29/01/14 Capitolo 12 Cinetica enzimatica, inibizione e regolazione Copyright © 2013 Zanichelli editore S.p.A. Capitolo 12 La cinetica delle reazioni Conce& chiave 12.1 • Le semplici equazioni di velocità descrivono il progredire delle reazioni di primo e di secondo ordine. • L'equazione di Michaelis-Menten mette in relazione la velocità iniziale di una reazione con la velocità massima e con la costante di Michaelis per un particolare enzima e un dato substrato. • L'efficienza catalitica complessiva di un enzima è espressa come kcat/KM. • Il grafico di Lineweaver-Burk può essere utilizzato per presentare i dati cinetici e per calcolare i valori di KM e Vmax. CINETICA ENZIMATICA Ogni enzima contiene uno o più siti attivi che a loro volta sono composti da un sito di legame del substrato e da un sito catalitico, in genere sovrapposti. Il sito di legame è di solito costituito da una tasca o scanalatura asimmetrica, dove catene laterali di AA e il gruppo prostetico (se presente) possono riconoscere e legare in modo stereospecifico molecole di substrato mediante interazioni non-covalenti. 1 29/01/14 CINETICA ENZIMATICA La cinetica enzimatica è lo studio delle velocità di reazione catalizzate da enzimi. Il suo studio consente di individuare il meccanismo di catalisi Meccanismo cinetico In condizioni di velocità iniziale [P] ~ 0, quindi possiamo trascurare la reazione che dai prodotti porta ad ES: Curva di progressione di una semplice reazione catalizzata da un enzima Stato stazionario Velocità iniziale [S] >> [E]0 dt tale che Δ[S] ~ 0 e [P] ~ 0 in pratica: Δ[S] < 10% 2 29/01/14 La cinetica di Michaelis-Menten 3 29/01/14 La costante di Michaelis-Menten: KM La costante KM viene spesso associata all’affinità dell’enzima per il substrato. Questa relazione è particolarmente vera nel caso in cui in una reazione a due passaggi k2 << k-1 e quindi si ottiene: E+S k1 k-1 ES k2 E+P KM ≅ k-1/k1 = KS Dove KS è la costante di equilibrio (di dissociazione) definita dalla seguente equazione: KS = k-1/k1 = [E][S]/[ES] Quindi, quando la velocità di formazione del prodotto è molto bassa la KM è una misura dell’inverso della forza di legame del substrato. Costante Catalitica/Numero di Turnover Efficienza catalitica: kcat/KM. Quando [S]<<KM la maggior parte delle molecole di enzima è in forma libera e l’eq. di M.M. prende la forma: 4 29/01/14 I parametri della cinetica enzimatica Grafico dei doppi reciproci (di Lineweaver-Burk) Capitolo 12 La cinetica delle reazioni Punto di verifica 12.1 • Scrivete le equazioni di velocità per una reazione di primo ordine e per una di secondo ordine. • Conoscendo l'emivita di una reazione, potete determinare la sua costante di velocità? Di quali altre informazioni avete bisogno? • Che differenze vi sono tra la velocità istantanea, la velocità iniziale e la velocità massima di una reazione enzimatica? • Ricavate l'equazione di Michaelis–Menten. 5 29/01/14 Capitolo 12 La cinetica delle reazioni Punto di verifica 12.1 • Cosa rivelano i valori di KM e di kcat/KM riguardo a un enzima? • Perché un enzima non può avere un valore del rapporto kcat/KM più grande di 109 M–1 ·∙ s–1? • Scrivete l'equazione di Lineweaver-Burk (dei doppi reciproci) e descrivete le caratteristiche di un grafico di Lineweaver-Burk. • Perché la cinetica enzimatica non può provare la correttezza di un particolare meccanismo enzimatico? • Utilizzate la nomenclatura di Cleland per illustrare le reazioni sequenziali, ordinate e casuali, e una reazione a ping-pong. Capitolo 12 L'inibizione enzimatica Conce& chiave 12.2 • Gli inibitori enzimatici interagiscono reversibilmente o irreversibilmente con un enzima