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Effetto del pH sull'attività degli enzimi
Gli enzimi, come le altre proteine, presentano attività massima ad un pH ottimale. A pH diversi alcuni residui amminoacidici si protonano o deprotonano modificando la struttura del sito attivo e dell'enzima in generale. Questo ne diminuisce o inibisce l'attività catalitica.
Cosa sono gli enzimi?
Enzima
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Immagine generata al computer dell'enzima Purina nucleoside fosforilasi
Gli enzimi sono i catalizzatori dei sistemi biologici. La parola enzima deriva dal greco ἐν ζύμῳ (en zýmō, nel lievito).[1] La
stragrande maggioranza degli enzimi sono proteine (proteine
enzimatiche). Una piccola minoranza di enzimi sono molecole di RNA.[2] Le molecole di RNA dotate di potere catalitico costituiscono una sottocategoria peculiare degli enzimi chiamata ribozimi (o enzimi a RNA). Il processo di catalisi indotto da un enzima (come da un qualsiasi altro catalizzatore) consiste in una accelerazione della velocità della reazione e quindi in un più rapido raggiungimento dello stato di equilibrio termodinamico.
Un enzima accelera unicamente le velocità delle reazioni chimiche,
diretta ed inversa (dal composto A al composto B e viceversa), senza
intervenire sui processi che ne regolano la spontaneità.
Il suo ruolo consiste nel facilitare le reazioni attraverso l'interazione tra il substrato(la molecola o le molecole che partecipano alla reazione) ed il proprio sito attivo (la parte di enzima in cui avvengono le reazioni), formando un complesso.
Avvenuta la reazione, il prodotto viene allontanato dall'enzima, che
rimane disponibile per iniziarne una nuova. L'enzima infatti non viene
consumato durante la reazione.
Concetti generali
Come tutti i catalizzatori, anche gli enzimi permettono una riduzione dell'energia di attivazione (ΔG‡)
di una reazione, accelerando in modo consistente la sua velocità. La
maggior parte delle reazioni biologiche catalizzate da enzimi hanno una
velocità superiore di milioni di volte alla velocità che avrebbero senza
alcun catalizzatore. Come per tutti i catalizzatori, gli enzimi non
sono consumati dalla reazione che catalizzano, né alterano l'equilibrio chimico della reazione.
In ogni caso, la differenza principale degli enzimi dagli altri catalizzatori chimici è la loro estrema specificità di substrato.
Essi infatti sono in grado di catalizzare solo una reazione o
pochissime reazioni simili, poiché il sito attivo interagisce con i
reagenti in modo stereospecifico (è sensibile anche a piccolissime differenze della struttura tridimensionale).
Secondo la banca dati ExplorEnz della IUBMB, sono state individuate finora 4038 reazioni biochimiche catalizzate da enzimi.[3] Tutti gli enzimi sono proteine, ma non tutti i catalizzatori biologici sono enzimi, dal momento che esistono anche catalizzatori costituiti di RNA, chiamati ribozimi.[4]
L'attività enzimatica può essere influenzata da altre molecole. Esistono infatti molecole in grado di inibire tale attività (molti farmaci e veleni sono inibitori enzimatici). Sono note anche molecole attivatrici dell'enzima, in grado di aumentarne l'attività. L'attività può essere anche influenzata dalla temperatura, dal pH e dalla concentrazione di substrato.
Alcuni enzimi sono utilizzati per fini industriali. La sintesi chimica di
numerosi farmaci, ad esempio, è portata a termine attraverso l'utilizzo
di enzimi. Anche diversi prodotti di uso domestico fanno ampio uso di
enzimi. Diversi detersivi contengono enzimi per velocizzare la degradazione delle proteine e dei lipidi che compongono le macchie. La papaina, enzima estratto dalla papaia, è invece utilizzato in numerosi prodotti per le sue caratteristiche proteolitiche: dall'intenerimento della carne, processo noto già agli indigeni americani, all'utilizzo in applicazioni topiche sulle ferite e sulle cicatrici.
Effetto del pH sull'attività degli enzimi
Gli enzimi, come le altre proteine, presentano attività massima ad un pH ottimale. A pH diversi alcuni residui amminoacidici si protonano o deprotonano modificando la struttura del sito attivo e dell'enzima in generale. Questo ne diminuisce o inibisce l'attività catalitica.
