natura chimica degli enzimi
Gli enzimi sono biocatalizzatori sintetizzati dalle cellule e svolgono funzioni catalitiche nel corpo.
Le reazioni catalizzate dagli enzimi sono chiamate reazioni enzimatiche
substrato
Sostanze che subiscono reazioni chimiche catalizzate da enzimi
Prodotto
Sostanze prodotte da reazioni enzimatiche
natura chimica
Principalmente proteine, qualche RNA
Classificazione degli enzimi
enzima semplice
Enzimi che sono proteine pure
enzima di coniugazione
Oltre alle proteine, vengono legati anche alcuni componenti non aminoacidici (cofattori).
Cofattore
coenzima
Piccole molecole organiche che sono debolmente legate agli apoenzimi e possono essere rimosse mediante dialisi
base protesica
Piccole molecole organiche che sono legate covalentemente alle proteine enzimatiche e strettamente legate agli apoenzimi e non possono essere rimosse mediante dialisi o ultrafiltrazione.
Proprietà catalitiche degli enzimi
Proprietà comuni dei catalizzatori enzimatici e non enzimatici
Può catalizzare solo le reazioni termodinamicamente consentite
Una volta completata la reazione, non viene consumata né modificata e può essere riutilizzata.
L'effetto catalitico sulle reazioni dirette e inverse è lo stesso
La costante di equilibrio non viene modificata, ma la velocità verso l'equilibrio viene accelerata o il tempo necessario per raggiungere l'equilibrio viene ridotto.
proprietà catalitiche uniche degli enzimi
efficienza, specificità
specificità assoluta
Agisce solo su un substrato e non su altre sostanze
specificità relativa
Può agire su una classe di substrati strutturalmente simili
Tre teorie che spiegano la specificità dell'enzima
Dottrina della serratura e della chiave
teoria dell’adattamento indotto
Dottrina dei tre punti e una linea
Distinguere gli enantiomeri e spiegare la stereospecificità
Si lega al substrato nel centro attivo
centro attivo
La regione di una molecola enzimatica che si lega direttamente al substrato ed è direttamente correlata alla catalisi
Per lo più residui aa idrofobici, una piccola quantità di residui aa idrofili (la reazione catalitica è aa idrofila)
Il centro attivo è strutturalmente complementare al substrato e la conformazione non è fissa.
Condizioni di reazione lievi, sensibili alle condizioni di reazione, facili da inattivare
Ha un'elevata adattabilità
Fattori che influenzano le reazioni enzimatiche
velocità di reazione enzimatica
La variazione della concentrazione del substrato o del prodotto per unità di tempo
Fattori influenzanti
riflesso della temperatura
forza ionica
concentrazione di protoni
Influisce sul pH della reazione
Concentrazione di ioni metallici
Può fungere da cofattore per gli enzimi, influenzando così la velocità di reazione
pH del mezzo di reazione
Colpisce lo stato di dissociazione delle molecole enzimatiche
Colpisce lo stato di dissociazione di un substrato, gruppo prostetico o coenzima
Attivatori enzimatici o inibitori enzimatici
concentrazione di enzimi
In determinate condizioni di pH e temperatura, quando la concentrazione del substrato è molto maggiore della concentrazione dell'enzima, la velocità di reazione è direttamente proporzionale alla concentrazione dell'enzima.
concentrazione del substrato
Reazione del terzo ordine con concentrazione del substrato
Quando la concentrazione del substrato è bassa, si verifica una reazione del primo ordine
All'aumentare della concentrazione del substrato, la reazione si comporta come una reazione a livello misto
Quando la concentrazione del substrato è piuttosto elevata, si verifica una reazione di ordine zero.
Teoria dell'intermedio del substrato enzimatico
Cinetica della reazione di Michaelis
Descrivere la relazione tra la velocità di reazione dell'enzima Michaelis e la concentrazione del substrato
Derivazione dell'equazione di Michaelis-Menten
La velocità di reazione è la velocità iniziale
Il complesso enzima-substrato è allo stato stazionario, cioè la concentrazione di ES non cambia.
Secondo la legge dell’azione di massa
Allo stato stazionario, il tasso di formazione di ES è uguale al tasso di dissociazione di ES.
Interpretare l'equazione di Michaelis-Menten
Km è la concentrazione del substrato alla quale la velocità iniziale della reazione enzimatica è la metà di Vm
È una costante caratteristica dell'enzima, che è correlata solo alla natura dell'enzima e non ha nulla a che fare con la concentrazione dell'enzima.
