92
Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per l’Ambiente e il Territorio Copyright © 2001-2006 by Giorgio Sartor. All rights reserved. Versione 3.0 - gennaio 2006

Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

Misure con biomarcatoriII. Enzimologia

Prof. Giorgio SartorCorso di Laurea Specialistica in Scienze per l’Ambiente e il Territorio

Copyright © 2001-2006 by Giorgio Sartor.

All rights reserved.

Versione 3.0 - gennaio 2006

Page 2: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 2

Spontaneità

• Una qualunque reazione chimica avviene

spontaneamente se e solo se la variazione di energia libera (G) è negativa:

GT,p < 0

GT = H – TS

• A T e p costanti

Page 3: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 3

Spontaneità

• Quindi, data una qualunque reazione chimica

A B

• Essa avviene spontaneamente se le energie libere molari

GB < GA

• Più in generale qualunque trasformazione avviene se e solo se:

Gfinale < Giniziale

Page 4: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 4

Spontaneità ed equilibrio

• QuandoGB = GA

• Quindi G = 0

• La reazione è all’equilibrio

BA

Page 5: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 5

Spontaneità e realtà

• Questo non significa che una reazione chimica (un processo) esoergonica (G < 0) avvenga con velocità apprezzabile.

G°’ = -7.3 kcal·mole-1 (-30.6 kJ·mole-1) a pH 7G° = -10 kcal·mole-1 (-42 kJ·mole-1) a pH 9

NO

N

N

OHOHN

NH2OP

O

O

O

P

O

OO

P

O

OO

NO

N

N

OHOHN

NH2OP

O

O

O

P

O

OO

HO

H

OP

O

OO

..

+

ATP + H2O

ADP + Pi

Page 6: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 6

Energia di attivazione

• In soluzione l’ATP è stabile perché esiste l’energia di attivazione.

Page 7: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 7

Catalisi

• In assenza di catalizzatore:

A + B C + D

Page 8: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 8

Catalisi

Coordinate di reazione

En

erg

ia lib

era

G

G*

A + B

C + D

G* = Energia di attivazione

Page 9: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 9

Catalisi

• In presenza di catalizzatore:

A + K AKAK + B ABK

ABK C + D + K

Page 10: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 10

Catalisi

G* c

Coordinate di reazione

En

erg

ia lib

era

G

G* c = Energia di attivazione in presenza di catalizzatore

A + B + K

C + D + K

AK + B

Page 11: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 11

Controllo termodinamica e controllo cinetico di una

reazione

• Ogni reazione può avvenire se e solo se è termodinamicamente favorita (G < 0),

• Avviene se e solo se vi è abbastanza energia per superare l’energia di attivazione:

H202 H2O + ½ O2

• Catalizzatore:– Nessuno H* = 18 kcal·mole-1

– Platino H* = 11.7 kcal·mole-1

– Catalasi H* = 5.5 kcal·mole-1

Page 12: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 12

In una reazione chimica

A Bv = k · [A]

[A]

Velo

cità

di re

azi

one

Page 13: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 13

In una reazione enzimatica

E + S ES E + P

[S]

Velo

cità

di re

azi

one

v = k' [Eo][S]

v = k'' [Eo]