Enzimi e patologie
Dal
momento che il controllo dell'attività enzimatica è necessario per
l'omeostasi cellulare, qualsiasi suo malfunzionamento può indurre
risultati patologici. Mutazioni, sovrapproduzione o sottoproduzione del gene codificante per un enzima può indurre ad esempio una patologia genetica.
L'importanza degli enzimi nei processi cellulari può essere
ulteriormente dimostrata dal fatto che il malfunzionamento di un solo
enzima (su migliaia) è in grado di indurre una patologia seria.
Ad esempio la fenilchetonuria è dovuta alla mutazione di un solo amminoacido nel gene per la fenilalanina idrossilasi, che catalizza il primo step nella conversione della fenilalanina a tirosina, essenziale per evitare all'organismo gli effetti tossici dovuti all'accumulo ematico di fenilalanina. Tale mutazione genera la perdita di ogni attività enzimatica, con conseguenze neurologiche gravi, tra cui un importante ritardo mentale.[50]
Inibitori irreversibili
Alcuni inibitori sono in grado di reagire con l'enzima e formare un legame covalente. L'inattivazione così indotta è irreversibile. Esistono diversi composti di questo tipo: una classe importante è quella dei cosiddetti inibitori suicidi, che contano al loro interno la eflornitina, un farmaco utilizzato per trattare la malattia del sonno.[44] Anche la penicillina ed i suoi derivati agiscono in questo modo. Gli antibiotici di questa classe vengono legati dal sito attivo dell'enzima bersaglio (le transpeptidasi) e vengono convertiti in un intermedio che reagisce in modo irreversibile con alcuni residui presenti nel sito attivo.
Utilizzi degli inibitori
Gli
inibitori sono spesso utilizzati come farmaci, ma possono agire anche
come veri e propri veleni. In realtà, la differenza tra farmaco e veleno
è esclusivamente una questione di dose del composto: la maggior parte dei farmaci, infatti, se somministrati ad alte dosi può risultare tossica, come già Paracelso evidenziò nel XVI secolo: "In tutte le cose c'è un veleno, e senza un veleno non c'è nulla.[45] Il principio della dose è lo stesso per cui gli antibiotici e gli altri agenti anti-infezione sono veleni per il patogeno e non per l'organismo umano.
§ Un esempio di inibitore utilizzato come farmaco è l'aspirina, che inibisce l'attività delle ciclossigenasi COX-1 e COX-2, che producono leprostaglandine, mediatori dell'infiammazione, riducendo dunque la sensazione di dolore.
§ Il cianuro è invece un inibitore irreversibile che si combina con il rame ed il ferro presenti nel sito attivo dell'enzima citocromo c ossidasi, bloccando la catena di trasporto degli elettroni e, di conseguenza, la respirazione cellulare.[46]
In molti organismi anche i prodotti degli enzimi possono agire come una sorta di inibitori, attraverso un meccanismo di feedback negativo.
Se un enzima produce troppo prodotto, esso può infatti agire come
inibitore dell'enzima stesso, riducendo o bloccando la produzione di
ulteriore prodotto. Tale meccanismo è molto frequente negli enzimi
coinvolti in pathway metabolici: la esochinasi, ad esempio, è inibita da alte quantità di glucosio-6-fosfato.
Regolazione dell'attività enzimatica
La cellula è in grado di controllare l'attività degli enzimi in almeno cinque modalità principali.
1. Produzione degli enzimi. La trascrizione e la sintesi proteica dei geni relativi agli enzimi sono controllati con i comuni meccanismi che regolano l'espressione genica. In particolare, tale regolazione spesso risponde a stimoli esterni alla cellula. Ad esempio, alcuni batteri possono diventare resistenti agli antibiotici attraverso l'induzione di enzimi ad hoc (ad esempio la resistenza alla penicillina è dovuta all'enzima beta-lattamasi, che genera l'idrolisi dell'anello beta-lattamico che caratterizza la molecola). Un altro esempio è l'induzione delle citocromo P450 ossidasi nel fegato, coinvolte nel metabolismo dei farmaci.