In determinate condizioni, può riflettere l'affinità tra l'enzima e il substrato Maggiore è la Km, minore è l'affinità tra l'enzima e il substrato.
Quando il valore Km dell'enzima per il substrato è inferiore al valore Km del prodotto, la reazione è favorevole alla reazione diretta, altrimenti è favorevole alla reazione inversa.
Vmax
Velocità di reazione massima teorica, che cambia con la concentrazione dell'enzima
Kcat
La costante catalitica o numero di conversione o numero di turnover di un enzima si riferisce specificamente al numero totale di molecole con cui una molecola enzimatica converte un substrato in un prodotto per unità di tempo.
kcat=k2=Vmax/Et
Può misurare la velocità di una reazione enzimatica
Kcat/Km
Viene utilizzato per misurare l'efficienza catalitica di un enzima e può anche riflettere la perfezione di un enzima.
La dualità dell'equazione di Michaelis-Menten
Quando la concentrazione del substrato è molto bassa, cioè S è molto inferiore a Km, l'equazione di Michaelis-Menten cambia in
Rispettare la cinetica del primo ordine
Quando la concentrazione del substrato è molto elevata, cioè S è molto maggiore di Km, l'equazione di Michaelis-Menten può essere trasformata in
Conforme alla dinamica di ordine zero
Doppio grafico reciproco dell'enzima di Michaelis
Effetto inibitore degli enzimi
inibitore reversibile
Si lega reversibilmente all'enzima tramite legame secondario
inibitore competitivo
Gli inibitori competono con il substrato
inibitore non competitivo
Può essere combinato sia con ES che con E
inibitore anticoncorrenziale
Può legarsi solo all'ES, in modo che il substrato legato al centro attivo non possa più essere convertito in prodotti
inibitore irreversibile
Si lega irreversibilmente all'enzima attraverso forti legami chimici ed è irreversibile una volta inattivato.
inibitori gene-specifici
Modifica covalente dei gruppi essenziali della catena laterale sul centro attivo dell'enzima
inibitore analogico del substrato
Strutturalmente simile al substrato, si lega all'enzima nel centro attivo e modifica in modo irreversibile i gruppi essenziali sul centro attivo dell'enzima.
Inibitori analogici dello stato di transizione
Molto simile allo stato di transizione di una reazione enzimatica, si lega al centro attivo dell'enzima, impedendo al substrato di legarsi all'enzima.
inibitore del suicidio
Catalizzati da un enzima, si verificano diverse reazioni, ma non si forma alcun prodotto. I gruppi essenziali dell'enzima vengono invece modificati, con conseguente perdita dell'attività enzimatica.
Cinetica degli enzimi allosterici
effetto allosterico
Dopo che la parte non catalitica della molecola dell'enzima si è combinata in modo reversibile e non covalente con alcuni composti, la conformazione cambia, modificando così lo stato attivo dell'enzima, che è chiamato effetto allosterico dell'enzima.
Gli enzimi con effetti specifici sono chiamati enzimi allosterici
Le sostanze che possono causare effetti allosterici sulle molecole enzimatiche sono chiamate effettori allosterici
Proprietà degli enzimi allosterici
tasso, la curva di concentrazione del substrato è a forma di S
Risposte bidirezionali all'inibizione competitiva
A basse concentrazioni induce un effetto sinergico positivo degli enzimi allosterici e aumenta la velocità di reazione del substrato.
Ad alte concentrazioni, occupa il centro attivo dell'enzima e il substrato non può combinarsi normalmente con S, inibendo la velocità di reazione.
Una lieve denaturazione può portare alla perdita degli effetti allosterici
Di solito gli enzimi oligomerici e gli enzimi allosterici sono in minoranza
Equazione di collina
h=1, non è un enzima allosterico e non ha cooperatività del substrato.
h>1, il grafico della velocità rispetto alla concentrazione del substrato è a forma di S, con cooperatività del substrato positiva.
Curva a S
Gli enzimi sono sensibili ai cambiamenti nella concentrazione del substrato nell'ambiente e regolano sensibilmente il metabolismo.
h<1, l'enzima ha una cooperatività del substrato negativa
iperbole apparente
L'enzima è estremamente insensibile ai cambiamenti nella concentrazione del substrato nell'ambiente, garantendo che le reazioni importanti non siano influenzate dal substrato e possano sempre procedere.
meccanismo catalitico enzimatico
Contenuti della teoria della stabilità degli stati di transizione
Nel processo di qualsiasi reazione chimica, i reagenti devono raggiungere uno specifico stato ad alta energia per reagire. Questo stato instabile ad alta energia è chiamato stato di transizione. Per raggiungere lo stato di transizione, i reagenti devono avere abbastanza energia per attraversarlo energia di attivazione.
