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Gli enzimi e la catalisi
Enzimi 1 ctf
Distribuzione di energia in una popolazione
di molecole
 Normalmente, le molecole stabili sono per lo pi湛 presenti ad un livello
di energia relativamente basso
 Solo una piccola frazione di esse possiede sufficiente energia per
superare la barriera dellenergia di attivazione
GLI ENZIMI: CATALIZZATORI BIOLOGICI
Accelerano le reazioni chimiche (REAGENTE CHE SI
TRASFORMA IN PRODOTTO)
Non possono alterare lequilibrio della reazione ma
solamente accelerare la velocit di reazione riducendo
lenergia di attivazione richiesta per iniziare la reazione
Dalla regolazione degli enzimi dipende ladattabilit
metabolica
Gli enzimi sono proteine GLOBULARI
GLI ENZIMI: CATALIZZATORI
BIOLOGICI
 Permettono alle reazioni di andare verso
condizioni che lorganismo pu嘆 tollerare
 Pu嘆 processare milioni di molecole ogni
secondo
 Agiscono in modo molto specifico, solo
con pochi tipi di molecole (substrati)
S P
REAZIONE TIPO
Enzimi 1 ctf
La spontaneit di una reazione 竪 determinata dalle propriet
e dalle concentrazioni dei reagenti
La spontaneit di una reazione 竪 determinata dalle propriet
e dalle concentrazioni dei reagenti
Ma se una reazione spontanea non significa che sia veloce
.potrebbe avvenire in tempi lunghissimi
(quindi, in termini biologici, come se non avvenisse)
S P
Velocit = k (S)
Inversamente proporzionale
Allenergia di attivazione
Enzimi 1 ctf
E + S ES EP E + P
REAZIONE ENZIMATICA TIPO
FORMAZIONE DEL COMPLESSO ES
SITO ATTIVO DELL ENZIMA
Enzimi 1 ctf
La teoria dello stato di transizione
 stato fondamentale (reagenti)
 stato di transizione (specie chimiche con legami non
completamente formati)
 intermedi (specie chimiche con legami completamente formati)
 prodotti
Questa teoria considera una reazione solo in termini di:
Enzimi: catalizzatori biologici
X
Y
G
Reazione non
catalizzata
G
G*
G*
Reazione
catalizzata
 Gli enzimi si combinano transientemente col substrato e ne abbassano
lenergia di attivazione
 Non spostano lequilibrio della reazione, ma aumentano la velocit con cui
lequilibrio viene raggiunto
 Non subiscono modificazioni permanenti durante la reazione e sono subito
disponibili per catalizzare una nuovo ciclo di reazione
Analogies for NRG barriers
Enzimi 1 ctf
Enzimi 1 ctf
Determinanti del potere catalitico
 Formazione di legami covalenti tra
enzima e substrato
 Instaurazione di numerose interazioni non
covalenti
ENERGIA DI LEGAME (GB)
Le interazioni deboli
sono ottimali nello
stato di transizione
Il complesso enzima-substrato
E + S ES
Sito attivo
Sito di legame
Sito catalitico
Enzimi 1 ctf
Enzimi 1 ctf
Enzimi 1 ctf
SITO ATTIVO
regione specifica delle molecole enzimatiche
dove il substrato si lega e reagisce per formare
il prodotto. Esistono due modelli per interpretare
linterazione sito attivo-substrato
modello chiave-serratura
(Fischer 1894)
modello adattamento induttivo
(Koshland 1954)
(modello eccessivamente semplificato)
lenzima 竪 una serratura in cui pu嘆 girare solo
la chiave specifica; infatti, solo una determinata
molecola di substrato ha la forma che le permette
di entrare nella fessura del sito attivovdellenzima
in modo che la reazione possa avvenire
