x 109

AMP nucleosidasi 3,0 x 10-9

60 6,0 x 1012

Nucleasi

staffilococcica

1,7 x 10-13

95 5,6 x 1014

Nomenclatura • Gli enzimi sono solitamente denominati

aggiungendo il suffisso –asi al nome del substrato dell’enzima o a una frase che descrive la reazione catalitica dell’enzima (ureasi, alcol deidrogenasi...)

• Gli enzimi vengono classificati in base alla reazione chimica catalizzata con

1. un nome raccomandato

2. un nome sistematico

3. un numero di classificazione

(es. carbossipeptidasi A, peptidil-L-aminoacido-idrolasi, EC 3.4.17.1)

Un gran numero di enzimi utilizza componenti chimici addizionali chiamati cofattori

Un cofattore può essere uno ione metallico o una molecola organica più complessa detta coenzima

Un cofattore associato stabilmente (spesso covalentemente) alla proteina si definisce un gruppo prostetico.

Oloenzima : proteina con cofattori – cataliticamente attivo

Apoenzima : proteina senza cofattori – cataliticamente inattivo

(vitamines)

NAD+

TPP

FAD

CoA

Piridossal

fosfato

Biotina

Enzimi: specificità di substrato

Complementarità tra sito attivo e substrato

Modello Chiave-serratura

(Fisher 1894)

Adattamento indotto

(Koshland 1958)

Specificità di substrato

Variazione conformazionale indotta dell’esochinasi

Specificità di substrato

• Gli enzimi sono stereospecifici

• Sono selettivi riguardo l’identità chimica

dei loro substrati (specificità geometrica)

Il grado di specificità geometrica può tuttavia

variare considerevolmente

Stereospecificità di un enzima

Specificità di substrato

• Gli enzimi sono stereospecifici

• Sono selettivi riguardo l’identità chimica

dei loro substrati (specificità geometrica)

Il grado di specificità geometrica può tuttavia

variare considerevolmente

Endopeptidasi :

Tripsina Rn-1= residuo positivo (Arg,Lys)

Rn Pro

Chimotripsina Rn-1= grossi residui idrofobici

(Phe, Trp, Tyr)

Rn Pro

Pepsina Rn = Leu, Phe, Trp, Tyr

Rn-1 Pro

NH CH C NH CH C

Rn-1 O O Rn

legame scindibile

tripsina

chimotripsina

Coordinate di reazione di una reazione chimica

Lo stato di transizione e l’energia libera di attivazione

Maggiore è l’energia libera di attivazione,

minore sarà la velocità di reazione

I catalizzatori aumentano la velocità della

reazione abbassando l’energia di attivazione

Diagramma dello stato di transizione di

una reazione a due tappe (A I P)

I catalizzatori non modificano gli

equilibri chimici delle reazioni

Equilibri di reazione

S P

K’eq = [P]/[S]

G’°=-RTlnK’eq

Un valore negativo di G’° riflette un equilibrio favorevole, ma non fornisce indicazioni sulla velocità di reazione

2 reagenti

Meccanismi di catalisi

1. Catalisi acido-basica

• La catalisi acida generale è un processo in cui il trasferimento temporaneo di un protone da un acido abbassa l’energia libera dello stato di transizione di una reazione

• Si parla di catalisi basica generale se la velocità di reazione viene accelerata dalla sottrazione temporanea di un protone da parte di una base

Nel sito attivo di un enzima possono essere presenti residui

amminoacidici che fungono da donatori o accettori di protoni.

L’attività di questi enzimi è fortemente influenzata dal pH

RNasi A RNasiA

Meccanismo catalitico a due tappe dell’RNasi A

Il substrato si lega in una tasca a due His : l’His12 si comporta da base,

sottrae un protone dal 2’OH dell’RNA (attacco nucleofilo) mentre l’His119

agisce da acido e scinde il legame. Si forma un intermedio ciclico.

Meccanismo catalitico dell’RNasi A

Si scinde il legame 2’-3’ dell’intermedio

ciclico. l’His12 si comporta da acido

mentre l’His119 agisce da base. L’acqua

sostituisce il gruppo protonato che esce.

2. Catalisi covalente (nucleofilica)

La catalisi covalente coinvolge la

formazione di un legame covalente

transitorio tra l’enzima e il substrato

La catalisi covalente può essere suddivisa in tre tappe:

1. Reazione nucleofilica tra il catalizzatore ed il substrato

con formazione di un legame covalente

2. La perdita di elettroni dal centro di reazione ad opera

del catalizzatore (che adesso è elettrofilico)

3. L’eliminazione del catalizzatore (inverso della tappa 1.)

H2O

A-B A + B H2O H2O

A-B + X: A-X + B A + X: + B

Decarbossilazione dell’acetoacetato

Non catalizzata

Catalizzata da una

ammina primaria

Gruppi nucleofilici ed elettrofilici biologicamente importanti

3. Catalisi favorita da ioni metallici

Gli ioni metallici possono :

1. Legarsi al substrato in modo da orientarlo correttamente

2. Partecipare a reazioni di ossido-riduzione mediante

cambiamento reversibile del numero di ossidazione del

metallo

3. Stabilizzare elettrostaticamente cariche negative

Anidrasi carbonica

Effetti di prossimità e orientamento

• Gli enzimi che catalizzano reazioni a più substrati agiscono mettendo i substrati in contatto tra loro

• Gli enzimi legano i loro substrati secondo un orientamento appropriato in modo da favorire la reazione

• Gli enzimi stabilizzano i movimenti relativi traslazionali e rotazionali dei loro substrati e dei loro gruppi catalitici

Orientamento del substrato

2O2- + 2 H + H2O2 + O2

Cu,Zn superossido dismutasi

Arg 141

Thr 56 Glu 131

Thr 135

Cu Cu

10

Å

24

Å

4 Å

5

Å

O2-

O2-

O2-

O2- O2

-

O2-

+

+

-

Cu+ + O2- + 2 H+ Cu2+ + H2O2

Cu2+ + O2- Cu+ + O2

2 O2- + 2H+ O2 + H2O2

Le serina proteasi (o proteasi a serina) sono una classe

di proteasi che basano il loro meccanismo di catalizzazione

della rottura di un legame peptidico sulla presenza di un

residuo di serina.

Questa classe comprende (oltre ad enzimi digestivi) enzimi

che partecipano a processi come lo sviluppo, la coagulazione

e l’infiammazione.

Serina Proteasi

Chimotripsina, tripsina ed elastasi hanno strutture

molto simili e catalizzano la stessa reazione, ma con

specificità diversa per le catene laterali dei residui aa.

accanto al legame peptidico che viene scisso.

Un estere o un'ammide si legano al gruppo -OH della

serina liberando alcol o ammina. In presenza di acqua si

ha la rottura del legame con la serina liberando acido

carbossilico.

La specificità non è tuttavia ben spiegata

Tripsina (bovina) His57

Ser195

Asp102

Serina Proteasi – la triade catalitica

Serina Proteasi

Complesso ES Attacco nucleofilo (Ser)

Intermedio tetraedrico Catalisi acida (His)

Intermedio acil-enzima

(inverso tappa 1) E attivo + P carbonilico

Intermedio tetraedrico (inverso tappa 2)

1

4

2

3

Serina Proteasi Stabilizzazione dello stato di transizione

(distorsione del legame peptidico suscettibile e

formazione dell’intermedio tetraedrico)