Title: Enzimi: concetti di base e meccanismi di catalisi enzimatica
1Enzimi concetti di base e meccanismi di catalisi
enzimatica
a. Classificazione, meccanismo dazione b. Esempi
di reazioni catalizzate c. Descrizione di alcune
tipiche proteine enzimatiche.
Cofattori e vitamine
a. caratteri generali, funzioni, effetti
biologici b. regolazioni metaboliche delle
vitamine A, D, E, F, K, B1, B2, B3, B6,
B8, B12, C, H, PP c. trasformazione di vitamine
in coenzimi.
2Gli enzimi
Gli enzimi promuovono effetti catalitici.
Possono essere proteine semplici ma spesso
possiedono un gruppo prostetico che è
fondamentale per la regolazione degli effetti
catalitici. Quando siamo in presenza di un enzima
che sia una proteina coniugata si
indica Oloenzima apoenzimacoenzima Apoenzim
a parte proteica semplice, alcuni enzimi sono
solo apoenzimi Coenzima gruppo prostetico, parte
non proteica (derivato da una vitamina o metallo)
che determina gli effetti catalitici
3Classificazione degli enzimi
- Sono stati individuati 6 tipi fondamentali di
reazioni enzimatiche - OSSIDOREDUTTASICHE (trasporto di elettroni)
- TRANSFERASICHE (trasferimento di gruppi)
- IDROLASICHE (scissione)
- LIASICHE (prevedono formazione o scissione
reversibile di legami) - ISOMERASICHE (isomerizzazione del substrato)
- LIGASICHE (sintesi unidirezionale di legami)
- Sono di conseguenza state individuate 6 classi di
enzimi, una per ciascuna delle reazioni
suindicate.
4Classificazione degli enzimi
- Ogni enzima è classificato con un codice a 4
cifre a. b. c. d - a si riferisce alla classe (reazione
catalizzata, es. 4. liasi) - b-c si riferiscono alla modalità della catalisi
e individuano la sottoclasse e la
sotto-sottoclasse - d numero di serie dellenzima allinterno della
sotto-sottoclasse. - Consideriamo ora una classificazione ordinata
51. OSSIDOREDUTTASI
- Trasportano unità riducenti, (H)(e-)
- La sottoclasse indica il donatore dellH o altre
unità riducenti (es. alcooldeidrogenasi). I vari
numeri indicano i vari tipi di substrato che
possono donare unità riducenti. - Il 3 numero indica laccettore delle unità
riducenti (es. alcooldeidrogenasi accettori sono
enzimi del metabolismo lipidico oppure citocromi,
il numero progressivo individua la reazione). - Il 4 numero indica il numero di serie nella
sotto-sottoclasse.
61. OSSIDOREDUTTASI coenzimi
- Le ossidoreduttasi sono proteine coniugate
(apoenzima coenzima). - Il coenzima deriva dalla trasformazione da una
vitamina oppure è una struttura che la cellula è
in grado di prodursi per esempio le strutture
tetrapirroliche del protoemo nei citocromi. - Nel dettaglio vedremo le caratteristiche di
reazione di ossidoriduttasi di tipo - PIRIDINICO (coenzima derivato dalla VITAMINA PP)
- FLAVINICO (coenzima derivato dalla VITAMINA B2 )
- CHINONICO (coenzima derivato dalle VITAMINE Q, E,
K ) - PTERINICO (coenzima derivato dalla VITAMINA B8 )
- VITAMINA C DIPENDENTI
7OSSIDOREDUTTASI con coenzima PIRIDINICO (NAD e
NADP )
- I coenzimi piridinici utilizzati da questa classe
di ossidoreduttasi derivano dalla vitamina PP
8VITAMINA PP
- Ne sono dipendenti molti animali e molti
eucarioti. E leterociclo della piridina che in
posizione 3 ha un gruppo amidico - Si tratta dellamide dellacido nicotinico 1
dopo lassunzione abbiamo lidrolisi del legame
amidico e quindi liberazione dellacido
nicotinico 2 che servirà per la sintesi del
coenzima. - In caso di deficienza soltanto le cellule animali
hanno selezionato un sistema di supporto che
utilizza gli intermedi del metabolismo del
triptofano per sintetizzare un acido
dicarbossilico ciclico lacido chinolinico 3.
1
NH3
2
3
9COSTRUZIONE DEL COENZIMA PIRIDINICO 1
- Per la costruzione del coenzima sono necessari
leterociclo della piridina, mono o disostituito
con il carbossile (ACIDO NICOTINICO O
CHINOLINICO). Inoltre è necessario, un
saccaride, il RIBOSO. Si ottiene nella forma
fosforilata sulla posizione 5 e con
difosforilazione con lanidride esterna
dellacido fosforico sulla posizione 1.
5
1
ACIDO NICOTINICO
RIBOSO-5-FOSFATO-1-PIROFOSFATO
10COSTRUZIONE DEL COENZIMA PIRIDINICO 2
- In questi enzimi avremo quei metalli di
transizione (Me) che sono in grado di dare legami
dativi con latomo di ossigeno che in seguito
diventano legami covalenti questo effetto si
compie sullO legato al C1 del riboso viene
sottratta la struttura pirofosforica sulla
posizione 1 su cui compare una carica il C1
diventa C, in contemporanea si ha una inversione
di configurazione del C1 da a a b. - Il C1 può quindi ricevere attacco nucleofilo dal
N1 del substrato (acido nicotinico o acido
chinolinico). Si forma il prodotto di addizione e
viene eliminato del pirofosfato (PPi).