la forma assunta dallenzima 竪 adatta a far avvenire
la reazione solo dopo che questo si 竪 legato al
substrato: tale fenomeno serve a portare i gruppi
funzionali specifici dellenzima nellorientamento
corretto necessario per la catalisi della reazione
Funzione dellenergia di legame nella catalisi
Reversibilit delle reazioni enzimaticheReversibilit delle reazioni enzimatiche
 Lenzima favorisce il raggiungimento dellequilibrio,
quindi catalizza anche la reazione inversa
A <====> B
 Ma, se B 竪 substrato di una reazione successiva, la
prima reazione diventa praticamente irreversibile
A -----> B <====> C
 Ci嘆 vale per catene anche molto lunghe di reazioni
(catene enzimatiche)
Enzimi 1 ctf
TIPI DI CATALISI
CATALISI ACIDO-BASE
Enzimi 1 ctf
 CATALISI COVALENTE
 CATALISI COVALENTE
 CATALISI DA IONI METALLICI
Enzimi 1 ctf
Struttura generale degli enzimiStruttura generale degli enzimi
APOENZIMA
(Parte proteica)
OLOENZIMA
coenzima (vitamina)
ione metallico
gruppo prostetico
(legato covalentemente)
Enzimi 1 ctf
I coenzimi sono molecole organiche che si associano alle proteine per
aiutarle a svolgere la funzione catalitica. Essi generalmente sono
vitamine del gruppo B modificate (attivate)
Coenzima nelle reazioni di carbossilazione (trasporto
unit monocarboniosa ossidata)
Biotina (H)
Coenzima correlato all' FH4 per il trasporto dei gruppi
monocarboniosi
Cobalamina (B12)
Coenzima FH4 - trasporto dei gruppi monocarboniosi
ridotti
Acido folico
Coenzima A - trasporto gruppi acilici e in particolare
acetato
Acido pantotenico
Coenzima PLP (piridossalfosfato) - trasporto gruppi
amminici e metabolismo aa in generale
Piridossina (B6)
Coenzimi NAD e NADP - trasporto idrogeno ed
elettroni
Niacina (PP)
Coenzima FAD e FMN - trasporto idrogeno ed
elettroni
Riboflavina (B2)
Coenzima TPP (tiamina pirofosfato) - rimozione
gruppi CO2
Tiamina (B1)
FUNZIONEVITAMINA
CLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALECLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE
ENZIMI:ENZIMI:
 OSSIDOREDUTTASI
 TRANSFERASI
 IDROLASI
 LIASI
 ISOMERASI
 LIGASI
Enzimi 1 ctf
 ossidoreduttasi: reazioni di ossido-riduzione
 1.1 agisce sul gruppo CHOH del donatore
 1.2 agisce sul gruppo aldeidico o chetonico del donatore
 1.3 agisce sul gruppo CH-CH del donatore
 1.4 agisce sul gruppo CH-NH2 del donatore (ammina primaria)
 1.5 agisce sul gruppo C-NH del donatore
 1.6 agisce su NADH o NADPH .
 1.7 agisce su altri composti azotati
 1.8 agisce su gruppi solforati
 1.9 agisce sui gruppi eme
Esempio: DEIDROGENASI, CATALASI, OSSIDASI, PEROSSIDASI, IDROSSILASI
REDUTTASI
CLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALECLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE
ENZIMI:ENZIMI:
 3 - idrolasi: reazioni di idrolisi
 3.1 legami esterei
 3.2 legami glicosidici
 3.3 altri legami
 3.4 legami peptidici
 3.5 legami C-N non peptidici
 3.6 legami anidridici
 3.7 legami C-C
Esempi: ESTERASI, GLICOSIDASI, PEPTIDASI, FOSFATASI,
TIOLASI, LIPASI.
CLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALECLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE
ENZIMI:ENZIMI:
NOMENCLATURA
Diidrossiacetone fosfato <-------> gliceraldeide deidrogenasi
TRIOSOFOSFATO DEIDROGENASI
EC 5.3.1.1.