alterandone i valori di KM e/o di Vmax. • Un inibitore competitivo si lega al sito attivo dell'enzima e fa aumentare il valore apparente di KM della reazione. • Un inibitore enzimatico non competitivo influenza l'attività catalitica diminuendo i valori apparenti sia di KM sia di Vmax. • Un inibitore enzimatico misto altera sia l'attività catalitica sia il legame del substrato diminuendo il valore apparente di Vmax e aumentando o diminuendo quello di KM. Inibizione irreversibile: I veleni per il sistema nervoso 6 29/01/14 Scheda 11.3: I veleni per il sistema nervoso Inibizione irreversibile: gli antibiotici 7 29/01/14 Gli inibitori enzimatici dell'HIV inibitori della trascrittasi inversa; inibitori della proteasi (inibizione reversibile); inibitori della fusione; inibitori dell'integrasi; inibitori del co-recettore. Inibizione enzimatica competitiva 8 29/01/14 Inibizione competitiva: il trattamento con etanolo dell'avvelenamento da metanolo Inibizione enzimatica competitiva Inibizione enzimatica competitiva 9 29/01/14 Inibizione enzimatica incompetitiva Inibizione enzimatica incompetitiva Inibizione enzimatica mista (noncompetitiva) 10 29/01/14 Inibizione enzimatica mista (noncompetitiva) Effetti degli inibitori enzimatici Capitolo 12 L'inibizione enzimatica Punto di verifica 12.2 • Cosa consente di distinguere un inibitore da un inattivatore? • Perché il substrato di un enzima, il suo stato di transizione e il prodotto della reazione che catalizza sono tutti punti di partenza per la progettazione di un inibitore competitivo? • Descrivete gli effetti degli inibitori competitivi, incompetitivi e misti su KM e Vmax. • In che modo si può quantificare il legame di un inibitore a un enzima? • In che cosa differisce l'inibizione non competitiva dalle altre forme di inibizione? 11 29/01/14 Capitolo 12 Il controllo dell'attività enzimatica Conce& chiave 12.3 • Gli effettori allosterici si legano agli enzimi costituiti da diverse subunità quali la aspartato transcarbamilasi, inducendo cambiamenti conformazionali cooperativi che alterano l'attività catalitica dell'enzima. • La fosforilazione e la defosforilazione di un enzima come la glicogeno fosforilasi possono modificarne l’attività spostando l'equilibrio tra la conformazione più attiva e quella meno attiva dell'enzima. La via di biosintesi delle pirimidine: l'inibizione retroattiva dell‘aspartato transcarbamilasi (ATCasi) Gli effettori allosterici della reazione dell'ATCasi 12 29/01/14 Confronto tra lo stato T e lo stato R dell'ATCasi ATCasi di E. coli PDBids 5AT1 and 8ATC Cambiamenti conformazionali dell'ATCasi Il controllo per modificazione covalente: la fosforilazione 13 29/01/14 Il prodotto della glicogeno fosforilasi Glicogeno fosforilasi di muscolo di coniglio Cambiamenti conformazionali della glicogeno fosforilasi Glicogeno fosforilasi PDBids 8GPB and 7GPB 14 29/01/14 Controllo dell'attività della glicogeno fosforilasi tramite fosforilazione Capitolo 12 Il controllo dell'attività enzimatica Punto di verifica 12.3 • Paragonate l'azione di un effettore allosterico, di un inibitore competitivo e non competitivo di un enzima. • Spiegate le basi strutturali del legame cooperativo al substrato e della regolazione allosterica nel caso della ATCasi. • Perché gli enzimi allosterici sono costituiti da più di una subunità? • Descrivete in che modo la fosforilazione e la defosforilazione controllano l'attività della glicogeno fosforilasi. • Elencate alcuni vantaggi dei sistemi a cascata che funzionano per fosforilazione e defosforilazione rispetto alla regolazione allosterica semplice. 15
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