Enzima

Enzima

Enzima (composto del greco ἐν, "dentro", e ζύμη, "fermento") è il nome generico di un gruppo di sostanze di fondamentale importanza biologica, in quanto capaci di agire come condizionatori o catalizzatori delle reazioni biochimiche che avvengono negli organismi viventi, senza essere consumate e senza entrare nei prodotti finali della reazione stessa. Ogni enzima agisce in maniera specifica catalizzando una singola reazione. Pertanto, il tipo di enzimi che sono presenti all'interno della cellula determinerà il genere di reazioni che vi avranno luogo.

Cenni storici

Le prime osservazioni sull'esistenza degli enzimi sono quelle di L. Pasteur (1850) sulla fermentazione dello zucchero in alcol. Inizialmente si ritenne che i 'fermenti', poi indicati con il termine enzimi, fossero inseparabili dalle strutture cellulari viventi. Solo nel 1897 E. Büchner dimostrò che anche gli estratti acellulari di lievito avevano la capacità di favorire la fermentazione dello zucchero in alcol. Ebbe così inizio lo sviluppo della ricerca sulle metodiche per la separazione, la purificazione e la cristallizzazione (J. Sumner, 1926) degli enzimi, con la conseguente ipotesi sulla loro natura molecolare proteica. Fino alla metà degli anni Ottanta del 20° secolo, infatti, si accettava comunemente la tesi che gli enzimi fossero esclusivamente proteine in grado di catalizzare, in vivo o in vitro, la maggior parte delle reazioni chimiche degli esseri viventi. Recentemente, però, è stata descritta l'azione catalitica di 'ribozimi', molecole di RNA con funzione di catalizzatori.

Generalità

L'importanza biologica degli enzimi sta nel fatto che essi consentono il rapido svolgersi di reazioni nelle condizioni ambientali (di pH, temperatura e pressione) proprie degli organismi. In tali condizioni, infatti, e in assenza di enzimi, la maggior parte delle trasformazioni chimiche essenziali all'esercizio delle funzioni vitali potrebbe verificarsi solo in tempi di una lunghezza incommensurabile con la vita media di qualunque organismo. Un'altra caratteristica importante che distingue gli enzimi, catalizzatori di natura proteica, dai comuni catalizzatori chimici è la specificità d'azione nei riguardi sia dei substrati (reagenti), sia del tipo di reazione catalizzata.

Alcuni enzimi 'storici' hanno nomi particolari, come papaina, lisozima, tripsina ecc. Generalmente, i nomi degli enzimi si costruiscono agganciando la desinenza -asi a una sequenza di parole, che evidenziano il nome o la categoria dei substrati interessati e della reazione catalizzata. Questo metodo può essere applicato con gradi variabili di analiticità, e ciò dà origine alla possibile esistenza di nomi diversi per un medesimo enzima, come pure alla possibilità che uno stesso nome sia riferibile a enzimi diversi. Esiste tuttavia un sistema convenzionale internazionale quaternario che si basa su quattro numeri in sequenza, mediante i quali si risale senza ambiguità a una fra le sei classi generali di reazioni catalizzate. Queste sono indicate dal primo numero (1 = ossidoriduttasi, 2 = trasferasi, 3 = idrolasi, 4 = liasi, 5 = isomerasi, 6 = ligasi). I tre numeri successivi si riferiscono a tre sottoclassi, elencate in ordine crescente di specificità per quanto riguarda le modalità di reazione e le caratteristiche peculiari dei substrati e dei cofattori coinvolti. Per es., l'enzima che catalizza la reazione d'ossidazione del ferro bivalente contenuto nel citocromo c da parte dell'ossigeno, consentendo la respirazione cellulare, è comunemente chiamato con il termine riassuntivo di citocromossidasi. La dicitura completa e corretta è 'ferrocitocromo c:ossigeno ossidoriduttasi', classificato come E.C. 1.9.3.1. Normalmente si indicano anche il tessuto o l'organo e la specie da cui proviene in natura l'enzima di cui si tratta. La biosintesi degli enzimi avviene secondo le regole tipiche della biosintesi di tutte le altre proteine. Alcuni enzimi sono costituiti esclusivamente da materiale proteico; altri necessitano, per esercitare la propria funzione biologica, di cofattori, che possono essere ioni inorganici o molecole organiche o metallo-organiche di varia complessità. La parte proteica (apoenzima, apoproteina) si lega al cofattore (coenzima, gruppo prostetico) tramite legami covalenti o dativi. In altri casi, il cofattore, per prendere parte alla catalisi, si lega labilmente e reversibilmente all'apoenzima condizionandone il funzionamento: in questa situazione si suole parlare, piuttosto che di coenzima, di cosubstrato. In tutti i casi, con oloenzima si indica un enzima cataliticamente attivo, che è completo di tutti i necessari cofattori.