5. ISOMERASI
3. ossidazione di una parte del substrato e riduzione in un altra
1. Interconversione di aldosi in chetosi e viceversa
1. Primo ingresso nella sotto-sottoclasse 5.3.3.
Nomenclatura enzimatica (academic Press, 1992) 3196 enzimi
Denominazione costituita da 3 parti:
 Nome del substrato
 Nome del coenzima
 Nome della reazione catalizzata + asi
Esempi:
Alcool + NAD+ <-------> aldeide (o chetone) + NADH
Alcool : NAD+ ossidoreduttasi
EC 1.1.1.1
ATP + Creatina <-------> creatina-fosfato + ADP
ATP : Creatina fosfotrasferasi
EC 2.7.3.2
Enzimi 1 ctf
Introduzione agli enzimi (un po di storia)
1850: Pasteur
 fermentazione dello zucchero in alcol 竪 catalizzata da fermenti (lievito)
 li chiama enzimi e postula che siano inseparabili dalla struttura della cellula vivente
1897: Buchner
gli enzimi coinvolti nella fermentazione possono funzionare
anche una volta rimossi dalla struttura della cellula vivente
1926: Sumner  isola e cristallizza lenzima ureasi
 postula che gli enzimi siano proteine
fine anni 30: Northrop verifica che gli enzimi sono proteine
Haldane scrive un trattato intitolato Enzimi
seconda met XX sec: sono stati purificati migliaia di enzimi e di centinaia
di essi 竪 stata determinata la struttura e il meccanismo
chimico

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Enzimi 1 ctf

  • 1. Gli enzimi e la catalisi
  • 3. Distribuzione di energia in una popolazione di molecole Normalmente, le molecole stabili sono per lo pi湛 presenti ad un livello di energia relativamente basso Solo una piccola frazione di esse possiede sufficiente energia per superare la barriera dellenergia di attivazione
  • 4. GLI ENZIMI: CATALIZZATORI BIOLOGICI Accelerano le reazioni chimiche (REAGENTE CHE SI TRASFORMA IN PRODOTTO) Non possono alterare lequilibrio della reazione ma solamente accelerare la velocit di reazione riducendo lenergia di attivazione richiesta per iniziare la reazione Dalla regolazione degli enzimi dipende ladattabilit metabolica Gli enzimi sono proteine GLOBULARI
  • 5. GLI ENZIMI: CATALIZZATORI BIOLOGICI Permettono alle reazioni di andare verso condizioni che lorganismo pu嘆 tollerare Pu嘆 processare milioni di molecole ogni secondo Agiscono in modo molto specifico, solo con pochi tipi di molecole (substrati)
  • 8. La spontaneit di una reazione 竪 determinata dalle propriet e dalle concentrazioni dei reagenti
  • 9. La spontaneit di una reazione 竪 determinata dalle propriet e dalle concentrazioni dei reagenti Ma se una reazione spontanea non significa che sia veloce .potrebbe avvenire in tempi lunghissimi (quindi, in termini biologici, come se non avvenisse)
  • 10. S P Velocit = k (S) Inversamente proporzionale Allenergia di attivazione
  • 12. E + S ES EP E + P REAZIONE ENZIMATICA TIPO FORMAZIONE DEL COMPLESSO ES
  • 15. La teoria dello stato di transizione stato fondamentale (reagenti) stato di transizione (specie chimiche con legami non completamente formati) intermedi (specie chimiche con legami completamente formati) prodotti Questa teoria considera una reazione solo in termini di:
  • 16. Enzimi: catalizzatori biologici X Y G Reazione non catalizzata G G* G* Reazione catalizzata Gli enzimi si combinano transientemente col substrato e ne abbassano lenergia di attivazione Non spostano lequilibrio della reazione, ma aumentano la velocit con cui lequilibrio viene raggiunto Non subiscono modificazioni permanenti durante la reazione e sono subito disponibili per catalizzare una nuovo ciclo di reazione
  • 17. Analogies for NRG barriers
  • 20. Determinanti del potere catalitico Formazione di legami covalenti tra enzima e substrato Instaurazione di numerose interazioni non covalenti ENERGIA DI LEGAME (GB)
  • 21. Le interazioni deboli sono ottimali nello stato di transizione
  • 22. Il complesso enzima-substrato E + S ES Sito attivo Sito di legame Sito catalitico
  • 26. SITO ATTIVO regione specifica delle molecole enzimatiche dove il substrato si lega e reagisce per formare il prodotto. Esistono due modelli per interpretare linterazione sito attivo-substrato modello chiave-serratura (Fischer 1894) modello adattamento induttivo (Koshland 1954) (modello eccessivamente semplificato) lenzima 竪 una serratura in cui pu嘆 girare solo la chiave specifica; infatti, solo una determinata molecola di substrato ha la forma che le permette di entrare nella fessura del sito attivovdellenzima in modo che la reazione possa avvenire la forma assunta dallenzima 竪 adatta a far avvenire la reazione solo dopo che questo si 竪 legato al substrato: tale fenomeno serve a portare i gruppi funzionali specifici dellenzima nellorientamento corretto necessario per la catalisi della reazione