Bassa concentrazionedi substrato

Alta concetrazionedi substrato

Page 14: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 14

Enzimi

• Gli enzimi sono sistemi catalitici, in genere…

… proteine

Page 15: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 15

Enzimi

• Gli enzimi sono sistemi catalitici, in genere…

… proteine

Page 16: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 16

Specificità degli enzimi

• Specificità – Stereochimica – Assoluta– Di gruppo– Di legame

Page 17: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 17

Specificità degli enzimi

• Specificità stereochimica

HOH

OH2

34

56

7

89

10

1112

13

14 15

16

17

1 2

34

56

7

89

10

1112

13

1415

16

17

1

steroide 11--monossigenasi

11--idrossi steroide

Page 18: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 18

Specificità degli enzimi

• Specificità assoluta

CH2OPO3H-

OHH

OHH

HOH

HOH

CH2OH

CH2OPO3H-

OHH

OHH

HOH

O

CH2OH

mannitolo-1-fosfato deidrogenasi

fruttoso-6-fosfatomannitolo-1-fosfato

Page 19: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 19

Specificità degli enzimi

• Specificità di gruppo– Proteasi

…-Leu-Arg-Gly-Phe-…

Taglia qui

Page 20: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 20

Specificità degli enzimi

• Specificità di legame– Esterasi

Estere Acido + Alcool

Page 21: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 21

Classificazione degli enzimi

• Singolo enzima– Ureasi

• Complesso enzimatico– Complesso piruvato deidrogenasi

Page 22: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 22

Classificazione gerarchica degli enzimi

• Ogni enzima viene classificato a secondo della reazione che catalizza.

• Viene classificato con un numero:

• EC X.Y.Z.T• X = classe• Y = sottoclasse• Z = sotto-sottoclasse• T = numero dell’enzima nella sotto-sottoclasse

– http://www.genome.jp/dbget-bin/get_htext?ECtable+-f+T+w+A– http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/databases/enzymes/

Page 23: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 23

Classificazione gerarchica degli enzimi

• Classi:– 1. Ossidoreduttasi

• Catalizzano una reazione redox.

– 2. Transferasi• Catalizzano il trasferimento di un gruppo da una

molecola ad un’altra: X-Y + Z X-Z + Y le chinasi trasferiscono un gruppo fosfato.

– 3. Idrolasi• Catalizzano la scissione idrolitica di legami C=O, C-N,

C-C, P-O-P,…

Page 24: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 24

Classificazione gerarchica degli enzimi

• Classi:– 4. Liasi

• Catalizzano scissioni di legami con meccanismi diversi dalle Ossidoreduttasi e dalle Idrolasi.

– 5. Isomerasi• Catalizzano modificazioni geometriche.

– 6. Ligasi (Sintetasi)• Catalizzano l’unione di due molecole accoppiata al

consumo di ATOP o di un altro nucleotide trifosfato.

Page 25: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 25

Classificazione gerarchica degli enzimi

• Per esempio:

Alcool + NAD+ Aldeide o chetone + NADH

• Nome comune: alcool deidrogenasi• Nome sistematico: alcool:NAD+ ossidoreduttasi• EC 1.1.1.1

La classe - Ossidoreduttasi

La sottoclasse – Agiscono sul gruppo di donatori CH-OH

La sotto-sottoclasse – con NAD+ o NADP+ come accettori

Numero dell’enzima nella sotto-sottoclasse

Page 26: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 26

Isoenzimi

• Questa classificazione NON riguarda gli enzimi in quanto proteine ma in quanto CATALIZZATORI

• La classificazione riguarda quindi gli enziomi che catalizzano una reazione.

• Proteine diverse (con diversa struttura primaria) che catalizzano la stessa reazione, sono

ISOENZIMI

Page 27: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 27

Isoenzimi

• Sono le forme multiple dovute a differenze, determinate geneticamente, di struttura primaria

• Sono anche isoenzimi quelle proteine che svolgono la stessa funzione ma sono geneticamente indipendenti, per esempio:

• EC 1.1.1.37 malato deidrogenasi– Citosolica (codificata dal DNA nucleare)– Mitocondriale (codificata dal DNA mitocondriale)

Page 28: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 28

Cenni di cinetica chimica

• All’equilibriov1 = v-1

Velocità diretta v1 = - = k1[A]d[A]

dt

Velocità inversa v-1 = - = k-1[B]d[B]

dt

BAk1

k-1

k1

k-1[A]eq

[B]eq= = Keq

k1[A]eq = k-1[B]eq

Page 29: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 29

Cenni di cinetica chimica• Ordine di reazione

– I ordinev1 = k1[A]

– II ordinev1 = k1[A]2

oppurev1 = k1[A][B]

