Gli enzimi

Definizione

Gli enzimi sono proteine prodotte nelle cellule vegetali e animali, che agiscono come catalizzatori accelerando le reazioni biologiche senza venire modificati.

Gli enzimi operano combinandosi con una sostanza specifica per trasformarla in una sostanza diversa; esempi classici sono dati dagli enzimi digestivi presenti nella saliva, nello stomaco, nel pancreas e nell'intestino tenue, che esplicano una funzione essenziale nella digestione e contribuiscono a scindere gli alimenti nei costituenti di base, che possono quindi essere assorbiti e utilizzati dall'organismo, elaborati da altri enzimi o espulsi come rifiuti.

Ogni enzima ha un ruolo specifico: quello che scinde i grassi, per esempio, non agisce sulle proteine o sui carboidrati. Gli enzimi sono essenziali per il benessere dell'organismo. La carenza, anche di un singolo enzima, può provocare gravi disturbi. Un esempio abbastanza noto è la fenilchetonuria (PKU), malattia contraddistinta dall'incapacità di metabolizzare un aminoacido essenziale, la fenilalanina, il cui accumulo può provocare deformità fisiche e malattie mentali.

Approfondimento Biochimico

Gli enzimi sono particolari proteine che hanno la caratteristica di essere catalizzatori biologici, cioè hanno la capacità di abbattere l'energia di attivazione (Eatt) di una reazione, modificandone il cammino per far sì che un processo cineticamente lento, risulti più veloce.

Gli enzimi aumentano la cinetica di reazioni termodinamicamente possibili e, a differenza dei catalizzatori, sono, chi più chi meno, specifici: possiedono quindi specificità di substrato.
L'enzima non è coinvolto nella stechiometria della reazione: perché si abbia ciò, è indispensabile che il sito catalitico finale sia identico a quello di partenza.
Nell'azione catalitica esiste, quasi sempre una fase lenta che determina la velocità del processo.
Quando si parla di enzimi non è corretto parlare di reazioni di equilibrio, si parla, invece, di stato stazionario (stato in cui un certo metabolita si forma e si consuma continuamente, mantenendo la sua concentrazione pressoché costante nel tempo). Il prodotto di una reazione catalizzata da un enzima è, solitamente, a sua volta reagente per una reazione successiva, catalizzata da un altro enzima, e così via.
I processi catalizzati da enzimi sono, di solito, costituiti da successioni di reazioni.
Una generica reazione catalizzata da un enzima (E), si può così schematizzare:

Enzimi

E è l'enzima

S è il substrato;
ES rappresenta l'addotto tra enzima e substrato;

P è il prodotto;
K è la costante di velocità della reazione.


Un enzima generico (E) si combina con il substrato (S) per formare l'addotto (ES) con una costante di velocità K1; esso può dissociare di nuovo in E + S, con una costante di velocità K2, oppure, (se "vive" abbastanza a lungo) può procedere per formare P con una costante di velocità K3.

Il prodotto (P) può, a sua volta, ricombinarsi con l'enzima e riformare l'addotto con costante di velocità K4.
Nel momento in cui si mescolano enzima e substrato,  si ha una frazione di tempo in cui non si è ancora verificato l'incontro tra le due specie:  si ha, cioè, un intervallo di tempo estremamente breve (che dipende dalla reazione) in cui enzima e substrato non si sono ancora incontrati; dopo questo periodo, enzima e substrato vengono a contatto in quantità via via maggiore e si forma l'addotto ES. Successivamente l'enzima agisce sul substrato e viene rilasciato il prodotto. Si può allora dire che c'è un intervallo di tempo iniziale in cui non è definibile la concentrazione dell'addotto ES; dopo tale periodo, si suppone che si instauri uno stato stazionario, cioè la velocità dei processi che portano ad ottenere l'addotto è uguale alla velocità dei processi che portano alla distruzione dell'addotto.
La costante di Michaelis-Menten (KM) è una costante di equilibrio (riferita al primo equilibrio sopra descritto); si può dire, con buona approssimazione (perché andrebbe considerata anche la K3) che KM è rappresentata dal rapporto tra le costanti cinetiche K2 e la K1 (riferite alla distruzione e alla formazione dell'addotto ES nel primo equilibrio sopra descritto).
Attraverso la costante di Michaelis-Menten abbiamo un'indicazione dell'affinità tra enzima e substrato: se la KM è piccola c'è un'elevata affinità tra enzima e substrato, quindi l'addotto ES è stabile.