L'affinità dell'enzima per lo stato di transizione è molto maggiore dell'affinità per il substrato (stato fondamentale) e l'effetto catalitico dell'enzima deriva dalla stabilizzazione della transizione.
Meccanismo chimico di stabilizzazione dello stato di transizione
risposta diretta alla prossimità
Significa che due o più substrati si combinano contemporaneamente con l'enzima nel centro attivo dell'enzima, congelando la traslazione e la rotazione di alcuni legami chimici, in modo che adottino il corretto orientamento spaziale, aumentando notevolmente la concentrazione dei substrati
Catalisi acido-base generalizzata
Si riferisce ai residui di amminoacidi coinvolti nella catalisi nel centro attivo dell'enzima che guadagnano o perdono protoni (trasferendosi agli intermedi dello stato di transizione per ottenere l'effetto di stabilizzare lo stato di transizione). Questo meccanismo è coinvolto nel processo catalitico della maggior parte degli enzimi.
Se il valore pKa è vicino a 7, il gruppo della catena laterale può essere il catalizzatore acido-base generalizzato più efficace, come il gruppo imidazolico del residuo di His. In condizioni fisiologiche, metà è acido e metà è base, e la velocità di rilascio i protoni sono veloci.
La velocità di reazione dipende dal pH e dalla concentrazione del tampone
catalisi elettrostatica
La distribuzione delle cariche del centro attivo viene utilizzata per stabilizzare lo stato di transizione di una reazione enzimatica. L'enzima utilizza il proprio gruppo carico per neutralizzare la carica opposta generata quando si forma uno stato di transizione della reazione per catalizzarla.
A volte il substrato viene introdotto nel centro attivo dell'enzima attraverso l'interazione elettrostatica tra l'enzima e il substrato.
catalisi dei metalli
Metalloenzima
Contiene ioni metallici strettamente legati
enzima che attiva il metallo
legati debolmente agli ioni metallici in soluzione
Come catalizzano gli ioni metallici
Funziona come un acido di Lewis
Si lega ai substrati caricati negativamente per favorire il corretto orientamento del substrato durante la reazione
Partecipa alla catalisi elettrostatica e stabilizza gli stati di transizione caricati negativamente
Partecipa alle reazioni redox come donatore o accettore di elettroni attraverso cambiamenti reversibili nello stato di valenza
come componente della struttura dell'enzima
catalisi covalente
Durante il processo catalitico, l'enzima forma temporaneamente intermedi covalenti instabili con determinati gruppi sul substrato.
nucleofilo
Un reagente che dona una coppia di elettroni a un reagente per formare un legame covalente
elettrofilo
Un reagente che ottiene una coppia di elettroni da un reagente per formare un legame covalente
Tipicamente, gli acidi di Lewis sono elettrofili e le basi di Lewis sono nucleofili.
Deformazione del substrato
Quando l'enzima incontra il substrato, l'enzima induce i legami sensibili nel substrato a diventare più sensibili, generando così tensione e deformazione elettronica, portando il substrato più vicino al suo stato di transizione.
Struttura e funzione di diversi enzimi comuni
serina proteasi
Il gruppo catalitico comprende un residuo di serina indispensabile e DIFP è il suo catalizzatore irreversibile
trypsin
Ha una tasca profonda per legare il substrato, adatta per legare Lys e Arg a catena lunga
chimotripsina
La tasca di legame del substrato è ampia e la parete della tasca è distribuita con amminoacidi idrofobici, particolarmente adatti per il legame di amminoacidi aromatici.
elastasi
Tasca di legame poco profonda, adatta per amminoacidi con catene laterali più piccole (come la glicina)
triade catalitica
Ser195
Gruppo di affinità che funge da substrato attaccante
Suo57
Come catalizzatore acido-base generalizzato
Asp102
Prendi di mira His57 e influenza il suo pH per modificare le sue proprietà acido-base
foro anionico dell'ossigeno
Stabilizzazione degli stati di transizione tetraedrici mediante legami a idrogeno
Riepilogo del processo catalitico della serina proteasi
Ser195 catalisi acida generalizzata, catalisi covalente (substrato di attacco)
His57 catalisi acido-base generalizzata
Trasferimento di protoni 1
Trasferimento di protoni 2
Due attacchi pro-nucleari
Ser-O attacca il gruppo carbonilico del substrato per formare un legame covalente (stato di transizione tetraedrico)
H2O-OH attacca il gruppo carbonilico del complesso covalente per formare un legame covalente (stato stabile tetraedrico)
un buco anionico di ossigeno
Stabilizzazione degli stati di transizione tetraedrici mediante legami a idrogeno
Metalloproteinasi
Ci sono ioni metallici legati al centro attivo e la loro attività richiede assolutamente ioni metallici, quindi l'agente chelante dei metalli EDTA può causare la perdita della sua attività.
proteasi aspartica
Il gruppo catalitico comprende due aspartati, che sono inattivi in condizioni di pH alcalino.