• I ordine rispetto ad A• I ordine rispetto a B• II ordine globale

– Ordine 0v1 = k1

• indipendente dalla concentrazione dei reagenti

Page 30: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 30

Dipendenza dalla temperatura• La velocità di una reazione dipende dalla

temperatura attraverso la costante di velocità k

• All’equilibrio

Keq = = = Z ek1

k-1

A1 e-

Eatt1

RT

A-1 e-

Eatt-1

RT

-Eatt

RT

v = k[A]

k = A e -Eatt

RT

Page 31: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 31

Dipendenza dalla temperatura

Keq = Z e -Eatt

RT

Keq = e -H

RT

lnKeq = -H

RT

Coordinate di reazione

En

erg

ia

Eatt 1-Eatt -1 = Eatt

Eatt

Eatt 1

Reagenti

Prodotti

Eatt -1

Page 32: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 32

Dipendenza dalla temperatura

1/T (K)

ln K

eq

ln Keq = -H/R 1/T

pendenza = -H/R

Page 33: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 33

Dipendenza dalla temperatura

• All’equilibrio

G = G°+ RT lnProdotti]

Reagenti]

= Keq; G = 0Prodotti]

Reagenti]

0 = G°+ RT ln Keq

G° = - RT ln Keq

G° = H° - TS°

Page 34: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 34

Enzima e substrato

• In una reazione tra enzima (E) e substrato (S), possiamo distinguere tre fasi:

1. Legame tra E e S per formare il complesso ES

E + S ES [E]>>[S]Stato prestazionario

2. Stato stazionario

3. Scompare il substrato, [ES] diminuisce, v diminuisce

= 0;d[ES]

dt

Page 35: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 35

Enzima e substrato

tempo

Conce

ntr

azi

one

1a faseStato

prestazionario

2a faseStato

stazionario3a fase

Fine

d[P]/dt cost.Prodotto

ES

d[P]/dt = cost.

d[ES]/dt = 0

Page 36: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 36

Enzima e substrato• In una reazione enzimatica l’ordine di

reazione è variabile

[S]

Velo

cità

di re

azi

one

v = k[E][S]Ordine 1 v = k[E]

Pseudo ordine 0

Page 37: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 37

Enzima e substrato• In una reazione enzimatica l’ordine di

reazione è variabile

[S]

Velo

cit à

[S]

Velo

cit à

Ordine 1 Ordine 0

Page 38: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 38

Trattamento secondo Michaelis e Menten• In una reazione enzimatica:

• Per l’equilibrio veloce (1)

E + S ES (veloce) (1)k1

k-1

ES E + P (lento) (2)k2

vdiretta = k2[ES]

[ES] = [E][S]k1

k-1

K = =k1

k-1

[ES]

[E][S]

INDETERMINABILE

INDETERMINABILE

Page 39: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 39

Trattamento secondo Michaelis e Menten• Per l’equilibrio veloce (1)

[Etot] misurabile

[Etot] = [E] + [ES]

[ES] = [E][S]k1

k-1

K = =k1

k-1

[ES]

[E][S] INDETERMINABILE

[ES] = ([Etot]-[ES]) [S]k1

k-1

Page 40: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 40

Trattamento secondo Michaelis e Menten• Da cui

[ES] =

k1

k-1

[Etot][S]

+ [S]

k1

k-1 = Kd

E + S ES

k1

k-1

= Kd = KM

[E][S]

[ES]

Costante di dissociazionedel complesso ES

Costante di Michaelis e Menten

Page 41: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 41

Trattamento secondo Michaelis e Menten

• La concentrazione del complesso ES

• Poiché:vdiretta = k2[ES]

[ES] = [Etot][S]

KM + [S]

vdiretta = k2[Etot][S]

KM + [S]

Page 42: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 42

Trattamento secondo Michaelis e Menten• Quando tutto Etot diventa ES allora la velocità sarà

massima.

