ENZIMI

Gli enzimi sono molecole biologiche con funzione catalitica a livello cellulare, la loro capacità di rendere più veloci le reazioni è molto maggiore rispetto ai catalizzatori inorganici, infatti riescono a trasformare il reagente in prodotto circa 10^7-8 più velocemente di quanto non avvenga in loro assenza.

Possiamo dividere gli enzimi in due categorie: proteine e ribozimi. I più comuni sono comunque di origine proteica.  Sono classificati in base al tipo di reazione che catalizzano in sei categorie.

1.                 Ossidoreduttasi: svolgono ruolo catalitico in reazioni di trasferimento di elettroni, anche                       sotto forma di ioni H- o radicali H.
2.                 Transferasi: reazioni di trasferimento di gruppi.
3.                 Idrolasi: reazioni di idrolisi di legami C=O,C-N,C-C,P-O-P ( in queste reazioni l’acqua è                   l’accettore del gruppo trasferito).
4.                 Liasi: reazioni di lisi di un substrato che danno luogo alla formazione di un doppio legame
5.                 Isomerasi: reazioni in cui vengono cambiamenti strutturali in una stessa molecola
6.                 Ligasi: reazioni di condensazione di due substrati che richiedono l’energia chimica di                             molecole di ATP.

L’attività enzimatica si esplica abbassando l’energia di attivazione della reazione intervenendo sul meccanismo di reazione senza però prendere parte al fenomeno, infatti al termine della reazione non sono alterati né fisicamente né chimicamente. Quindi in realtà influenzano la velocità con cui la reazione giunge all’equilibrio senza modificare l’equilibrio stesso; per esempio se dalla reazione otteniamo 2 moli in assenza di enzima, le stesse moli le otterremo in presenza del catalizzatore biologico, in un tempo significativamente minore.

Altre caratteristiche importanti degli enzimi:

•                 Presentano elevata specificità (possono essere attivi per un solo substrato o per una                             famiglia di substrati, ma in genere piccole variazioni della struttura chimica del substrato                       rende inefficace l’enzima)
•                 Accelerano specifiche reazioni senza formazione di sottoprodotti
•                 Funzionano in soluzione acquose diluite in condizioni blande di T e pH.

Durante la reazione abbiamo dei reagenti abbastanza stabili (cioè con un’ energia relativamente bassa), che per diventare prodotti devono passare da questo stato di stabilità a uno di instabilità a energia molto elevata, chiamato stato di transizione. Più è in  alto lo stato di transizione più energia bisognerà fornire per passare da reagenti a prodotti. L’enzima abbassa l’energia dello stato di transizione, anche detta energia di attivazione, che è l’energia minima necessaria affinché gli urti delle molecole causino la reazione, ed è fornita dall’energia cinetica delle molecole di reagente che si trasforma successivamente in energia libera. Infatti, la reazione avviene solamente se le molecole si urtano con una sufficiente energia cinetica e abbassando l’energia di attivazione sarà possibile passare più facilmente, e quindi più velocemente ai prodotti.

 La ∆G°# rappresenta l’energia di attivazione e le costanti cinetiche K sono correlate ad essa tramite l’equazione: K= cost (e^(deltaG°#/RT)) quindi all’aumentare di ∆G°# la K diminuisce.

In realtà in presenza dell’enzima abbiamo due tappe nel diagramma: coordinata di reazione-energia.

Infatti la reazione che avviene ha tre fasi:

La convessità in viola esprime il primo “prodotto” della reazione cioè il complesso enzima substrato, uno stato molto stabile chiamato stadio intermedio. 

Si possono verificare due casi

1.                 Una sola delle tappe è responsabile della velocità con cui la reazione avviene.
2.                 Le tappe hanno costante di equilibrio k simile e quindi entrambe condizionano la velocità                     della trasformazione.

Noi ci occuperemo del primo caso.

La tappa lenta sarà quella che porta dal complesso enzima substrato a quello enzima + prodotto, la cui velocità sarà determinante per tutta la trasformazione S ------> P. perciò la velocità complessiva della reazione catalizzata dall’enzima deve essere proporzionale alla concentrazione del complesso ES

 

V(tappa)=k2[ES]

Michaelis e Menten si occuparono della catalisi enzimatica sviluppando un equazione che mette in relazione la velocità di una reazione enzimatica e la concentrazione del substrato.

[s]vmax/(km+[s]) =vo

Gli enzimi che seguono la cinetica di Michaelis e Menten mostrano una dipendenza della velocità iniziale (v0) dalla [S] di tipo iperbolico.

Parametro importante dell’equazione è km   che indica la concentrazione di substrato quando l’enzima lavora a ½ vmax. Infatti sostituendo nell’equazione di MM al posto di V0, ½ vmax ,otterremo che KM=[S].

 km=((k-1)+(k2))/k1  

La km si può ridurre a ([k-1])/k1)infatti essendo la k2<<k1 è un fattore trascurabile. K2 è piccolo perché come abbiamo visto sopra c’è una relazione di proporzionalità inversa tra energia di attivazione e costante cinetica, e siccome k2 rappresenta la costante dell’equazione che determina lo stadio lento, avrà un alto valore di ∆G°# e quindi un basso valore di K2. (K= cost (e^(deltaG°/RT))

Km ci dice l’affinità dell’enzima per il substrato e corrisponde alla costante di dissociazione del complesso [ES].  All’equilibrio la velocità di formazione del complesso [ES] sarà uguale alla velocità di degradazione dello stesso e quindi potremo dire che: k1 [E][S]=(K-1)[ES] perciò k1/(k-1)=([ES])/([E][S])=Kassociazione. Il reciproco sarà la costante di dissociazione

Avremo la k1, che indica la costante di equilibrio di formazione di ES, al denominatore, perciò quando km è piccola avremo grande affinità verso il substrato.

•                 [S]>>10KM              la reazione è efficiente ma non controllabile variando [S] (infatti se S                 è molto grande, km risulta trascurabile e praticamente tutto l’enzima risulta saturato, quindi                   la reazione procederà molto velocemente ma anche se aumentiamo la concentrazione di S                   non ci sarà più enzima da legare al substrato e la velocità sarà già massima)
•                 [S]<<0,1 KM              la reazione non sarà efficiente ma la si può controllare variando [S]                 (ci sarà poco substrato legato all’enzima quindi avremo una bassa velocità ma si potrà                         facilmente aumentare regolando la concentrazione di substrato)
•                 [S] = KM            questa situazione è riscontrabile all’interno della cellula e in questo caso                   avremo una velocità intermedia e allo stesso tempo regolabile a seconda di [S]

Altro parametro fondamentale è la Kcat che esprime quanto velocemente un enzima può catalizzare una data reazione. Quindi ci dice quanto efficiente è l’enzima, il numero di eventi catalitici nell’unità di tempo.

Kcat=vmax/[E]tot . 

E poiché dall’equazione V(tappa)=k2[ES] vista precedentemente possiamo dire che k2=v[ES] avremo che alle condizioni in cui v=vmax e tutto l’enzima è saturato, k2 sarà uguale a kcat.

Sia km che kcat sono costanti specifiche per ogni reazione. Nonostante ciò il loro rapporto è quasi sempre invariato e oscilla tra 10^7/8 M^(-1) s^(-1).

kcat/km  tramite questo parametro siamo in grado di valutare insieme l’efficienza e la specificità di un enzima.