PPi
Me
11COSTRUZIONE DEL COENZIMA PIRIDINICO 3
- La struttura che si forma è costituita da un
pentoso legato allacido fosforico (in posizione
5 del riboso) e ad uneterociclo azotato (o base
azotata) tramite legame del C1 del riboso con
lN1 delleterociclo. Possiamo definire questa
struttura un nucleotide il nicotinato
mononucleotide (NMN) oppure il chinolinato
mononucleotide (CMN).
NMN
12COSTRUZIONE DEL COENZIMA PIRIDINICO 4
- Il chinolinato mononucleotide viene ulteriormente
modificato da un metalloenzima Mn dipendente che
riconosce il COOH in posizione 2 delleterociclo
e lo sottrae sotto forma di CO2, generando quindi
il nicotinato mononucleotide che serve per la
formazione del coenzima funzionale.
13COSTRUZIONE DEL COENZIMA PIRIDINICO 5
- La sintesi del coenzima prevede una ulteriore
reazione del nicotinato mononucleotide con ATP - un Mn enzima riconosce lossigeno del legame di
anidride che collega il Pa con il Pb e
destabilizza il legame tramite la transizione
dativo-covalente dellinterazione Mn-O. Il Pa
diventa sede di una carica su cui da attacco
nucleofilo uno degli atomi di ossigeno del
fosforile del nicotinato. Quando il legame Mn-O
ritorna dativo si libera pirofosfato e il
prodotto di condensazione il nicotinato adenin
dinucleotide, ossia la forma desaminata del NAD
(dNAD).
Mn
14COSTRUZIONE DEL COENZIMA PIRIDINICO 6
- Per ottenere la forma attiva del coenzima (NAD)
si ha la seguente reazione - dNAD ATP Q ? ADP Pi E NAD
- La reazione si basa sulla destabilizzazione del
legame amidico della glutammina (Q) che viene
scomposta a acido glutammico e un gruppo amminico
che si trasferisce sul carbossile dellacido
nicotinico che torna quindi a formare una
nicotinamide. - Si ottiene il primo coenzima piridinico attivo,
il NICOTINAMIDE ADENIN DINUCLEOTIDE (NAD).
dNAD
NAD
15COSTRUZIONE DEL COENZIMA PIRIDINICO 7
- Laltro coenzima piridinico attivo si ottiene dal
NAD tramite fosforilazione della posizione 2 del
riboso legato allanello purinico delladenina. - NAD ATP ? ADP NADP
- I due coenzimi hanno identico meccanimo di azione
ma sono caratterizzati da un differente pH
isoionico ed isoelettroco, poiché uno (il NADP )
contiene un gruppo fosforilico e ha quindi una
carica netta negativa maggiore. Questi coenzimi
interagiranno quindi con proteine che
simmetricamente un diverso pH isoelettrico ed
eventualmente cariche positive complementari a
quelle del coenzima. Alcune apoproteine si
legheranno in modo specifico al NAD e altre al
NADP a formare differenti oloenzimi
ossidoreduttasici piridinici.
16Struttura trimensionale del coenzima
La molecola da un punto di vista spaziale risulta
ripiegata intorno ad un asse in corrispondenza
dellO che connette i due gruppi fosforici. I due
eterocicli si trovano su piani affacciati e
paralleli.
Tra i due piani si collocano i metalli cofattori,
ioni metallici bivalenti (Ca2 Mg2 Mn2 ),
effettori della catalisi, che danno 4
coordinazioni con gli atomi indicati dagli
asterischi
17Effetto catalitico
I metalli cofattori catalizzano il trasporto di
elettroni reversibile da un eterociclo allaltro
la adenina transisce dalla forma lattimica alla
forma semilattamica, e questo effetto,
amplificato dai metalli cofattori si trasmette
alla piridina, che verrà a trovarsi in 2
possibili forme di risonanza la aromatoide e la
chinoide.
H elettrone
chinoide
aromatoide
18Effetto catalitico
La transizione scatenata dallequilibrio tra le
due forme di risonanza fa sì che sulla posizione
4 si concentri la carica positiva portata in
precedente dallN e che possa essere fissato in 4
un atomo di idrogeno in più mentre un elettrone
viene accettato dal sistema delocalizzato degli
anelli. Si forma pertanto una struttura neutra.
Le ossidoreduttasi che contengono questi
coenzimi operano reversibilmente, catalizzando la
riduzione o lossidazione dei substrati.
ossidazione
NAD NADP
NADH H NADPH H
XH2
X
riduzione
La catalisi è stereospecifica il substrato
interagisce con il coenzima solo solo se si trova
in una conformazione sterica appropriata.
19Interazione coenzima-apoproteina
Linterazione con la proteina è esclusivamente
salina
20Struttura trimensionale del coenzima
La molecola da un punto di vista spaziale risulta
ripiegata intorno ad un asse in corrispondenza
dellO che connette i due gruppi fosforici. I due
eterocicli si trovano su piani affacciati e
paralleli.
Tra i due piani si collocano i metalli cofattori,
ioni metallici bivalenti (Ca2 Mg2 Mn2 ),
effettori della catalisi, che danno 4
coordinazioni con gli atomi indicati dagli
asterischi
21Vitamina B2