Vmax = k2[Etot]

• Quando il substrato satura l’enzima allora la velocità sarà massima

v = Vmax[S]

KM + [S]

Page 43: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 43

Equazione di Michaelis e Menten

v = Vmax[S]

KM + [S]

Page 44: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 44

Efficienza catalitica o numero di turnover

• k2 è detta anche kcat e si ottiene:

• k2 è detto anche numero di turnover (Moli di substrato consumate per secondo per moli di enzima) si esprime in s-1.

~1 s-1 < k2 < 106 s-1

kcat = Vmax

[Etot]

Page 45: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 45

Trattamento secondo Michaelis e MentenBassa concentrazione

(relativamente) di substrato: [S]<<KM (Ordine 1)

[S]

Velo

cità

di re

azi

one

Alta concentrazione di substrato: [S]>>KM (Ordine 0)

v = Vmax[S]

KM

v = = Vmax Vmax[S]

[S]

Page 46: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 46

Trattamento secondo Briggs-Haldane

• Da un punto di vista formale il trattamento è lo stesso di M.M., cambia il significato cinetico di KM

• Allo stato stazionario:

E + Pk2

E + S ESk1

k-1 k-2

d[ES]

dt= 0 = k1[E][S] - (k-1[ES] + k2[ES])

[ES] = k1[E][S]

(k-1 + k2)

formazione di ES scomparsa di ES

v = Vmax[S]

KM + [S]KM =

k1

k-1 + k2

Page 47: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 47

Significato di KM

• KM è una concentrazione:

• È la concentrazione di substrato al quale la velocità della reazione è metà della Vmax

KM = Kd = = ; mol[E][S]

[ES] k1

k-1

v = = ; Vmax

2

Vmax[S]

KM + [S]= ;

12

[S]

KM + [S]

KM = [S]

Page 48: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 48

Significato di Vmax

• Vmax è legata a k2

Vmax = k2[Etot]

Page 49: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 49

Significato di KM e Vmax

[S]

v

v = Vmax

Vmax

KM

2

Vmax[S]

KM

v =

Page 50: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 50

Linearizzazione dell’equazione di Michaelis e Menten

Page 51: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 51

Lineweaver-Burk

• Inversione

v = Vmax[S]

KM + [S]

= = +Vmax[S]

KM + [S]1v

KM

Vmax [S]

1 1

Vmax

Page 52: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 52

Lineweaver-Burk

= +1v

KM

Vmax [S]

1 1

Vmax

1/[S]

1/v

1/Vmax

-1/KM 0

Pendenza = KM/Vmax

Page 53: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 53

Eadie-Hofstee• Trasformazione

[S]

vKM v[S]+ = Vmax[S]

KM[S]KM

vKM + = Vmax

KM

v

v (KM + [S]) = Vmax[S]

vKM + v[S] = Vmax[S]

1KM[S]

v= -

Vmax

KM

v v

v/[s]

Vmax/KM

Pendenza = - 1/KM

Vmax

Page 54: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 54

Eadie-Hofstee (oppure)• Trasformazione

[S]

vKM v[S]+ = Vmax[S]

KM[S]KM

vKM + = Vmax

KM

v

v (KM + [S]) = Vmax[S]

vKM + v[S] = Vmax[S]

[S]v

= -KM + Vmaxv

v

v/[s]

Vmax/KM

Pendenza = - KM

Vmax

Page 55: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 55

Reazioni enzimatiche con più substrati

• Meccanismo sequenziale: i substrati si legano in modo sequenziale:

• Prima uno poi l’altro in ordine preciso:– Meccanismo sequenziale ordinato

• Senza un ordine preciso:– Meccanismo sequenziale casuale

• Meccanismo a ping-pong

Page 56: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 56

Meccanismo sequenziale ordinato

A + B P + QE

E + A EA; EA + B EAB;

EAB EPQ; EPQ EQ + P;

