Transcript Lezione (2) XII 11.04.14 Enzimi classificazione

Seconda Università degli Studi di Napoli
DiSTABiF
Anno Accademico 2013-14
Corso di Laurea Magistrale in
SCIENZE DEGLI ALIMENTI E DELLA NUTRIZIONE UMANA
Insegnamento di
BIOCHIMICA e BIOTECNOLOGIE
degli ALIMENTI
Prof. Augusto Parente
Lezione 12
GLI ENZIMI: UN Po’ DI STORIA
Come posso variare la velocità di una reazione chimica?
1) aumentando la frequenza degli urti energeticamente favorevoli tra le
molecole dei reagenti (aumentando la temperatura o la concentrazione
dei reagenti, la pressione);
2) usando composti noti come catalizzatori (composti che abbassano
l’energia di attivazione delle reazioni e permettono, che un numero molto
più alto di molecole di substrato superi la barriera energetica per
trasformarsi in prodotto).
Catalizzatori
I catalizzatori non prendono parte alla reazione e
non modificano l’equilibrio chimico ma
cooperano e permettono, accelerando la reazione,
solo il più rapido raggiungimento di tale
equilibrio.
Catalizzatori
I catalizzatori possono essere:
a) inorganici (utilizzati normalmente in laboratorio per
accelerare le reazioni chimiche)
b) organici o biologici (prendono il nome di Enzimi e
catalizzano tutte le reazioni che avvengono
nell’ambiente cellulare dove le condizioni di
temperatura
e
concentrazione
esistenti
comporterebbero tempi di reazione molto lunghi).
Aspetti termodinamici
L’energia di attivazione è l’energia necessaria per
arrivare ad un composto intermedio ad alta energia e
bassa stabilità, noto come complesso attivato
Aspetti termodinamici
ENZIMI
=
Idrolisi di una ammide
O
R-C-NH2
(legame peptidico) Cineticamente stabile
Catalizzatore
pH
Tempo
Temperatura
Legami
rotti
Nessuno
Neutro
(pH 7,0)
Infinito
Ambiente
Nessuno
< 1,0
> 13,0
Giorni
24-72 ore
(1440-4320
min)
110 °C
Tutti
Neutro
(pH 7,0)
Minuti
(10-60 min)
37 °C
Alcuni
H+/OH-
Enzima
proteolitico
Rapporto tra il
tempo
H+/Enzima
144 (432)
ENZIMI
ENZIMI
 5385
2014
NOMENCLATURA E CLASSIFICAZIONE
Sito web: http://www.enzyme-database.org/stats.php
Classe funzionale
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Ossidoreduttasi
Transferasi
Idrolasi
Liasi
Isomerasi
Ligasi
Totale
Numero di enzimi
1512
1607
1282
568
245
171
5385
Fonte: © 2001-2014 IUBMB
International Union of Biochemistry and Molecular Biology
NOMENCLATURA E CLASSIFICAZIONE
Ogni enzima è identificato da un numero unico (EC number), costituito da quattro
sezioni distinte, separate da un punto.
EC  "Enzyme Commission"
Enzima  lattico deidrogenasi
Nome sistematico  L-lattato: NAD ossidoreduttasi
Reazione:
L-lattato + NAD+ = piruvato + NADH + H+
Gli enzimi vengono classificati in 6 classi principali (1-6), in base al tipo di reazione
catalizzata;
Il primo numero indica la classe di appartenenza.
Il 2° e 3° numero indicano rispettivamente una sotto classe e una sotto sotto-classe
che hanno lo scopo di specificare in maggior dettaglio la reazione catalizzata e
possono avere un significato diverso da classe a classe. Indicano ad esempio il
gruppo chimico coinvolto, il tipo di legame, l'eventuale coenzima, etc.
Il 4° numero indica semplicemente il numero progressivo (la posizione) dell'enzima
nella sotto sotto-classe.
Classi di appartenenza
 Il nome di un enzima termina generalmente in –asi;
 Il nome deriva generalmente da quello del substrato o da quello della reazione
catalizzata (es., lattosio  lattasi; idrolisi  idrolasi);
 Questa regola non vale in tutti in casi (es., la papaina, una proteasi, deriva dalla
papaia da cui si estrae).