2. Compartimentalizzazione degli enzimi.
L'utilizzo di vescicole ed organelli da parte della cellula è
essenziale per permettere lo svolgimento di diversi pathway metabolici
(anche partendo dagli stessi substrati di base). Ad esempio gli acidi grassi sono biosintetizzati da un set di enzimi presenti nel citosol, nel reticolo endoplasmatico e nell'apparato del Golgi, mentre gli stessi acidi grassi sono utilizzati nel mitocondrio, come fonte di energia attraverso la beta ossidazione.[47]
3. Feedback negativo.
I prodotti finali di un pathway metabolico sono spesso inibitori dei
primi enzimi della stessa via metabolica (solitamente quelli che
caratterizzano le reazioni irreversibili), regolando così l'intero flusso della via metabolica. Un tale meccanismo di regolazione è definito a feedback negativo,
perché la quantità di prodotto generato dipende dalla concentrazione
del prodotto stesso. I meccanismi di feedback negativo sono in grado di
regolare finemente l'attività degli enzimi in base alle necessità della
cellula, permettendo una ottimizzazione della gestione dei metaboliti a
disposizione ed un corretto mantenimento dell'omeostasi.
4. Modificazioni post traduzionali. La fosforilazione, la miristilazione e la glicosilazione sono solo alcune delle possibili modificazioni che i singoli amminoacidi di un enzima possono subire in seguito alla sua traduzione. Tali modificazioni sono molto utilizzate per la regolazione della trasduzione del segnale. Ad esempio la cellula epatica è in grado di rispondere al segnale ormonale dell'insulina attraverso la fosforilazione di numerosi enzimi, tra cui la glicogeno sintetasi, che così avvia la glicogenosintesi, riducendo la glicemia.[48] Un altro esempio di modificazione post traduzionale è il taglio di intere sezioni di proteina. La chimotripsina, ad esempio, è biosintetizzata in forma inattiva (come chimotripsinogeno) nel pancreas e viene trasportata nell'intestino tenue, dove è attivata. Questo permette all'enzima di non avviare la sua attività proteolitica nel
sito di produzione (nel pancreas, in questo caso), ma solo dove ce n'è
davvero bisogno (nel tubo digerente). Questi tipi di precursori inattivi
sono detti zimogeni.
5. Attivazione in ambienti differenti da quelli di produzione. Un'ultima via di regolazione molto usata è la biosintesi di enzimi attivi solo in condizioni molto differenti. L'emagglutinina del virus dell'influenza, ad esempio, viene attivata solo in seguito ad un notevole cambiamento conformazionale indotto dal contatto con l'ambiente acido dell'endosoma della cellula infettata.[49] Simile processo subiscono gli enzimi lisosomiali, che vengono attivati solo in presenza del pH acido tipico dell'organello.
Nomenclatura
A partire dalla zimasi caratterizzata da Buchner, tutti gli enzimi sono stati denominati utilizzando il suffisso -asi. Comunemente, il nome dell'enzima viene composto dalla fusione del substrato con il suffisso. Ad esempio la lattasi è in grado di scindere la molecola di lattosio, laDNA polimerasi è coinvolta nella formazione di polimeri di DNA.
Esistono in ogni caso delle norme precise per la definizione del nome degli enzimi, messe a punto dalla International Union of Biochemistry and Molecular Biology attraverso la Enzyme Commission, costituita nel 1955.
La classificazione degli enzimi si basa sui numeri EC: ad ogni enzima
viene associato un codice composto di quattro numeri ed un nome
sistematico a seconda della reazione catalizzata.
Esistono sei differenti classi di enzimi.[13]
§ EC 1 - Ossidoreduttasi: catalizzano reazioni di ossidoriduzione;
§ EC 2 - Transferasi: catalizzano il trasferimento di un gruppo funzionale;
§ EC 3 - Idrolasi: catalizzano l'idrolisi di vari tipi di legame chimico;
§ EC 4 - Liasi: catalizzano la rottura di legami covalenti attraverso metodi alternativi all'idrolisi o all'ossidoriduzione;
§ EC 5 - Isomerasi: catalizzano le isomerizzazioni all'interno di una molecola; catalizzano la riorganizzazione intramolecolare
§ EC 6 - Ligasi: catalizzano il legame tra due molecole attraverso un legame covalente.
Struttura e funzionamento
L'attività degli enzimi è determinata dalla struttura quaternaria[17] (ovvero l'arrangiamento spaziale delle subunità) e dalla struttura terziaria(ovvero
la conformazione tridimensionale) degli enzimi stessi. La maggior parte
degli enzimi presenta dimensioni decisamente maggiori dei substrati su
cui agiscono. Solitamente la regione dell'enzima coinvolta nell'attività
catalitica è molto ridotta (conta spesso solo 3-4amminoacidi).[18] La regione contenente questi residui catalitici, nota come sito attivo,
si occupa di prendere contatto con il substrato e di portare a termine
la reazione. Gli enzimi possono anche contenere regioni che legano cofattori necessari
per la catalisi. Alcuni enzimi presentano anche siti di legame per
piccole molecole, spesso prodotti diretti o indiretti della reazione
catalizzata. Tale legame può incrementare o ridurre l'attività
dell'enzima, attraverso una regolazione a feedback negativo.