EQ E + Q

Page 57: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 57

Meccanismo sequenziale casuale

A + B P + QE

E + A EA

EAB EPQ

E + B EB

EP E + P

A

B

EQ E + Q

Q

P

Page 58: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 58

Meccanismo a ping-pong

A + B P + QE

E + A EA E'P E' + P

E' + B E'B EQ E + Q

E E'A E'P E' E'B EQ E

A P B Q

Page 59: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 59

Meccanismo a ping-pong

• Così funziona l’esochinasi

ATP + D-glucoso ADP + Glucoso-6-PE

E EATP EP E-P-glucoso E-glucoso-P E

ATP ADP

D-glucoso glucoso-6-P

Page 60: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 60

Reazioni enzimatiche con più substrati

• Il trattamento è complesso, occorre fare lo studio cinetico tenedo fissa la concentrazione di uno dei substrati (B) variando l’altro (A), così, di grafici di Lineweaver-Burk si può avere una descrizione del meccanismo:

1/[A] 1/[A]

1/v 1/v

[B] [B]

Sequenziale casuale Ping-pong

Page 61: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 61

Regolazione dell’attività enzimatica

• I fattori che regolano l’attività enzimatica sono:– Temperatura

• Enzimi solubili o di membrana

– pH– Effettori

• Inibitori (inattivatori)• Attivatori• Effetti allosterici

– Concentrazione di substrati e prodotti• Vie metaboliche

– Repressione o induzione genica

Page 62: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 62

Temperatura

• La velocità delle reazioni chimiche dipende dalla temperatura.

• La stabilità di una proteina dipende dalla temperatura.

Temperatura

Velo

cità

optimum

Aumento cinetico Denaturazione

Page 63: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 63

Temperatura• La temperatura influenza la fluidità di membrana

Ln v

Temperaturabassa

1/T 1/T

Ln v

Temperaturabassa

Temperaturaalta

Temperaturaalta

Temperaturadi transizione

della fase lipidica

Enzima solubile Enzima di membrana

Page 64: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 64

pH

• La stabilità di una proteina dipende dal pH.• Alcuni processi coinvolgono valori estremi di

pH

Velo

cità

rela

tiva

pH

TripsinaPepsina Aceticolinesterasi

2 6 10

Page 65: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 65

Effettori

• Attivatori• Inibitori

• La differenza non è netta, la stessa molecola può funzionare in entrambi i modi a seconda delle condizioni– Carica– Concentrazione– Enzima legato ad altre molecole – …

Page 66: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 66

Inibitori

• Si definiscono inibitori quelle molecole che diminuiscono l’attività di un enzima, possono dare

• Inibizione reversibile – Modificano in modo reversibile (in genere attraverso

un legame non covalente) l’enzima

• Inibizione irreversibile– Modificano in modo irreversibile l’enzima

Page 67: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 67

Inibitori reversibili

• A secondo delle loro caratteristiche si definiscono:

– Inibitori competitivi– Inibitori non competitivi– Inibitori acompetitivi

Page 68: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 68

Inibitori competitivi

• Agiscono competendo con il substrato per lo stesso sito di legame, agiscono quindi sulla formazione del complesso ES.

• L’inibizione è rimossa aumentando la concentrazione di S

E + PS ES

I EI E + P

E +

KM

Ki

Ki =[EI ]

[I ][E]

KM =[ES]

[S][E]

Page 69: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 69

Inibitori competitivi

• Senza inibitore

• Con inibitore

[S]

v

v = KM + [S]

Vmax [S]

[I ]

Ki

v =

KM ( 1 + ) + [S]

Vmax [S]

Page 70: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 70

Inibitori competitivi

• Senza inibitore

• Con inibitore1/[S]

1/V

0-1/KM(app)

1/Vmax

= +1v

KM

Vmax [S]

1 1

Vmax

= ( 1 + ) +1v

KM

Vmax [S]

1 1

Vmax

[I ]

Ki

Page 71: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 71

Inibitori competitivi

• Sono molecole simili al substrato

• Occupano lo stesso sito di legame

Page 72: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 72

Inibitori non competitivi• Agiscono legandosi in un sito diverso dal sito

di legame del substrato il quale può comunque legarsi.

