gli enzimi

che cos’è un enzima?

Una biomolecola (prevalentemente proteica; alcuni sono RNA — ribozimi) che aumenta la velocità di una reazione chimica abbassando l’energia di attivazione. L’enzima non viene consumato nella reazione e agisce convertendo substrato (S) in prodotto (P) attraverso stati di transizione stabilizzati.

Che differenza c’è tra catalisi enzimatica e catalisi chimica non biologica?

Gli enzimi sono altamente specifici per substrati e reazioni, operano a condizioni fisiologiche di pH e temperatura, usano siti attivi tridimensionali per orientare i reagenti e stabilizzare lo stato di transizione, e possono essere regolati.

Cos’è il sito attivo?

Regione dell’enzima dove si lega il substrato e avviene la catalisi; comprende residui direttamente coinvolti nella catalisi e zone che stabilizzano la struttura dell’intermedio (es. “oxyanion hole”).

Cosa sono isoenzimi (isoforme enzimatiche)?

Proteine diverse (strutturalmente) che catalizzano la stessa reazione ma hanno proprietà cinetiche/regolatorie diverse e distribuzioni tissutali differenti (es. LDH isoforme, CK isoforme).

Cos’è un cofattore, coenzima e gruppo prostetico?

Cofattore = elemento non proteico necessario all’attività (ione metallico o molecola organica). Coenzima = cofattore organico dissociabile (es. NAD⁺). Gruppo prostetico = cofattore organico legato saldamente (es. FAD covalente in alcuni enzimi).

Principali strategie catalitiche usate dagli enzimi

• Catalisi acido-base: trasferimento di protoni da/verso residui dell’enzima (es. His in molte serine proteasi).

• Catalisi covalente: formazione temporanea di legami covalenti tra enzima e substrato (es. acilazione in serine proteasi).

• Metal-ion catalysis: ioni metallici nel sito attivo partecipano al legame e alla catalisi (es. Zn²⁺ in carbonic anhydrase).

• Prossimità/orientamento: l’enzima tiene i reagenti vicini nella corretta orientazione.

• Stabilizzazione dello stato di transizione: residui che riducono l’energia dello stato di transizione (es. oxyanion hole).

• Destabilizzazione dello stato di base: disfavorire lo stato iniziale per facilitare la reazione.

Equazione di Michaelis–Menten e significato dei termini.

v = (Vmax · [S]) / (Km + [S])
dove v = velocità iniziale, Vmax = velocità massima quando l'enzima è saturo, [S] = concentrazione di substrato, Km = costante di Michaelis (concentrazione di substrato a cui v = Vmax/2).

Che cos’è kcat e cosa rappresenta?

kcat = turnover number = Vmax / [E]tot. Indica il numero di molecole di substrato convertite in prodotto da una singola molecola enzimatica per unità di tempo, quando l’enzima è saturato.

Che cos’è l’efficienza catalitica e qual è il suo limite fisico?

Efficienza = kcat / Km. Valuta quanto efficientemente un enzima converte substrato a basse concentrazioni. Limite fisico (diffusion-limited) ≈ 10⁸–10⁹ M⁻¹·s⁻¹: enzimi che raggiungono questo valore sono detti “enzimi perfetti” (es. triosefosfato isomerasi, acetylcholinesterase in certi casi).

Tipi di inibizione enzimatica 

Un inibitore è una molecola che riduce o blocca l’attività di un enzima.
Può farlo:

• Inibizione competitiva: un inibitore compete con il substrato per il sito attivo (es. metotrexato blocca un enzima coinvolto nella sintesi dell’acido folico).

• Inibizione non competitiva/allosterica: l’inibitore si lega a un sito diverso, modificando la forma dell’enzima e impedendo la catalisi.

Feedback (inibizione retroattiva): il prodotto finale di una via metabolica inibisce l’enzima iniziale, regolando la produzione dei metaboliti e evitando sprechi energetici

Quali sono le sei classi principali di enzimi?

• Oxidoreductases – es. deidrogenasi (LDH)

• Transferases – es. chinasi (es. hexokinase)

• Hydrolases – es. proteasi (pepsina, trypsin)

• Lyases – es. decarbossilasi (es. aldolasi)

• Isomerases – es. racemasi, mutasi (triosefosfato isomerasi)

• Ligases (synthetases) – es. DNA ligase, aminoacyl-tRNA synthetase

Differenza terminologica: “sintasi” vs “sintetasi”.?

sintasi = ligasi che non richiedono ATP (non sempre preciso), “sintetasi” è usato per ligasi che consumano ATP. In pratica i termini sono usati in modo non uniforme; fare riferimento alla reazione effettiva.

tipi di regolazione dell’attività enzimatica

L’attività enzimatica non è costante: le cellule devono regolarla in modo preciso per rispondere ai segnali interni ed esterni. I principali meccanismi di regolazione sono:

1.     Regolazione allosterica:

o   Già discussa nelle modifiche post-traduzionali.

o   Gli effettori allosterici si legano a siti specifici e cambiano la conformazione dell’enzima, aumentando o riducendo l’attività.

o   Esempio: molte chinasi cellulari sono attivate da effettori allosterici che rispondono a segnali metabolici o di crescita.

2.     Modificazioni covalenti:

o   Fosforilazione: aggiunta di un gruppo fosfato da parte delle chinasi; può attivare o inattivare l’enzima.

o   Acetilazione: modifica chimica che può alterare la funzione o la localizzazione di un enzima.

o   Ubiquitinazione: marcatura per degradazione o regolazione di attività.

3.     Controllo della sintesi enzimatica:

o   Alcuni enzimi sono sintetizzati solo quando necessari (es. enzimi metabolici in risposta alla disponibilità di nutrienti).

quali sono i meccanismi di azione di un enzima?

1.     Riconoscimento specifico del substrato: gli enzimi legano solo molecole particolari, dette substrati. Questo legame avviene nel sito attivo, una piccola regione dell’enzima composta da circa 4-12 aminoacidi.

2.     Formazione del complesso enzima-substrato: il substrato si lega all’enzima mediante interazioni deboli come legami idrogeno, forze di Van der Waals e interazioni idrofobiche. Questi legami sono temporanei e permettono il rilascio del prodotto finale.

3.     Adattamento indotto: la conformazione dell’enzima cambia leggermente per meglio adattarsi al substrato e facilitare la reazione.

4.     Produzione e rilascio dei prodotti: una volta che la reazione avviene, i prodotti si staccano dall’enzima, che ritorna alla sua forma originale.

modifiche covalenti

Le modifiche covalenti sono aggiunte chimiche permanenti o semi-permanenti a residui specifici della proteina. Sono fondamentali per regolare struttura e funzione, e possono coinvolgere:

• Fosforilazione (aggiunta di gruppi fosfato)

• Acetilazione (aggiunta di gruppi acetile)

• Glicosilazione (aggiunta di zuccheri)

• Ubiquitinazione (aggiunta di piccoli peptidi ubiquitina)

• Metilazione, tra le altre.

Queste modifiche servono a regolare processi cellulari cruciali come:

• Ciclo cellulare

• Trasduzione del segnale

• Attività enzimatica

• Espressione genica