Gli enzimi sono soggetti a regolazione (o modulazione).
In passato si parlava soprattutto di modulazione negativa, cioè di inibizione delle capacità catalitiche di un enzima ma, si può avere anche una modulazione positiva, cioè vi sono delle specie in grado di esaltare le capacità catalitiche di un enzima.
Esistono 4 tipi di inibizioni (ottenute da approssimazioni fatte su un modello per far combaciare i dati sperimentali con le equazioni matematiche):

  • inibizione competitiva
  • inibizione non competitiva
  • inibizione incompetitiva
  • inibizione acompetitiva

Si parla di inibizione competitiva quando una molecola (inibitore) è in grado di competere con il substrato. Per similitudine strutturale, l'inibitore, può reagire al posto del substrato; ecco da cosa deriva la terminologia "inibizione competitiva". La probabilità che l'enzima si leghi all'inibitore o al  substrato, dipende dalla concentrazione di entrambi e dalla loro affinità con l'enzima; da questi fattori dipende, quindi, la velocità di reazione.
Per ottenere la stessa velocità di reazione che si avrebbe senza la presenza dell'inibitore, occorre avere una concentrazione di substrato maggiore.
E' dimostrato sperimentalmente che, in presenza di inibitore,  la costante di Michaelis-Menten aumenta.


Per quanto riguarda, invece, l'inibizione non competitiva, l'interazione tra la molecola che dovrebbe funzionare da modulatore (positivo o negativo-inibitore)  e l'enzima, avviene in un sito che è diverso da quello in cui si ha l'interazione  tra enzima e substrato; si parla quindi di modulazione allosterica (dal greco allosteros →  altro sito).
Se l'inibitore si va a legare all'enzima, può indurre una modificazione della struttura dell'enzima e, di conseguenza,  può diminuire l'efficienza con cui il substrato si lega all'enzima.
In questo tipo di processo, la costante di Michaelis-Menten rimane costante dal momento che tale valore dipende dagli equilibri tra enzima e substrato e, tali equilibri, anche in presenza di un inibitore, non cambiano.


Il fenomeno della inibizione incompetitiva è raro; un tipico inibitore incompetitivo è una sostanza che si lega reversibilmente all'addotto ES dando origine a ESI:


Enzimi


L'inibizione da eccesso di substrato può essere talvolta di tipo incompetitivo, in quanto questa si manifesta quando una seconda molecola di substrato si lega al complesso ES, dando origine al complesso ESS.


Un inibitore acompetitivo, invece,  può legarsi unicamente all'addotto enzima substrato come nel caso precedente: il legame del substrato all'enzima libero induce una modificazione conformazionale che rende accessibile il sito per l'inibitore.
La costante di Michaelis Menten diminuisce all'aumentare della concentrazione di inibitore: apparentemente, quindi, l'affinità dell'enzima per il substrato aumenta.