• L’inibizione NON è rimossa aumentando la concentrazione di S

E + PE + S ES

+ I

EI + S

+ I

ESI

KM

KM

KiKi

Ki = = [EI ]

[I ][E]

KM =[ES]

[S][E]

[ESI ]

[I ][ES]

Page 73: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 73

[I ]

Ki

( 1 + )

v = KM + [S]

Vmax [S]

v =

KM + [S]

Vmax[S]

Inibitori non competitivi

• Senza inibitore

• Con inibitore

[S]v

Page 74: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 74

= +1v

KM

Vmax [S]

1 1

Vmax

= ( 1 + ) + ( 1 + ) 1v

KM

Vmax [S]

1 1

Vmax

[I ]

Ki

[I ]

Ki

Inibitori non competitivi

• Senza inibitore

• Con inibitore 1/[S]

1/V

1/Vmax

-1/KM 0

Page 75: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 75

Inibitori non competitivi

• Sono molecole diverse dal substrato, si legano ad un proprio sito

• Ioni metallici (Cu++)• Complessanti (EDTA)• Modulatori

Page 76: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 76

Inibitori acompetitivi

• Agiscono legandosi e bloccando il complesso enzima-substrato.

E + PE + S ES

+ I

ESI

KM

Ki Ki =[ESI ]

[I ][ES]

KM =[ES]

[S][E]

Page 77: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 77

[I ]

Ki

( 1 + )

[I ]

Ki

( 1 + )

v = KM + [S]

Vmax [S]

v = KM

Vmax[S]

+ [S]

Inibitori acompetitivi

• Senza inibitore

• Con inibitore

[S]

v

Page 78: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 78

= +1v

KM

Vmax [S]

1 1

Vmax

= + ( 1 + ) 1v

KM

Vmax [S]

1 1

Vmax

[I ]

Ki

Inibitori acompetitivi

• Senza inibitore

• Con inibitore 1/[S]

1/V

0-1/KM(app)

1/Vmax

Page 79: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 79

Riassumendo…• Inibizione

competitiva

• Inibizione non competitiva

• Inibizione acompetitiva

KM =[ES]

[S][E]

Ki =[EI ]

[I ][E]

Ki' =[ESI]

[I ][ES]

E + PE + S ES

KM

+ I

EI + S

Ki

E + PE + S ES

+ I

ESI

KM

Ki'

+ I

EI + S

Ki

KM

E + PE + S ES

+ I

ESI

KM

Ki'

Page 80: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 80

…riassumendo

Tipo di inibizione VMAXapp KM

app

Nessuna VMAX KM

Competitiva VMAX aKM

Non competitiva VMAX/a’ aKM /a’

Acompetitiva VMAX /a’ KM /a’

[I ] a = (1 + )

Ki

[I ] a' = (1 + )

Ki'

Page 81: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 81

Inibitori irreversibiliInibitore Formula Origine Meccanismo

Ione cianuro CN- Mandorle amare

Complessa gli ioni metallici nelle proteine

Diisopropil fluorofosfato

(DFP)Sintetico

Inibisce gli enzimi con

serina nel sito attivo

Sarin Sintetico Come il DFP

FisostigminaFrutto del calabar

Come il DFP

O P

O

F

OCH3

CH3 CH3

CH3

O P

O

F

CH3

CH3

CH3

N

N

ONH

CH3

O

CH3

CH3

CH3

Page 82: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 82

Inibitori irreversibiliInibitore Formula Origine Meccanismo

Parathion Sintetico

Come il DFP (particolarmente

attivo su acetilcolinesterasi

di insetti)

N-tosil-L-fenilalanina clorometil chetone(TPCK)

