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Gli Enzimi: Definizione, Specificità, Stabilità e Regolazione, Study notes of Enzymes and Metabolism

Una introduzione allo studio degli enzimi, comprensione della loro definizione, specificità, stabilità e regolazione. Gli enzimi sono macromolecole che catalizzano reazioni chimiche, abbassando l'energia di attivazione e rendendo possibile la trasformazione di substrati in prodotti. La specificità di un enzima è determinata dalla compatibilità tra la forma del substrato e il suo sito attivo. La stabilità di un enzima è influenzata da fattori ambientali come temperatura e pH. Molti enzimi richiedono la presenza di cofattori per la loro attività catalitica. Le proteine possono essere regolate in modo allosterico, covalente o per taglio proteolitico.

Typology: Study notes

2020/2021

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03- GLI ENZIMI
L’insieme delle reazioni chimiche di un organismo è detto METABOLISMO.
Una via metabolica inizia con una specifica molecola che viene modificata tramite delle tappe definiti, fino a
trasformarla in un certo prodotto. Ogni tappa è catalizzata da un enzima specifico.
Il metabolismo gestisce le risorse energetiche della cellula ed è formato da 2 tipi di processi:
1- VIE CATABOLICHE processi degradativi, che liberano energia demolendo le molecole complesse
in composti più semplici (respirazione cellulare)
2- VIE ANABOLICHE o BIOSINTETICHE vie che consumano energie per formare molecole complesse
a partire da precursori semplici
Definizione un enzima è una macromolecola che agisce da catalizzatore, ovvero un agente chimico che
accelera la velocità di una reazione senza che esso stesso venga consumato nel corso della stessa.
BARRIERA DELL’ENERGIA DI ATTIVAZIONE
Ogni reazione chimica tra molecole implica la rottura di alcuni legami e la formazione di nuovi. La
trasformazione di una molecola in un’altra richiede, di solito, la distorsione della molecola stessa, in uno
stato instabile prima che la reazione possa procedere.
La formazione di nuovi legami delle molecole dei prodotti determina la liberazione di energia sotto forma di
calore e le molecole assumono forme stabili con contenuti energetici minori di quelli nello stato instabile o
distorto.
L’energia di attivazione della reazione è rappresentata dal valore corrispondente alla parte più alta della
curva in cui il contenuto di energia libera delle molecole dei
reagenti aumenta.
All’apice i reagenti trovano in una condizione instabile
nota come stato di transizione in cui sono attivati e i loro
legami possono essere rotti.
L’ultima fase in cui vi è la formazione di nuovi legami
corrisponde alla parte in discesa della curva, dove mostra
l’energia libera ceduta dalle molecole.
Caratteristiche dell’energia di attivazione:
1- È spesso fornita sotto forma di calore, che le molecole dei reagenti assorbono dall’ambiente
2- I legami delle molecole dei reagenti si rompono solo quando le molecole hanno assorbito energia
sufficiente per diventare instabili e passare allo stato di transizione
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03- GLI ENZIMI

L’insieme delle reazioni chimiche di un organismo è detto METABOLISMO. Una via metabolica inizia con una specifica molecola che viene modificata tramite delle tappe definiti, fino a trasformarla in un certo prodotto. Ogni tappa è catalizzata da un enzima specifico. Il metabolismo gestisce le risorse energetiche della cellula ed è formato da 2 tipi di processi: 1- VIE CATABOLICHE  processi degradativi, che liberano energia demolendo le molecole complesse in composti più semplici (respirazione cellulare) 2- VIE ANABOLICHE o BIOSINTETICHE  vie che consumano energie per formare molecole complesse a partire da precursori semplici Definizione  un enzima è una macromolecola che agisce da catalizzatore, ovvero un agente chimico che accelera la velocità di una reazione senza che esso stesso venga consumato nel corso della stessa.

