ENZIMI

Buongiorno a tutti lettori, mi dispiace non aver postato più nulla da un po ma sono stato impegnato, adesso ho deciso di pubblicare e scrivere una linea guida su un argomento vastissimo cioè quello degli enzimi, l'articolo è un po più lungo del previsto ma spero possa esservi comunque utile :) vorrei specificare che però non ci sono la parte di cinetica enzimatica o esempi di reazione catalitica, che aggiungerò successivamente in altri post.

Bene godetevi la guida e al prossimo post !

Gli enzimi sono sistemi organici che hanno lo scopo di catalizzare le reazioni intracellulari delle vie biosintetiche le quali richiederebbero troppo tempo per ottenere un prodotto.

Ci sono alcuni parametri che ci permettono di identificare e definire un enzima, sono:

1. variazione della velocità di reazione
2. specificità
3. funzionamento a condizioni standard per la cellula (pressione/temperatura/pH)
4. sono soggetti a fenomeni di controllo e inibizione

Tutte queste caratteristiche e modifiche che l’enzima porta all’interno di una reazione sono determinate da fatto che gli enzimi sono molecole con struttura 3D e la loro conformazione particolare è ciò che determina la loro funzione e selettività nei confronti di un substrato.

La storia della scoperta degli enzimi è lunga e fatta da difficili esperimenti, ma sono 3 le tappe fondamentali di questo percorso:

(So che tanti mi diranno che a livello pratico e di conoscenza è inutile sapere la storia della scoperta degli enzimi ma a mio avviso è interessante sapere come le persone sono arrivate alla conclusione che esistesse qualcosa come gli enzimi che catalizzano una reazione senza nemmeno poter vedere queste strutture ma interpretando dati, inoltre è una piccola parte di storia e prendo in considerazione sono gli esperimenti più celebri e gli scienziati più famosi ma in verità ci sarebbero molti nomi da citare ancora)

Louis Pasteur à nel 1850 scopri che il fenomeno della fermentazione non era spontaneo come si pensava ma bensì era veicolato da delle cellule di lievito, quindi senza la presenza di queste cellule la fermentazione non avveniva, questo concetto ha portato al crollo della teoria della generazione spontanea. Ciò che Pasteur non sapeva era con quale meccanismo il processo di fermentazione avveniva e se era la cellula nel suo intero a svolgere l’azione fermentativa o se era qualcosa al suo interno a farlo.

Eduard Buehner à nel 1897 lo studio degli enzimi si portò avanti e Buehner vide che facendo un estratto del succo cellulare di lievito il processo di fermentazione avveniva comunque, quindi dedusse che delle molecole contenute all’interno di queste cellule dovessero compiere l’atto della fermentazione ( l’estratto cellulare è chiamato zimasi)

James Summer à nel 1927, cercò di purificare la proteina ureasi ,un enzima. Purificare una proteina a quel tempo era un processo difficile che richiedeva tempo e metodiche complesse che non alterassero la struttura della proteina, Summer alla fine pensò di cristallizzarla e cosi facendo ottenne la sua proteine purificata.

Successivamente fece uno spettro ai raggi X e vide che quel composto che sapeva essere un enzima era anche una proteina e da qui si arrivò a dire che gli enzimi sono proteine.

Con il passare degli anni vennero fatte nuove scoperte e alle varie parti dell’enzima dati dei nomi specifici.

Apoenzima = è la parte proteica dell’enzima

Cofattore = sono molecole di vario genere per lo più cationi metallici che si legano non covalentemente all’enzima. Ad esempio alcuni cofattori che si legano sono quelli che servono a catalizzare reazioni redox che altrimenti  un qualsiasi enzima non riuscirebbe a fare, perché gli amminoacidi delle proteine che lo costituiscono non possono catalizzare questo tipo di reazione.