SinteticoReagisce con l’His-57 della chimotripsina

PenicillinaPenicillum Notatum

Inibisce gli enzimi della sintesi della

parete batterica

O P

S

O

O

C2H5

C2H5 NO2

NHS

O O

O

Cl

OR

NH

N

S CH3

CH3

CH3

O

Page 83: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 83

Attivatori• Sono molecole che aumentano (o permettono)

l’attività enzimatica– Protezione dell’enzima

• Glutatione• Ioni metallici

– Attivazione per azione sulle subunità

– Azione proteolitica su proenzimi

Enzima inattivo + cAMP Subunità + Subunitàcatalitica regolatrice

Page 84: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 84

Attivatori• Azione proteolitica su proenzimi

Page 85: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 85

Effetti allosterici• Gli effetti allosterici consistono nel

legame di un effettore ad un sito diverso da quello del substrato con conseguente variazione delle proprietà dell’enzima

• Sono presenti soprattutto in enzimi multimerici

• L’effettore può essere lo stesso substrato (effettori omotropici) o diverso (effettori eterotropici)

Sitoattivo

Sito dell’effettore

Page 86: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 86

Effetti allosterici• Il legame con l’effettore modifica (modula) le

proprietà di legame del substrato.• La velocità dipende da [S] come una sigmoide.

[S]

v

v = (K + [S])n

Vmax [S]n

n = indice di cooperatività

Page 87: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 87

Vie metaboliche

• Una via metabolica è data da un insieme di reazioni catalizzate da enzimi che si susseguono l’una all’altra.

• Le vie metaboliche sono regolate:

-A B C D E

+A B C D E

+A B C D E

H K X Y Z

P

Inibizione da prodotto

Attivazione da substrato

Attivazione compensatoria

Page 88: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 88

Vie metaboliche ramificate

Inibizione multivalente

Inibizione cooperativa

-

-A B C D

E F G

K X Y

-

-A B C D

E F G

K X Y

Page 89: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 89

Vie metaboliche ramificate

Inibizione cumulativa

Inibizione di enzimi multipli

-

-A B C D

E F G

Z X Y

H K I

-

-A B C D

E F G

K X Y

Page 90: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 90

Regolazione genica

• Un’altra via con la quale viene regolata l’attività di uno o più enzimi è attraverso l’induzione o la repressione della sintesi proteica di di quel particolare enzima.

• Anche per gli enzimi esiste una sorta di omeostasi.

ENZIMA

AMINOACIDI

KSINTESI KDEMOLIZIONEInduzione e Sintesi

Page 91: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 91

Referenze sul WEB …• Vie metaboliche

– KEGG: http://www.genome.ad.jp/kegg/• Degradazione degli xenobiotici:

http://www.genome.ad.jp/kegg/pathway/map/map01196.html• Struttura delle proteine:

– Protein data bank (Brookhaven): http://www.rcsb.org/pdb/– Hexpasy

• Expert Protein Analysis System: http://us.expasy.org/sprot/• Prosite (protein families and domains): http://www.expasy.org/prosite/• Enzyme (Enzyme nomenclature database):

http://www.expasy.org/enzyme/– Scop (famiglie strutturali): http://scop.berkeley.edu/

• Enzimi: – Nomenclatura - IUBMB: http://www.chem.qmw.ac.uk/iubmb/– Proprietà - Brenda: http://www.brenda.uni-koeln.de/– Expasy (Enzyme nomenclature database): http://www.expasy.org/enzyme/

• Database di biocatalisi e biodegradazione: http://umbbd.ahc.umn.edu/• Citocromo P450: http://www.icgeb.org/~p450srv/• Metallotioneine: http://www.unizh.ch/~mtpage/MT.html• Tossicità degli xenobiotici: Agency for Toxic Substances and Disease Registry

http://www.atsdr.cdc.gov

Page 92: Misure con biomarcatori II. Enzimologia Prof. Giorgio Sartor Corso di Laurea Specialistica in Scienze per lAmbiente e il Territorio Copyright © 2001-2006

gs © 2001-2006 ver 3.0 Misure con biomarcatori II 92

…e naturalmente

• Questo ed altro materiale può essere trovato visitando il sito: http://www1.ambra.unibo.it/giorgio.sartor/

• Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto l’autore usando questa frase:

• Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio SartorUniversità di Bologna a Ravenna Corso di Laurea in Scienze Ambientali