Introduzione agli enzimi
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Introduzione agli enzimi ( un po’ di storia…). fermentazione dello zucchero in alcol è catalizzata da “fermenti” li chiama enzimi e postula che siano inseparabili dalla struttura della cellula vivente. 1850: Pasteur. gli enzimi coinvolti nella fermentazione possono funzionare

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Presentation Transcript


Introduzione agli enzimi un po di storia

Introduzione agli enzimi (un po’ di storia…)

  • fermentazione dello zucchero in alcol è catalizzata da “fermenti”

  • li chiama enzimi e postula che siano inseparabili dalla struttura della cellula vivente

1850: Pasteur

gli enzimi coinvolti nella fermentazione possono funzionare

anche una volta rimossi dalla struttura della cellula vivente

1897: Buchner

  • isola e cristallizza l’enzima ureasi

  • postula che gli enzimi siano proteine

1926: Sumner

fine anni ’30: Northrop

verifica che gli enzimi sono proteine

Haldane

scrive un trattato intitolato “Enzimi”

sono stati purificati migliaia di enzimi e di centinaia

di essi è stata determinata la struttura e il meccanismo

chimico

seconda metà XX sec:


Introduzione agli enzimi un po di storia

caratteristiche enzimi

  • sono proteine che svolgono un’attività catalitica

  • nei sistemi biologici

sistema di nomenclatura e di

classificazione basato sul tipo di

reazione catalizzata e sul nome

di ciascun enzima (IUB, 1961)

  • ogni cellula contiene alcune migliaia di enzimi diversi

  • e tutti sono necessari per il suo normale funzionamento

  • OSSIDOREDUTTASI

  • TRANSFERASI

  • IDROLASI

  • LIASI

  • ISOMERASI

  • LIGASI

sistema gerarchico, in cui gli enzimi

sono divisi in 6 classi principali

  • a volte è utile classificare un enzima così:

molecola proteica + molecola non proteica

enzima biologicamente attivo

(APOENZIMA)

(GR. PROSTETICO)

(OLOENZIMA)

cofattore

coenzima


Introduzione agli enzimi un po di storia

enzimi: catalizzatori biologici

  • alla fine della reazione, le proteine enzimatiche devono

  • conservare la loro struttura immodificata e pronta per

  • riprendere l’attività catalitica

2. devono essere efficaci in piccole quantità

3. non devono influenzare l’equilibrio di una reazione

chimica reversibile: la costante di equilibrio è una

costante termodinamica caratteristica della reazione

4. devono mostrare specificità nella capacità

di accelerare le reazioni chimiche


Introduzione agli enzimi un po di storia

come lavorano gli enzimi

la velocità di una reazione, misurata come quantità

di prodotto ottenuto in un tempo definito, dipende

dalla energia di attivazione

alzare la temperatura: si incrementa

il numero di molecole che hanno una

quantità sufficiente di energia per

superare la barriera di energia

posso abbassare l’energia

di attivazione aggiungendo

un catalizzatore

diagramma delle variazioni

di energia in una reazione

S P

gli enzimi modificano solo la

velocità della reazione e non

gli equilibri

abbassamento energia

di attivazione

interazioni deboli non

covalenti tra S ed E,

provocano un rilascio

di energia libera

rende enzimi specifici


Introduzione agli enzimi un po di storia

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

SITO ATTIVO

modello chiave-serratura

(Fischer 1894)

modello adattamento induttivo

(Koshland 1954)

(modello eccessivamente semplificato)

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

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


Introduzione agli enzimi un po di storia

cinetica enzimatica

relazione tra la concentrazione del substrato

e la velocità della reazione

  • in generale [S] non rimane costante durante la reazione

  • si valuta Vo iniziale, quando [S] >>[E]

  • tempo di analisi sufficientemente breve

[S] = cost

1. a [S] basse, Vo ha un dipendenza lineare da [S]

2. a [S] alte, Vo tende asintoticamente a Vmax

1913: teoria generale dell’azione degli enzimi

(Michaelis – Menten)

la velocità della reazione è proporzionale a [ES]

il complesso enzima-substrato (ES)

è la chiave per la comprensione del

comportamento cinetico degli enzimi

si definisce uno stato stazionario

quando [ES] rimane costante


Introduzione agli enzimi un po di storia

la relazione tra [S] e la velocità della reazione

enzimatica può essere espressa in modo quantitativo

Equazione di Michaelis - Menten

  • Km = (K2 + K-1) / K1

  • un solo substrato

  • definizione pratica di Km:

  • in genere Km è una funzione complessa; se però K2 << K1 essa

  • può essere considerata la misura dell’affinità di un enzima per

  • il substrato: più è alta Km, minore è l’affinità


Introduzione agli enzimi un po di storia

interpretazione dei termini Vmax e Km

(equazione di Lineweaver – Burk)

grafico dei doppi reciproci:

retta con pendenza Km/Vmax

intercetta asse y

intercetta

asse x

Vmax = K2 [Et]