Si dice che un enzima è allo stato nativo finché è in grado di esercitare la propria funzione naturale originaria. Un enzima è denaturato quando ha perso la propria attività catalitica: vari agenti di natura fisica o chimica possono provocare la denaturazione, che può essere reversibile o irreversibile. Lo stato nativo dipende dalla persistenza della struttura terziaria e quaternaria originale dell'apoenzima. La struttura terziaria è infatti essenziale per la costituzione dei siti specifici di legame (con i substrati, i cofattori, gli attivatori e gli inibitori) e dei siti catalitici. Gli enzimi con una struttura quaternaria (polimerica) presentano generalmente il fenomeno dell''allosteria'. Si tratta di un effetto cooperativo dovuto al legame di un substrato, di un attivatore o di un inibitore con una delle subunità proteiche del polimero. Tale effetto si riflette in una modificazione conformazionale dei siti localizzati sulle altre subunità, con effetti favorevoli o inibitori sull'attività catalitica dell'oloenzima.

Gli enzimi si trovano ubiquitariamente negli organismi viventi: negli organismi pluricellulari la distribuzione dei vari enzimi è compartimentalizzata. Questo termine si riferisce alla specifica localizzazione dei diversi enzimi nelle varie strutture subcellulari (membrane, organuli, nucleo) ed extracellulari, secondo le specifiche funzioni. Sono enzimi extracellulari quelli presenti nei liquidi biologici, come il liquor, il plasma sanguigno, i succhi digestivi (salivare, gastrico, pancreatico, enterico), e nelle più varie secrezioni (lacrime, sudore, veleni di insetti e serpenti ecc.).

Meccanismo di azione

La funzione catalitica consiste in un significativo abbassamento dell'energia d'attivazione che è necessaria perché i substrati possano superare la barriera energetica che ostacola il passaggio dallo stato iniziale a quello finale. Questo effetto si raggiunge attraverso lo stato intermedio di transizione a più alto livello energetico. L'enzima, infatti, si lega reversibilmente ai substrati per i quali ha maggiore affinità: si forma così un complesso enzima-substrato di livello energetico abbastanza alto da consentire il passaggio allo stato finale. In questo stadio si recuperano separatamente enzima libero e prodotti della reazione catalizzata. Esistono numerosi esempi di sistemi multienzimatici, che sono generalmente enzimi costituiti da varie subunità proteiche riunite in una molecola funzionalmente identificata dalla sua attività enzimatica. Ciascuna subunità contiene uno o più siti di legame e catalitici diversi per reazioni seriali a carico di substrati specifici. In questi casi, l'aumento di velocità delle reazioni è ulteriormente favorito dalla prossimità spaziale tra le molecole reagenti, localizzate nei rispettivi siti di legame, che azzera il tempo di diffusione.

Tra i fattori che influenzano l'attività enzimatica, vanno considerati la temperatura e il pH ambientali, la concentrazione dei substrati e dell'enzima stesso e la presenza di inibitori e modulatori.

Per quanto riguarda gli effetti della temperatura, possiamo dire in generale che un aumento di essa, da un lato, favorisce un'accelerazione delle reazioni, dall'altro lato, può causare la denaturazione degli enzimi i quali, in quanto proteine, presentano un grado variabile di termoresistenza. Il pH influisce sul grado di protonazione sia dell'enzima sia dei substrati e, conseguentemente, sulla velocità di formazione del complesso enzima-substrato. Pertanto, per ogni reazione enzimatica esiste un valore ottimale del pH, in presenza del quale si ha un massimo di velocità della reazione. Questa tende a decrescere con andamento gaussiano, in seguito a variazioni del pH sia in aumento sia in diminuzione. La velocità della reazione catalizzata, in presenza di sufficienti concentrazioni dei substrati, è proporzionale linearmente alla concentrazione dell'enzima.

Più complessa è la situazione per quanto riguarda la concentrazione dei substrati. Questa complessità è dovuta in primo luogo al fatto che la concentrazione dell'enzima è, in linea generale, di diversi ordini di grandezza inferiore rispetto a quella dei substrati. In conseguenza di ciò, la formazione del complesso attivato enzima-substrato non può essere incrementata oltre un valore limite (che è determinato dalla disponibilità di enzima libero) mediante un aumento della concentrazione del substrato. Pertanto, si osserva un valore massimo della velocità di reazione. Le relazioni tra questo valore massimo e la concentrazione del substrato sono oggetto di studi di cinetica enzimatica, come quelli di L. Michaelis e M.L. Menten. Analogo discorso vale per gli effetti dei vari tipi di inibitori (competitivi, acompetitivi, non competitivi, allosterici) e attivatori o modulatori.

Bibliografia

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