BARRIERA DELL’ENERGIA DI ATTIVAZIONE

Ogni reazione chimica tra molecole implica la rottura di alcuni legami e la formazione di nuovi. La trasformazione di una molecola in un’altra richiede, di solito, la distorsione della molecola stessa, in uno stato instabile prima che la reazione possa procedere. La formazione di nuovi legami delle molecole dei prodotti determina la liberazione di energia sotto forma di calore e le molecole assumono forme stabili con contenuti energetici minori di quelli nello stato instabile o distorto. L’energia di attivazione della reazione è rappresentata dal valore corrispondente alla parte più alta della curva in cui il contenuto di energia libera delle molecole dei reagenti aumenta. All’apice i reagenti sì trovano in una condizione instabile nota come stato di transizione in cui sono attivati e i loro legami possono essere rotti. L’ultima fase in cui vi è la formazione di nuovi legami corrisponde alla parte in discesa della curva, dove mostra l’energia libera ceduta dalle molecole. Caratteristiche dell’energia di attivazione: 1- È spesso fornita sotto forma di calore, che le molecole dei reagenti assorbono dall’ambiente 2- I legami delle molecole dei reagenti si rompono solo quando le molecole hanno assorbito energia sufficiente per diventare instabili e passare allo stato di transizione

3- Quando si stabilizzano nelle nuove disposizioni di legame stabile, le molecole liberano energia nell’ambiente Per centre razioni il valore dell’energia di attivazione è tanto modesto che anche a temperatura ambiente l’energia termica è sufficiente a far raggiungere lo stato di transizione. In altri casi tale barriera è tanto elevata e lo stato di transizione si raggiunge molto raramente, a tal punto che la reazione procede difficilmente. Il calore accelera le reazioni permettendo le molecole dei reagenti di raggiungere lo stato di transizione. Tuttavia questa soluzione sarebbe inappropriata per i sistemi biologici: 1- Le alte temperature denaturano le proteine uccidono le cellule 2- Il calore accelererebbe tutte le reazioni e non soltanto quelle necessarie Per tali motivi gli organismi utilizzano i catalizzatori. Un enzima catalizza una reazione abbassando la barriera dell’energia di attivazione, permettendo alle molecole dei reagenti di assorbire una quantità di energia sufficiente a fargli raggiungere lo stato di transizione anche a temperature moderate. Quindi gli enzimi si limitano ad accelerare reazioni che decorrerebbero comunque in modo spontaneo. Inoltre gli enzimi sono molto selettivi per quanto riguarda le reazioni da catalizzare. Quindi sono molto specifici sia per la reazione da catalizzare (specificità di reazione) (redox, idrolisi, ecc), sia per quanto riguarda il substrato (specificità di substrato). Il nome degli enzimi deriva dal suo substrato o da una parole/frase che ne descrive l’attività, aggiungendo il suffisso – ASI. La classificazione e la nomenclatura sono effettuate in base al tipo di reazione che catalizzano.

SPECIFICITÀ E SUBSTRATO ATTIVO

  • Il reagente con cui agisce l’enzima (E) è detto substrato dell’enzima (S)
  • L’enzima si lega ad S formando un complesso enzima-subrasto (E-S)
  • Mentre E-S sono uniti, l’azione catalitica dell’enzima determina la trasformazione del subrastrato nel prodotto (E+P) OGNI ENZIMA CATALIZZA LA PROPRIA REAZIONE IN MODO ALTAMENTE SPECIFICO Un enzima può distinguere il proprio specifico substrato tra molecole anche molto simili tra loro. Solo una regione limitata nella molecola enzimatica lega substrato. Questa regione nota come sito attivo:
  • si presenta come una tasca o come un solco presente sulla superficie della proteina dove avviene la catalisi.
  • è solitamente costituito soltanto da pochi aminoacidi La specificità di un enzima è attribuibile alla compatibilità tra la forma della molecola del substrato e quella del suo sito attivo