Serin proteasi

Sono una famiglia di enzimi alla quale appartengono chimotripsina e tripsina.
La chimotripsina è un enzima proteolitico e idrolitico che taglia a destra degli amminoacidi idrofobici e aromatici.
Il prodotto del gene che codifica per la chimotripsina non è attivo (si attiva con un comando); la forma non attiva della chimotripsina è rappresentata da una catena  polipeptidica  di 245 amminoacidi. La chimotripsina ha una forma globulare dovuta a cinque ponti disolfuro e altre interazioni minori (elettrostatiche, forze di Van der Waals, legami a idrogeno ecc.).
La chimotripsina è prodotta dalle cellule chimose del pancreas dove è contenuta in apposite membrane ed espulsa attraverso il dotto pancreatico nell'intestino, al momento della digestione del cibo: la chimotripsina è infatti un'enzima digestivo. Le proteine e le sostanze nutritive che ingeriamo attraverso la dieta, sono sottoposte alla digestione per essere ridotte a catene più piccole e per essere assorbite e trasformate in energia (es. amilasi e proteasi scindono le sostanze nutritive  in glucosio e amminoacidi che raggiungono le cellule, attraverso i vasi sanguigni arrivano alla vena porta e da lì vengono convogliati nel fegato dove subiscono ulteriori trattamenti).
Gli enzimi vengono prodotti in una forma non attiva e vengono attivati solo quando raggiungono la "sede in cui devono operare"; terminata la loro azione, vengono disattivate. Un enzima, una volta disattivato, non può essere riattivato: per avere un'ulteriore azione catalitica, deve essere sostituito da un'altra molecola di enzima. Se la chimitripsina venisse prodotta in forma attiva già nel pancreas, attaccherebbe quest'ultimo: le pancreatiti sono patologie dovute a enzimi digestivi che vengono attivati già nel pancreas (e non nelle sedi richieste); alcune di esse se non curate in tempo, portano alla  morte.
Nella chimotripsina  e in tutte le serin proteasi, l'azione catalitica è dovuta all'esistenza dell'anione alcolato (-CH2O-) nella catena laterale di una serina.
Le serin proteasi prendono questo nome proprio perché la loro azione catalitica è dovuta ad una serina.
Una volta che tutto l'enzima ha eseguito la sua azione, prima di poter nuovamente rioperare sul substrato, deve essere ripristinato con acqua; la "liberazione" della serina da parte dell'acqua è lo stadio più lento del processo, ed è tale fase che determina la velocità della catalisi. 
L'azione catalitica avviene in due fasi:

  • formazione dell'anione con proprietà catalitiche (anione alcolato) e successivo attacco nucleofilo al carbonio carbonilico (C=O) con scissione del legame peptidico e formazione dell'estere;
  • attacco dell'acqua con ripristino del catalizzatore (in grado, così di esercitare nuovamente la sua azione catalitica).

I vari enzimi che appartengono alla famiglia delle serin proteasi, possono essere costituiti da amminoacidi diversi ma, per tutti, il sito catalitico è rappresentato dall'anione alcolato della catena laterale di una serina.
Una sottofamiglia delle serin proteasi è quella degli enzimi coinvolti nella coagulazione (che consiste nella trasformazione di proteina, dalla loro forma inattiva ad un'altra forma che è attiva). Tali enzimi fanno sì che la coagulazione sia il più efficace possibile e sia circoscritta nello spazio e nel tempo (la coagulazione deve avvenire velocemente e deve verificarsi solo in vicinanza della zona lesa). Gli enzimi impegnati nella coagulazione, vengono attivati a cascata (dall'attivazione di un solo enzima, si ottengono miliardi di enzimi: ogni enzima attivato, attiva a sua volta molti altri enzimi).
La trombosi è una patologia dovuta al cattivo funzionamento degli enzimi della coagulazione: è causata dall'attivazione, senza necessità (perché non c'è alcuna lesione), degli enzimi impiegati nella coagulazione.

Esistono enzimi modulatori (regolatori) ed enzimi inibitori per altri enzimi: interagendo con quest'ultimo ne regolano o ne inibiscono l'attività; anche il prodotto di un enzima può essere inibitore per l'enzima. Vi sono anche enzimi che lavorano tanto più, quanto maggiore è il substrato presente.