1/Vmax

-1/Km

numero di turnover

numero di molecole di substrato

che viene convertito in prodotto

nell’unità di tempo da una singola

molecola enziamatica, quando è

saturata con il substrato

si definisce una costante di velocità per

descrivere la tappa che limita la velocità

di una reazione catalizzata


Introduzione agli enzimi un po di storia

accelerare le reazioni

funzioni dell’enzima

controllare e regolare

i processi metabolici

un inibitore enzimatico è una

molecola che impedisce all’enzima

di funzionare correttamente

INIBIZIONE ENZIMATICA

IRREVERSIBILI

REVERSIBILI

  • si legano con un legame covalente ad un

  • residuo di un amminoacido presente nel

  • sito attivo

  • si modifica in modo irreversibile la forma

  • del sito attivo e la conformazione della

  • molecola enzimatica

  • attività dell’enzima si annulla

agiscono con modalità che consentono

all’enzima di recuperare la propria

funzionalità biologica

  • competitivi

  • non competitivi

  • incompetitivi


Introduzione agli enzimi un po di storia

  • l’inibitore ha una forma simile a quella del substrato

  • l’inibitore si lega reversibilmente al sito attivo dell’enzima

  • competizione per conquistare il sito attivo dipende dalla

  • concentrazione dei due contendenti

inibizione competitiva

la Km tende ad aumentare apparentemente

quando sono presenti concentrazioni

crescenti di [I]

  • numero di turnover può scendere

  • rapidamente a zero


Introduzione agli enzimi un po di storia

inibizione non competitiva

  • si ha inibizione non competitiva quando

  • l’inibitore si lega reversibilmente ad un

  • radicale amminoacido dell’enzima in un

  • sito diverso dal sito attivo

  • deformazione del sito attivo: esso può

  • ancora ricevere il substrato, ma non è più

  • in grado di trasformarlo in prodotto

  • numero di turnover è solo abbassato,

  • poiché ciò che diminuisce è Vmax


Introduzione agli enzimi un po di storia

si ha inibizione incompetitiva quando l’inibitore

si lega reversibilmente al complesso enzima – substrato

durante il processo catalitico

inibizione incompetitiva

(diagramma dei doppi

reciproci in presenza di

un inibitore non competitivo

ed uno incompetitivo)

  • l’inibitore non competitivo si lega al’enzima in un sito

  • diverso da quello per il substrato: non si hanno variazioni

  • della Km ma solo la diminuzione di Vmax

  • l’inibitore incompetitivo si lega al complesso enzima – substrato

  • già formato e ciò riduce significativamente le possibilità, per

  • l’enzima, di disfarsi del prodotto: diminuzione di Km e Vmax


Introduzione agli enzimi un po di storia

un eccessivo aumento della temperatura

provoca la denaturazione degli enzimi

con una modificazione irreversibile del

sito attivo e una drastica riduzione

dell’attività catalitica

effetto della temperatura sulle

reazioni catalizzate da enzimi

T > 40, 50°C

effetto di denaturazione

degli enzimi

T < 40, 50°C

le molecole non possiedono, anche

se catalizzate, l’energia sufficiente

per superare la barriera del’energia

di attivazione


Introduzione agli enzimi un po di storia

effetto del pH sulle reazioni

catalizzate da enzimi

il cambiamento del pH altera il grado di ionizzazione

dei diversi gruppi ionizzabili presenti in una molecola

enzimatica; se anche il substrato è un composto

ionico, la sua ionizzazione varierà con il pH

sia la natura ionica del substrato che

quella dell’enzima modificano il modo

di combinarsi dell’uno con l’altro

(andamento della velocità di reazione

enzimatica in funzione del pH)

si può individuare un pH ottimale

e un range di valori di pH entro cui

l’enzima mostra la massima efficienza


Introduzione agli enzimi un po di storia

regolazione dell’attività enzimatica

  • un enzima regolatore è quello che controlla le quantità di sostanze

  • che devono essere trasformate in una via metabolica (catalizza la

  • reazione più lenta)

  • tali enzimi non seguono la cinetica di Michaelis – Menten e sono

  • responsabili della modulazione della velocità con cui decorre

  • l’intero processo metabolico

ENZIMI

ALLOSTERICI

  • struttura quaternaria (due o più subunità proteiche)

  • in essi esistono più siti chimicamente attivi

  • effettore: molecola che interagendo in siti lontani

  • dal sito attivo di un enzima, esercita un qualche

  • effetto sulla sua attività (positivo o negativo)


Introduzione agli enzimi un po di storia

l’enzima allosterico, costituito

da due subunità proteiche, esiste

in due forme oscillanti fra uno

stato attivo ed uno inattivo

effettore negativo

induce una modificazione

del sito attivo tale da

impedire all’enzima di

funzionare

effettore positivo

induce modificazioni che

trasformano lo stato inattivo

dell’enzima nella sua forma

attiva: essa può legarsi al

substrato


Introduzione agli enzimi un po di storia

andamento della velocità di

trasformazione del substrato

sigmoide

(enzima allosterico di classe K:

gli effettori modificano la Km

ma non la Vmax)

essa si presenta, a livello enzimatico, quando il legame

di un effettore su una subunità migliora la possibilità,

per altri effettori, di formare legami successivi su subunità

adiacenti alla prima

cooperatività


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