  • 27. Funzione dellenergia di legame nella catalisi
  • 28. Reversibilit delle reazioni enzimaticheReversibilit delle reazioni enzimatiche Lenzima favorisce il raggiungimento dellequilibrio, quindi catalizza anche la reazione inversa A <====> B Ma, se B 竪 substrato di una reazione successiva, la prima reazione diventa praticamente irreversibile A -----> B <====> C Ci嘆 vale per catene anche molto lunghe di reazioni (catene enzimatiche)
  • 34. CATALISI COVALENTE CATALISI DA IONI METALLICI
  • 36. Struttura generale degli enzimiStruttura generale degli enzimi APOENZIMA (Parte proteica) OLOENZIMA coenzima (vitamina) ione metallico gruppo prostetico (legato covalentemente)
  • 38. I coenzimi sono molecole organiche che si associano alle proteine per aiutarle a svolgere la funzione catalitica. Essi generalmente sono vitamine del gruppo B modificate (attivate) Coenzima nelle reazioni di carbossilazione (trasporto unit monocarboniosa ossidata) Biotina (H) Coenzima correlato all' FH4 per il trasporto dei gruppi monocarboniosi Cobalamina (B12) Coenzima FH4 - trasporto dei gruppi monocarboniosi ridotti Acido folico Coenzima A - trasporto gruppi acilici e in particolare acetato Acido pantotenico Coenzima PLP (piridossalfosfato) - trasporto gruppi amminici e metabolismo aa in generale Piridossina (B6) Coenzimi NAD e NADP - trasporto idrogeno ed elettroni Niacina (PP) Coenzima FAD e FMN - trasporto idrogeno ed elettroni Riboflavina (B2) Coenzima TPP (tiamina pirofosfato) - rimozione gruppi CO2 Tiamina (B1) FUNZIONEVITAMINA
  • 39. CLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALECLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE ENZIMI:ENZIMI: OSSIDOREDUTTASI TRANSFERASI IDROLASI LIASI ISOMERASI LIGASI
  • 41. ossidoreduttasi: reazioni di ossido-riduzione 1.1 agisce sul gruppo CHOH del donatore 1.2 agisce sul gruppo aldeidico o chetonico del donatore 1.3 agisce sul gruppo CH-CH del donatore 1.4 agisce sul gruppo CH-NH2 del donatore (ammina primaria) 1.5 agisce sul gruppo C-NH del donatore 1.6 agisce su NADH o NADPH . 1.7 agisce su altri composti azotati 1.8 agisce su gruppi solforati 1.9 agisce sui gruppi eme Esempio: DEIDROGENASI, CATALASI, OSSIDASI, PEROSSIDASI, IDROSSILASI REDUTTASI CLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALECLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE ENZIMI:ENZIMI:
  • 42. 3 - idrolasi: reazioni di idrolisi 3.1 legami esterei 3.2 legami glicosidici 3.3 altri legami 3.4 legami peptidici 3.5 legami C-N non peptidici 3.6 legami anidridici 3.7 legami C-C Esempi: ESTERASI, GLICOSIDASI, PEPTIDASI, FOSFATASI, TIOLASI, LIPASI. CLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALECLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE ENZIMI:ENZIMI:
  • 43. NOMENCLATURA Diidrossiacetone fosfato <-------> gliceraldeide deidrogenasi TRIOSOFOSFATO DEIDROGENASI EC 5.3.1.1. 5. ISOMERASI 3. ossidazione di una parte del substrato e riduzione in un altra 1. Interconversione di aldosi in chetosi e viceversa 1. Primo ingresso nella sotto-sottoclasse 5.3.3. Nomenclatura enzimatica (academic Press, 1992) 3196 enzimi
  • 44. Denominazione costituita da 3 parti: Nome del substrato Nome del coenzima Nome della reazione catalizzata + asi Esempi: Alcool + NAD+ <-------> aldeide (o chetone) + NADH Alcool : NAD+ ossidoreduttasi EC 1.1.1.1 ATP + Creatina <-------> creatina-fosfato + ADP ATP : Creatina fosfotrasferasi EC 2.7.3.2
  • 46. Introduzione agli enzimi (un po di storia) 1850: Pasteur fermentazione dello zucchero in alcol 竪 catalizzata da fermenti (lievito) li chiama enzimi e postula che siano inseparabili dalla struttura della cellula vivente 1897: Buchner gli enzimi coinvolti nella fermentazione possono funzionare anche una volta rimossi dalla struttura della cellula vivente 1926: Sumner isola e cristallizza lenzima ureasi postula che gli enzimi siano proteine fine anni 30: Northrop verifica che gli enzimi sono proteine Haldane scrive un trattato intitolato Enzimi seconda met XX sec: sono stati purificati migliaia di enzimi e di centinaia di essi 竪 stata determinata la struttura e il meccanismo chimico