A partire dalla zimasi caratterizzata da Buchner, tutti gli enzimi sono stati denominati utilizzando il suffisso -asi. Comunemente, il nome dell'enzima viene composto dalla fusione del substrato con il suffisso. Ad esempio la lattasi è in grado di scindere la molecola di lattosio, laDNA polimerasi è coinvolta nella formazione di polimeri di DNA.
Esistono in ogni caso delle norme precise per la definizione del nome degli enzimi, messe a punto dalla International Union of Biochemistry and Molecular Biology attraverso la Enzyme Commission, costituita nel 1955.
La classificazione degli enzimi si basa sui numeri EC: ad ogni enzima
viene associato un codice composto di quattro numeri ed un nome
sistematico a seconda della reazione catalizzata.
Esistono sei differenti classi di enzimi.[13]
§ EC 1 - Ossidoreduttasi: catalizzano reazioni di ossidoriduzione;
§ EC 2 - Transferasi: catalizzano il trasferimento di un gruppo funzionale;
§ EC 3 - Idrolasi: catalizzano l'idrolisi di vari tipi di legame chimico;
§ EC 4 - Liasi: catalizzano la rottura di legami covalenti attraverso metodi alternativi all'idrolisi o all'ossidoriduzione;
§ EC 5 - Isomerasi: catalizzano le isomerizzazioni all'interno di una molecola; catalizzano la riorganizzazione intramolecolare
§ EC 6 - Ligasi: catalizzano il legame tra due molecole attraverso un legame covalente.
§
Funzioni biologiche
Gli enzimi portano a termine una gran quantità di funzioni all'interno degli organismi viventi.
§ Una delle caratteristiche più importanti degli enzimi è la possibilità di lavorare in successione, creando un pathway metabolico.
Nei pathways, ogni enzima utilizza il prodotto della reazione
precedente come substrato. È la presenza degli enzimi a determinare i
passaggi del pathway: senza enzimi, il metabolismo non passerebbe
attraverso gli stessi passaggi e non sarebbe in grado di generare
prodotti ad una velocità sufficiente per le esigenze della cellula. Ad
esempio, un pathway come la glicolisi non potrebbe esistere in assenza degli enzimi che la compongono. Il glucosio, ad esempio, è in grado di reagire direttamente con l'adenosintrifosfato (ATP) per essere fosforilatosu uno o più carboni,
ma in assenza di enzimi questo avverrebbe a velocità tanto ridotte da
essere insignificante. La rete del metabolismo cellulare dipende dunque
dal set di enzimi funzionali presenti.
§ Un'altra importante funzione degli enzimi è correlata alla digestione negli animali. Enzimi come le amilasi e le proteasi sono in grado di ridurre le macromolecole (nella fattispecie amido e proteine) in unità semplici (maltosio e amminoacidi), assorbibili dall'intestino. In alcuni casi gli enzimi necessari alla digestione possono essere prodotti da organismi ospiti del tubo digerente: nei ruminanti, ad esempio, lacellulasi necessaria alla degradazione della cellulosa è prodotta da alcune specie batteriche.
§ Essi sono anche fondamentali per la trasduzione del segnale e la regolazione dei processi cellulari. In particolare, questi processi sono coordinati solitamente da chinasi e fosfatasi.[14]
§ Gli enzimi sono anche in grado di generare movimento, come avviene ad esempio con la miosina, che idrolizza l'ATP generando lacontrazione muscolare o con il trasporto di molecole nei vari dipartimenti cellulari attraverso il citoscheletro.[15]
§ Altre ATPasi, localizzate presso le membrane cellulari, sono le pompe ioniche, coinvolte nel trasporto attivo.
§ I virus contengono numerosi enzimi che permettono loro di infettare le cellule. Tra di essi figurano le integrasi e le retrotrascrittasi.
§ Gli enzimi sono anche coinvolti in funzioni più esotiche, come la generazione di luce nella lucciola, resa possibile dalla presenza della luciferasi.[
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