Enzimi: concetti di base e meccanismi di catalisi enzimatica

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Enzimi 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.
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Gli 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
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Classificazione 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.

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Classificazione 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

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1. 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.

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1. 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

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OSSIDOREDUTTASI con coenzima PIRIDINICO (NAD e
NADP )

• I coenzimi piridinici utilizzati da questa classe
  di ossidoreduttasi derivano dalla vitamina PP

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VITAMINA 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
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COSTRUZIONE 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.

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1
ACIDO NICOTINICO
RIBOSO-5-FOSFATO-1-PIROFOSFATO
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COSTRUZIONE 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
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COSTRUZIONE 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
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COSTRUZIONE 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.

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COSTRUZIONE 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
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COSTRUZIONE 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
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COSTRUZIONE 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.

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Struttura 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
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Effetto 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
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Effetto 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.
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Interazione coenzima-apoproteina
Linterazione con la proteina è esclusivamente
salina
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Struttura 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
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Vitamina B2