Proteasi tiolica
Il gruppo catalitico comprende un residuo di cisteina e l'acido iodoacetico è il suo catalizzatore irreversibile
Regolazione dell'attività enzimatica
Cambiamenti quantitativi degli enzimi (controllo dei livelli degli enzimi, concentrazioni)
Controllare l'espressione dei geni degli enzimi e la degradazione delle molecole degli enzimi
isoenzima
Enzimi che catalizzano la stessa reazione ma hanno proprietà strutturali diverse
Esempio: quattro isoenzimi dell'esochinasi
HK1
Distribuito principalmente nel cervello
HK2
Distribuito principalmente nei muscoli scheletrici
HK3
Distribuito principalmente nei globuli bianchi
HK4
Distribuito principalmente nel fegato (glucochinasi)
La diversa distribuzione tissutale e i diversi cambiamenti di concentrazione rispondono alle diverse esigenze dell’organismo
esochinasi
inibito dal feedback del prodotto
Controlla la velocità della glicolisi
Glucochinasi
Enzima monomerico, non soggetto ad inibizione allosterica
Responsabile dell’abbassamento dello zucchero nel sangue e del mantenimento della stabilità
Cambiamento qualitativo dell'enzima (controllo dell'attività enzimatica)
Modula l'attività enzimatica esistente senza modificare la concentrazione dell'enzima (basso consumo energetico, veloce)
aggiustamento allosterico
Oltre al centro attivo, alcuni enzimi allosterici contengono anche centri allosterici che possono legarsi ad alcune speciali molecole di ligando, modificando così la conformazione dell'enzima e provocando cambiamenti nell'attività enzimatica.
Sia gli enzimi sinergici che quelli non sinergici possono essere regolati allostericamente
modificazione covalente
Le molecole enzimatiche vengono modificate in modo covalente reversibile sotto la catalisi di altri enzimi. Questo enzima è chiamato enzima regolatore della modificazione covalente. È un enzima chiave che regola alcuni metabolici. È regolato dagli ormoni e può essere amplificato a cascata.
Alcuni enzimi assumono lo stato modificato come stato attivo
Alcuni enzimi sono attivi in uno stato demodificato
Diverse forme di modificazione covalente degli enzimi
Caratteristiche della regolazione della modificazione covalente
Gli enzimi esistono in due forme diversamente modificate o diversamente attive
Ci sono cambiamenti nei legami covalenti
Influenzato da altri fattori regolatori (ad esempio ormoni)
Generalmente un processo che consuma energia
C'è un effetto di amplificazione
attivazione idrolitica
Il processo di conversione degli enzimi inattivi (zimogeni) in enzimi attivi sotto la catalisi degli enzimi
meccanismo di attivazione
Sotto la catalisi dell'enzima, i frammenti peptidici in eccesso dello zimogeno vengono tagliati
L'essenza dell'attivazione
Forma il centro attivo dell'enzima
significato fisiologico
Un metodo di autoprotezione biologica
Un modo per regolare l'attività enzimatica per garantire il normale metabolismo nel corpo
Attivazione o inibizione delle proteine regolatrici
Alcune proteine agiscono come ligandi per legarsi a enzimi specifici e regolare l'attività dell'enzima legato.
Questa proteina è chiamata proteina regolatrice
Polimerizzazione e dissociazione delle subunità enzimatiche
Caratteristiche dell'attivazione degli zimogeni
Il processo è accompagnato da cambiamenti nella struttura primaria della proteina enzimatica
Processo di idrolisi, irreversibile, regolazione una tantum
Si tratta di un rapido processo di amplificazione del segnale ottenuto attraverso l'effetto a cascata per completare funzioni specifiche.
PS: Meccanismo catalitico del lisozima
Catalisi acido-base generalizzata
catalisi elettrostatica
Asp52 (carica negativa) stabilizza i substrati dello stato di transizione caricati positivamente
Deformazione del substrato
Per adattarsi alla conformazione del centro attivo dell'enzima, la catena dello zucchero cambia da sedia a semisedia, rendendo più probabile la rottura del legame glicosidico.
Wondershare EdrawMind