1. Ossidoreduttasi
2. Transferasi
3. Idrolasi
4. Liasi
5. Isomerasi
6. Ligasi
CLASSIFICAZIONE ENZIMI
EC 1. Ossidorreduttasi
- Tutti gli enzimi che catalizzano reazioni di ossido-riduzione appartengono
a questa classe.
- Il substrato ossidato è considerato un donatore di H o elettroni
- Il nome comune è “deidrogenasi”, laddove possibile.
- Si può usare, in alternativa, il nome dell’accettore seguito da “riduttasi”
(es. NAD+ riduttasi)
- Il termine ossidasi viene utilizzato solo SE l’accettore è O2.
- In certi casi la classificazione è difficile, a causa della mancanza di specificità
verso l’accettore.
EC 1.1
EC 1.2
EC 1.3
EC 1.4
EC 1.5
EC 1.6
EC 1.7
EC 1.8
EC 1.9
EC 1.10
EC 1.11
EC 1.12
EC 1.13
EC 1.14
EC 1.15
EC 1.16
EC 1.17
EC 1.18
EC 1.19
EC 1.20
EC 1.21
EC 1.22
EC 1.23
EC 1.97
EC 1.98
EC 1.99
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Sottoclassi
Acting on the CH-OH group of donors (NAD+)
Alcool deidrogenasi 1.1.1.1
Acting on the aldehyde or oxo group of donors (NAD+) 3-P-gliceraldeide 1.2.1.12
Acting on the CH-CH group of donors (FAD)
Sucinico deidrogenasi 1.3.5.1
Acting on the CH-NH2 group of donors
Acting on the CH-NH group of donors
Acting on NADH or NADPH
Acting on other nitrogenous compounds as donors
Acting on a sulfur group of donors
Acting on a heme group of donors
Acting on diphenols and related substances as donors
Acting on a peroxide as acceptor
Acting on hydrogen as donor
Acting on single donors with incorporation of molecular oxygen (oxygenases)
Acting on paired donors, with incorporation or reduction of molecular oxygen
Acting on superoxide as acceptor
Oxidizing metal ions
Acting on CH or CH2 groups
Acting on iron-sulfur proteins as donors
Acting on reduced flavodoxin as donor
Acting on phosphorus or arsenic in donors
Acting on X-H and Y-H to form an X-Y bond
Acting on halogen in donors
Reducing C-O-C group as acceptor
Other oxidoreductases
Enzymes using H2 as reductant (deleted subclass)
Other enzymes using O2 as oxidant (deleted subclass)
Esempio EC. 1.1.1.1 EC. 1 (classe). 1 (HCOH). 1 (NAD+ dipendente). 1 (prima
posizione nell’elenco)
Nome: Alcool deidrogenasi
Sinonimo: aldeide reduttasi
Reazione: Un alcool + NAD+  aldeide o chetone + NADH + H+
Cofattori: Zinco o ferro
CLASSIFICAZIONE ENZIMI
*
glicogeno fosforilasi
*
(chinasi)
Esempio
EC. 2.7.1.1
Nome: Esochinasi
Sinonimo: esochinasi tipo I, esochinasi tipo II, esochinasi tipo III
esochinasi tipo IV (glucochinasi)
Reazione: ATPMg2+ + D-esoso  ADP + D-esoso 6-fosfato
D-glucosio, D-mannosio, D-fruttosio, sorbitolo e glucosammina possono
fungere da accettori. Anche ITP e dATP possono fungere da donatori
Cofattori: nessuno, ma è richiesto Mg2+
Mg2+
CLASSIFICAZIONE ENZIMI
*
Esempio
EC. 3.1.3.9
Nome: Glucosio-6-fosfatasi
Reazione: D-glucosio-6-fosfato + H2O  D-glucosio + fosfato
(reazione terminale della gluconeogenesi)
Cofattori: nessuno.