Alcuni esempi di cofattori enzimatici sono Fe²⁺;Fe³⁺;Cu²⁺;K⁺;Mn²⁺;Mg²⁺;Zn²⁺ questi cofattori servono per catalizzare moltissime reazioni come: ossidoriduttasi, esochinasi o carbossipeptidasi

Gruppo prostetico sono macromolecole che si legano covalentemente alla proteina enzimatica. ( biotina, fad o gruppo eme)

I coenzimi più comuni sono sfruttati dal corpo e prodotti da esso, ma alcuni coenzimi non sono prodotti dal nostro corpo e quindi è necessario introdurli con una dieta che possa integrarli.

Biotina à trasferisce CO₂

CoA-SH à trasferisce gruppi acilici à il suo precursore è l’acido pantotenico

FAD à trasferisce elettroni à il suo precursore è la vitamina B2

NAD à trasferisce ioni idruro (H^-) à il suo precursore è l’acido nicotinico

Lo studio cosi approfondito degli enzimi ha portato a farne una classificazione, perché il loro numero all’interno di una cellula è enorme, e le loro funzioni anche, cosi è stato necessario raggruppare diversi enzimi in un unico gruppo che svolge una specifica funzione, i gruppi sono chiamati famiglie e sono:

1. ossido riduttasi
2. Transferasi
3. idrolasi
4. liasi
5. isomerasi
6. ligasi

Ogni gruppo corrisponde a una famiglia, e grazie a questa classificazione possiamo scrivere un enzima con delle sigle che ci permette di risalire al tipo di enzima coinvolto nella reazione.

D-Glucosio +ATP à ADP + D-Glucosio-P

L’enzima che catalizza questa reazione è l’enzima : E.C 2.7.1.1

E.C=Identifica che è un enzima

2=Identifica la famiglia di appartenenza

7=Indica una sotto classe, nel caso citato fosfotransferasi

1=Indica il gruppo accettore del gruppo fosfato, nel caso sopra è il gruppo ossidrilico dell’enzima

1=Indica il substrato che usa, nel caso citato il D-Glucosio

In tal modo è possibile conoscere tutto sulla reazione guardando solo la classificazione dell’enzima coinvolto.

Nella reazione:

E + S ↔ ES ↔ EP ↔ E + P

ES è lo stato di transizione di equilibrio, e avviene quando S lega reversibilmente con legami deboli con E formando questo complesso, successivamente S diventa un prodotto P e il complesso EP è meno stabile in tal modo l’enzima rilascia  P più facilmente.

La variazione di energia libera della reazione senza l’uso dell’enzima può essere anche minore di 0 ma comunque può essere che non avviene perché cineticamente è troppo lenta, questo vuol dire che il suo gap energetico di stato di transizione è troppo elevato e il complesso intermedio formato è troppo instabile e richiede energia per essere trasformato in prodotto, a livello molecolare avviene che le molecole coinvolte dovrebbero urtarsi casualmente con un energia che non hanno e quindi la reazione non potrà avvenire, gli enzimi hanno quindi il compito di abbassare il gap energetico dello stato di transizione e permettere quindi il verificarsi della reazione a quelle condizioni.

In questo grafico vediamo la differenza netta tra un substrato catalizzato e uno non catalizzato, il gap energetico di quello catalizzato si abbassa parecchio rispetto all’altro, e ciò fa si che la reazione è più facile che avvenga.

A governare queste reazione ci sono diversi parametri tra qui la costante di equilibrio e la velocità di reazione.

La costante di equilibrio (Keq) si calcola  [P]/[S] associata alla costante di equilibrio possiamo facilmente correlare la variazione di energia libera della reazione che si calcola:

-RTlnKeq.

Durante una reazione catalizzata da un enzima, è importante conoscere le specie che entrano a far parte della reazione, solitamente come sappiamo sono l’enzima e i substrati.

 L’ordine di reazione fa riferimento proprio a questo concetto, esistono diversi ordini di reazione che ci permettono di calcolare esattamente la velocità di reazione per quel sistema in relazione al numero di substrati presenti.