STABILITÀ DI UN ENZIMA

L'attività di un enzima, cioè l'efficienza con cui agisce è influenzata da fattori ambientali come temperature e pH. Pertanto, ogni enzima agisce meglio in certe condizioni piuttosto che in altre. Temperatura  Ogni enzima presenta una temperatura ottimale nel catalizzare reazioni alla massima velocità. La maggior parte degli umani presenta una temperatura ottimale di 35 -40 °C pH  I valori di pH ottimale di molti enzimi cade nell’intervallo tra 6 e 8. Tuttavia, sono note eccezioni: per esempio la pepsina, un enzima digestivo presente nello stomaco dell'uomo che funziona meglio a pH

fosfato, più raramente un nucleotide o un radicale dell’acido acetico (acetile)] o dal suo distacco in seguito alla rottura del legame. Il meccanismo richiede l’intervento di due enzimi che agiscono in modo opposto sulla proteina regolata: uno che catalizza il trasferimento del gruppo chimico da un composto donatore alla proteina formando un legame covalente, l’altro che causa il distacco del gruppo chimico catalizzando l’idrolisi del legame che lo lega alla proteina. A seconda della natura chimica del gruppo legato alla proteina, si distinguono:

  • regolazione per fosforilazione/defosforilazione
  • per metilazione/demetilazione
  • ecc. Affinch é́il meccanismo funzioni, occorre che l’attività di questi enzimi sia a sua volta regolata, in modo che quando uno è attivo, l’altro sia inibito e viceversa.

REGOLAZIONE PER TAGLIO PROTEOLITICO

Questo tipo di regolazione dell’attività biologica di una proteina si basa sulla rimozione di una parte della catena polipeptidica ad opera di specifici enzimi proteolitici (che degradano le proteine). La rimozione di alcuni aminoacidi (taglio proteolitico) determina l’attivazione della proteina. Questa regolazione è detta attivazione per taglio proteolitico. Esempio: gli enzimi digestivi del pancreas (tripsina, chimotripsina e carbossipeptidasi) sono sintetizzati sotto forma di precursori inattivi (detti zimogeni). Ciascuno di questi enzimi deve subire un taglio proteolitico per dare origine all’enzima attivo. Ad esempio, la tripsina è sintetizzata inizialmente in forma inattiva detta tripsinogeno. Quando raggiunge il duodeno, il tripsinogeno viene attivato in tripsina mediante un taglio. Da tenere presente che, in questo tipo di regolazione, la modificazione è irreversibile.

MODELLO CHIAVE-SERRATURA

Il legame dei substrati avviene in tasche degli enzimi dette siti attivi, dove i residui amminoacidici

presenti assicurano la specificità del legame con i substrati e i meccanismi di catalisi necessari a far

avvenire la reazione. Ma da cosa è assicurata la specificità? La specificità è soprattutto assicurata da

interazioni deboli. L’interazione tra il substrato e il sito attivo è stata classicamente descritta con il

modello chiave-serratura, proposto da Fisher nel 1894.

MODELLO DELL’ADATTAMENTO INDOTTO

Secondo il modello dell’adattamento indotto, proposto da Koshlandnel 1958 -e attualmente maggiormente accreditato -la specificità di legame non si realizza con il substrato ma con quello che viene definito STATO DI TRANSIZIONE, lo stato della molecola che ha subito alcune prime modifiche e si trova in una condizione intermedia tra il substrato iniziale e il prodotto fina

AGONISTA E ANTAGONISTA

Affinché l’enzima possa funzionare, ha bisogno che il sito attivo venga occupato da qualcosa in grado di innescare le corrette cascate.  Si dice AGONISTA quel ligando che è in grado di innescare la cascata a valle del recettore. Può essere un farmaco. Ad esempio, se fisiologicamente il ligando non viene prodotto, il farmaco agonista verrà progettato in modo tale da avere la stessa forma e in modo tale che instauri le stesse interazioni del ligando fisiologico, ottenendo così lo stesso risultato. Si dice ANTAGONISTA quel ligando che è in grado di legarsi al recettore ma non permette alla cascata di innescarsi. Può essere un farmaco. Ad esempio, se fisiologicamente ho troppo ligando e la cascata è esageratamente/non fisiologicamente attivata, progetterò il farmaco in modo tale da avere la stessa forma che gli permette di interagire, ma non innescherà nessuna cascata.