Enzima ampiamente distribuito nei tessuti animali
CLASSIFICAZIONE ENZIMI
Esempio
EC. 4.2.1.11
Nome: Fosfopiruvato idratasi
Sinonimo: enolasi
Reazione: 2-fosfo-D-glicerato  fosfoenolpiruvato + H2O
Cofattori: Mg2+
CLASSIFICAZIONE ENZIMI
Esempio
EC. 5.1.3.22
Nome: Triosofosfato isomerasi
Reazione: diidrossiaceton–fosfato  D- gliceraldeide 3fosfato
Cofattori: nessuno
CLASSIFICAZIONE ENZIMI
Esempio
EC 6.4.1.1
Nome: piruvato carbossilasi
Reazione: ATP+ piruvato + HCO3-  ADP + fosfato + ossalacetato
Cofattori: Biotina, manganese o zinco
Pi
+
Classe
Reazione catalizzata
1. OSSIDOREDUTTASI
Nome sistematico:
donatore: accettore ossidoreduttasi
(es. L-lattato NAD ossidoreduttasi)
Reazioni di ossidoriduzione
Nome comune: deidrogenasi o reduttasi
Ossidasi (1.x.3): solo quando O2 accettore e(generalmente si forma H2O2)
Perossidasi (1.11.1): quando l’accettore è H2O2
Ossigenasi (1.13): solo quando O2 introdotto nel
substrato
2. TRANSFERASI
Nome sistematico:
donatore: gruppo accettore
transferasi
(es. L-aspartato: 2-chetoglutarato
amminotransferasi)
Trasferimento di gruppi funzionali
Nomenclatura corrente
2.6: Transamminasi (ma meglio, amminotransferasi)
da 2.7.1 a 2.7.4: Chinasi (fosfotransferasi)
3. IDROLASI
Nome sistematico:
substrato idrolasi
(es. succinil-CoA idrolasi)
Idrolisi: Rottura di un legame con intervento H2O
Nome comune: substrato + suffiso asi
3.1: Idrolisi esteri (esterasi)
3.1.3 Fosfatasi (idrolisi monoesteri fosforici)
3.2: Glicosilasi (es. amilasi)
3.4: Peptidasi (idrolisi legame peptidico)
3.6: Idrolisi legame anidridico
3.6.1 anidridi acido fosforico (es. pirofosfatasi, ATPasi)
Classe
Reazione catalizzata
4. LIASI
Nome sistematico:
substrato: gruppo-liasi
(es. citrato ossalacetato-liasi=
citrato sintasi)
Rottura non idrolitica di un legame C-C, C-O, C-N o altro
oppure addizione ad un doppio legame
5. ISOMERASI
Nome sistematico:
in generale isomerasi,
tranne quando si ha
inversione di centri
asimmetrici. In tal caso:
racemasi, se un solo centro
asimmetrico; epimerasi, se
più di uno.
Equilibrio fra isomeri
Nome comune simile al sistematico, ma semplificato.
5.1: Racemasi e Epimerasi
5.2: cis-trans isomerasi
5.3: Ossidoreduttasi intramolecolari (es. triosofosfato isomerasi,
spostamento doppi legami C-C e tautomerasi)
5.4: Transferasi intramolecolari
5.4.2 Fosfomutasi (precedentemente classificate in 2.7.5: es.
fosfoglucomutasi, fosfoglicerato mutasi)
Schema comune di reazione: un substrato = due prodotti (o viceversa).
Uno dei prodotti contiene un doppio legame (neoformato o
preesistente)
Nomenclatura comune:
4.1: Rottura legame C-C
4.1.1 decarbossilasi (o carbossilasi)
4.1.2 aldolasi
4.2: Rottura legame C-O
4.2.1 Idro-liasi (eliminazione di acqua o addizione a doppio legame:
deidratasi o idratasi. Tuttora consentiti i nomi: fumarasi, aconitasi,
enolasi).
Nel caso in cui la reazione di condensazione sia più importante, si può
usare il termine sintasi, ma mai sintetasi (vedi citrato sintasi).
Classe
6. LIGASI
Nome sistematico:
X : Y ligasi (prodotto
idrolisi)
X e Y = nome molecole da
unire; eventualmente, fra
parentesi, il prodotto
dell'idrolisi del nucleotide.