Le reazioni di primo ordine sono reazioni dove all’interno dell’equazione cinetica V=K*[S] entrano la costante K e la concentrazione del substrato che determina lo stadio più lento di tutta la reazione (come regola è necessario sapere che la velocità di una reazione è determinata dallo stadio più lento di quest’ultima indipendentemente dall’enzima o ambiente di reazione)

Le reazioni di secondo ordine invece sono reazioni molto simili a quelle di primo ordine, ma il passaggio più lento adesso è determinato da due molecole e non da una, e quindi è necessario far entrare nel’equazione entrambe le concentrazioni. V=K*[S1]*[S2], questo genere di reazione è definita bimolecolare

Le reazioni di ordine zero o pseudo reazioni di primo ordine, succedono quando uno dei due substrati è in grande eccesso, se per esempio uno dei due reagenti fosse l’acqua come vedremo nell’esempio, nel calcolo della velocità la concentrazione di acqua non entra perché essa non varierebbe la sua concentrazione durante la reazione.

Esempio

Saccarosio +acqua à glucosio + fruttosio

l’acqua in ambiente di reazione è talmente tanta che  non è importante scriverla nell’equazione cinetica V=K*[S]

Studiando le razioni di primo ordine è stato constatato che  la concentrazione dell’enzima è  proporzionale alla velocità di reazione in condizione di substrato saturante.

Usando una tecnica chiamata dosaggio enzimatico, prendiamo una certa quantità di enzima, la aggiungiamo a una quantità di substrato saturante e calcoliamo la velocità di reazione, se adesso ripetiamo nuovamente l’esperimento con il doppio dell’enzima notiamo un aumento della velocità di reazione ed è proprio quello che ci aspettavamo dall’equazione cinetica di primo ordine.

Per concludere questo discorso bisogna notare la correlazione tra energia libera e costante equivalente la Keq , se Keq diventa piccola, cioè abbiamo una bassa formazione di prodotto allora la variazione di energia libera aumenta diventando anche maggiore di zero se già non lo è, se invece la Keq aumenta otteniamo l’effetto opposto.

MODELLI DI LEGAME TRA ENZIMA E SUBSTRATO

Quando un enzima lega con un substrato è importante determinare come avviene questo legame, esistono due modelli differenti che possono spiegare questo legame, il primo è il modello di Fisher, chiamato modello chiave serratura, in questo modello l’enzima ha la forma ideale per accogliere un substrato specifico.

Un ulteriore modello è quello di Koshland, chiamato modello adattativo, in questo modello l’enzima non ha la forma giusta per legarsi perfettamente al substrato e quindi  ciò che avviene è che quando l’enzima si lega al suo substrato questo si adatta per ospitarlo, probabilmente mediante l’utilizzo di energia sotto forma di ATP la conformazione dell’enzima cambia diventando compatibile con il substrato da ospitare.

STATO DI TRANSIZIONE

La variazione di energia libera che si va a liberare dopo l’interazione enzima e substrato ha la proprietà di abbassare l’energia di attivazione della reazione.

Questa teoria prende anche il nome di teoria del complesso attivato dato che il suo studio è basato appunto sul complesso attivato o stato di transizione.

Usare un enzima serve per creare uno stato di transizione più stabile di quello che si creerebbe senza, questa stabilità è anche dovuta alle deboli interazioni tra enzima e substrato che stabilizzano il complesso.

Quindi la reazione poi decorre verso la formazione dei prodotti.

Il punto cruciale di questa teoria dello stato attivato serve per portare alla luce il fatto che l’enzima deve essere più compatibile con il suo stato di transizione che con il suo substrato, se cosi non fosse l’energia libera necessaria per formare il prodotto sarebbe ancora più alta e quindi l’utilizzo del enzima risulterebbe pressoché inutile

Il sistema di creare stati di transizione ad alta energia, per esempio legando qualcosa con l’enzima mediante legami forti, è lo stesso sistema che sfruttano le sostanze inibenti per inattivare un enzima.

Abenzimi, sono anticorpi monoclonali con funzioni catalitiche, hanno la capacità di attivare il sistema immunitario adattativo come gli anticorpi.

Nel prossimo post introdurrò la cinetica enzimatica e la reazione di alcuni enzimi con i suddetti meccanismo catalitici