Lisozima

Luigi Pasteur scoprì, casualmente, starnutendo su una capsula petri, che nel muco c'è un enzima capace di fare morire i batteri: il lisozima; dal greco: liso = che taglia;  zimo = enzima.
Il lisozima è in grado di rompere la parete cellulare dei batteri. I batteri, e, in generale, gli organismi unicellulari, hanno bisogno di strutture meccanicamente resistenti che ne limitino la forma; all'interno dei batteri c'è una pressione osmotica molto alta perciò richiamano acqua. La membrana plasmatica esploderebbe se non vi fosse la parete cellulare che si oppone all'ingresso di acqua e limita il volume del batterio.
La parete cellulare è costituita da una catena polisaccaridica in cui si alternano molecole di N-acetil-glucosammina (NAG) e molecole di acido N-acetil-muramico (NAM); il legame tra NAG e NAM si rompe tramite idrolisi. Il gruppo carbossilico del NAM, nella parete cellulare, è impegnato in un legame peptidico con un amminoacido.
Tra le varie catene si formano dei ponti costituiti da legami pseudo peptidici: la ramificazione è dovuta alla molecola di lisina; la struttura nel suo complesso è molto ramificata e ciò gli assegna un'elevata stabilità.
Il lisozima è un antibiotico (uccide i batteri): agisce facendo una crepa nella parete batterica; quando si rompe questa struttura  (che è meccanicamente resistente) il batterio richiama acqua fino a scoppiare. Il lisozima riesce a rompere il legame b-1,4 glucosidico tra NAM e NAG.
Il sito catalitico del lisozima è rappresentato da un solco che scorre lungo l'enzima in cui va ad inserirsi la catena polisaccaridica: sei anelli glucosidici della catena, trovano posto nel solco.
Nella posizione tre del solco c'è una strozzatura: in tale posizione si può piazzare solo un NAG, perché il NAM, che è di dimensioni superiori, non riesce ad entrare. Il sito catalitico vero e proprio è tra le posizioni quattro e cinque: essendovi un NAG in posizione tre, il taglio avverrà tra un NAM e un NAG (e non viceversa); il taglio, quindi, è specifico.
Il pH ottimale per il funzionamento del lisozima è cinque. Nel sito catalitico dell'enzima, cioè tra le posizioni quattro e cinque, vi sono le catene laterali di un acido aspartico e di un acido glutammico.


Grado di omologia: misura la parentela  (cioè la somiglianza) tra strutture proteiche.


Esiste una stringente relazione tra lisozima e lattoso-sintetasi.
La lattoso sintetasi sintetizza il lattoso (che è il principale zucchero del latte): il lattoso è un galattosil glucoside in cui c'è un legame  β-1,4 glucosidico tra galattosio e glucosio.
Quindi, la lattosio sintetasi, catalizza la reazione opposta a quella catalizzata dal lisozima (che invece scinde il legame β-1,4 glucosidico)
La lattosio sintetasi è un dimero cioè è costituita da due catene proteiche di cui una ha proprietà catalitiche ed è comparabile al lisozima e l'altra è una subunità regolatrice.
Durante la gravidanza, vengono sintetizzate le glicoproteine dalle cellule della ghiandola mammaria per azione della galatosil-tranferasi (ha un'omologia di sequenza del 40% con il lisozima): questo enzima è in grado di trasferire un gruppo galattosile da una struttura ad alta energia ad una struttura glicoproteica. Durante la gravidanza viene indotta l'espressione del gene che codifica per la galattosisil-transferasi  (si ha l'espressione anche di altri geni che danno anche altri prodotti): si verifica un aumento delle dimensioni del seno perché viene attivata la ghiandola mammaria (precedentemente non attiva) la quale deve produrre il latte. Durante il parto, viene prodotta l'α-lattalalbumina che è una proteina regolatrice: è in grado di regolare la capacità catalitica della galattosil-transferasi (per discriminazione del substrato). La galattosil-transferasi modificata dall'α-lattalalbumina, è in grado di trasferire un galattosile su una molecola di glucosio: formando un legame β-1,4 glicosidico e dare lattosio (lattoso sintetasi).
Quindi, la galattosio transferasi prepara la ghiandola mammaria prima del parto e produce latte dopo il parto.
Per produrre le glicoproteine, la galattosil- transferasi si lega ad un galattosile e ad un NAG; durante il parto la lattal albumina si lega alla galattosiltransferasi facendo si che quest'ultimo riconosca il glucosio e non più il NAG per dare lattoso.



Ultima modifica dell'articolo: 31/12/2015