[es. succinato - CoA ligasi
(GDP)]
Reazione catalizzata
Fomazione di un legame accoppiata con idrolisi ATP o
altro nucleotide
Nome comune: Ligasi
In alcuni casi si usa Sintasi o Carbossilasi.
In questa classe, e solo in questa, è consentito l'uso di
sintetasi in alternativa a sintasi.
6.4: Carbossilasi (enzimi con biotina come coenzima)
es. piruvato carbossilasi, acil-CoA carbossilasi
Cofattore, gruppo prostetico, coenzima
Per il funzionamento di alcuni enzimi, è necessario che la loro parte
proteica sia integrata da altre molecole essenziali per il processo
catalitico (importanza delle vitamine).
- Cofattore: in genere uno ione metallico (Fe2+, Fe3+, Mn2+, Mg2+,
Cu2+, Zn2+) o altra molecola inorganica legata alla parte proteica
dell’enzima sia direttamente che attraverso un altro elemento non
proteico
- Gruppo prostetico: molecola organica (diversa da amminoacidi)
stabilmente legata alla parte proteica (FAD). Il legame è in genere
covalente con alcune eccezioni (emoglobina/mioglobina)
- Coenzima: molecola organica non stabilmente legata alla parte
proteica (NAD+, ecc.)
In questi casi la parte proteica dell’enzima viene chiamata
apoenzima, mentre l’enzima con il cofattore/gruppo prostetico/
coenzima viene chiamato oloenzima
Gli enzimi sono
- Specifici
- Efficienti
- Regolabili
Modelli di legame enzima-substrato
Sono state formulate varie ipotesi sulla maniera con cui il substrato
si adatta perfettamente al sito attivo dell’enzima mediante il
riconoscimento chemio- e stereo-selettivo
Il sito di legame dell’enzima
può già presentare la forma
adatta
per
sistemare
il
substrato grazie ad una
complementarità geometrica
(come la chiave si adatta
perfettamente alla serratura)
Il sito di legame sarebbe quindi rigido e ciò contrasta con i suoi
cambiamenti dinamici alla base della catalisi enzimatica
Modelli di legame enzima-substrato
In seguito all’interazione con il substrato il sito di legame
dell’enzima subisce un cambiamento conformazionale per meglio
adattarsi alla geometria del substrato
In tal modo si stabilizza il legame del substrato grazie all’instaurarsi
di legami deboli. La reversibilità di tali legami è alla base della
dinamicità dell’interazione, perché, dopo la sua trasformazione in
prodotto, il substrato deve essere allontanato dal sito di legame
Adattamento indotto nell’esochinasi
Il legame del substrato al sito attivo dell’esochinasi provoca
una modificazione conformazionale dell’enzima che in tal
modo adatta il suo sito attivo al substrato
Diagramma energia di attivazione
Infatti i reagenti devono entrare in collisione con una corretta
orientazione (fattore probabilistico; costante di Arrhenius A) e con una
sufficiente energia (energia di attivazione E)
- significativo abbassamento del livello energetico dello stato di transizione;
- Esatto orientamento delle molecole reagenti
Formazione del prodotto
Gli enzimi sono specifici
La specificità è data dalla presenza del sito attivo
Chimotripsina
Sito attivo
E’ la regione in cui si lega il substrato (e i cofattori se esistono).
catalisi.
- Sito di legame o di binding (KM);
- Sito catalitico: costituito dai residui amminoacidici che partecipano
direttamente alla formazione/rottura dei legami interessati nella
1- Il sito attivo è costituito da una tasca (o fenditura ) tridimensionale;
2- il sito attivo occupa una parte relativamente piccola del volume totale di un
enzima;
3- I siti attivi sono dei microambienti unici;
4- I substrati si legano all’enzima mediante un certo numero di interazioni
deboli;
5- La specificità del legame dipende dalla disposizione degli atomi nel sito
attivo
Tre enzimi proteolitici. Tutti tagliano il legame peptidico,ma su substrati diversi.
Esempio di catalisi covalente.
Sito
catalitico
Ser-195
Sito di
binding
Residui relativamente
idrofobici: Gly, Val, Met
His 57
Asp 102
Ser 195