ENZIMI

ENZIMI (XIV, p. 44; App. II, 1, p. 856)

Rinnovamento degli enzimi. - I singoli e. hanno vita relativamente breve, per cui devono essere rimpiazzati. Il rinnovamento (turnover) degli e. è più rapido di quello delle proteine strutturali. Si ritiene che circa il 13% del citocromo c si rinnovi ogni giorno, mentre il valore corrispondente dell'emoglobina è dell'1%. Secondo K. Lang (1953) l'organismo umano produce giornalmente 6-8 g di e. digestivi (ptialina, pepsina, e. pancreatici ed enterici). La produzione totale di e. in tutto l'organismo è di poco inferiore ai 49 g, una quantità pari a circa la metà delle proteine sintetizzate ogni giorno dall'uomo. I valori per il lievito e altri microrganismi sono ancora superiori: possono raggiungere e superare il peso del microrganismo stesso.

Distribuzione degli enzimi. - Il patrimonio enzimatico degli organismi è regolato dai genî e varia da classe a classe e da specie a specie, mentre è uguale negli organismi della stessa specie.

Negli esseri superiori, un determinato e. può esistere soltanto in un tessuto e in un organo (per es. la pepsina è presente soltanto nello stomaco), oppure avere una distribuzione più ampia (es. fosfatasi), sia pure con notevoli differenze di concentrazione. Entro la cellula gli e. non sono distribuiti uniformemente; spesso sono localizzati in strutture cellulari ben definite (nucleo, mitocondri, microsomi, lisosomi); altri si trovano nello ialoplasma. Per quanto concerne la sede d'azione, è accertato che alcuni e. agiscono entro la cellula (e. endocellulari), mentre altri vengono secreti e agiscono all'esterno della cellula che li ha prodotti (e. esocellulari). A quest'ultimo gruppo appartengono gli enzimi digestivi.

Enzimi costitutivi e induttivi. - Varî organismi privi di un determinato e. possono essere, in un certo senso, costretti a produrlo per il cosiddetto fenomeno della induzione o dell'adattamento enzimatico. È noto, per es., che il lievito non utilizza il galattosio, ma può acquistare la facoltà di fermentarlo, se viene coltivato su un terreno nutritivo contenente questo zucchero. Dalla prima semina del lievito su tale terreno all'acquisto della capacità di fermentare il galattosio passa un certo tempo, detto "tempo di adattamento", durante il quale il microrganismo impara a sintetizzare l'enzima necessario per metabolizzare lo zucchero. Gli e. prodotti in queste condizioni si chiamano e. indotti o induttivi oppure adattivi e si tengono distinti da quelli facenti parte del normale corredo enzimatico, chiamati enzimi costitutivi.

Enzimi isodinami (Isozimi). - Appartengono a tale categoria gli e. che, benché differenti, esplicano azioni identiche o molto simili: gli esempî, abbastanza frequenti, di tali e. si trovano soprattutto fra le fosfomonoesterasi, le pirofosfatasi e le glicosidasi.

Cenni sul meccanismo d'azione degli enzimi. - Come i catalizzatori gli e. agiscono in piccola quantità e, teoricamente, non dovrebbero subire alterazioni. Essi non spostano l'equilibrio della reazione catalizzata, ma ne modificano soltanto la velocità, per lo più in aumento. Ciò è possibile in seguito alla diminuzione dell'energia di attivazione necessaria per il decorso della reazione. A sua volta la diminuzione dell'energia di attivazione è la conseguenza della formazione di un complesso fra il substrato e l'e., formazione che richiede molecole relativamente poco attivate. Il substrato, quand'è unito all'e., va incontro alle modificazioni chimiche caratteristiche della reazione, dopo di che il biocatalizzatore si stacca. Subito dopo il distacco l'e. si unisce a una nuova molecola di substrato, ripetendo il ciclo, mentre rimangono in soluzione i prodotti (o il prodotto) della reazione enzimatica. Questi prodotti sono il frutto, è bene ripeterlo, delle modificazioni subite dal substrato. È ancora scarsamente noto il modo con cui si forma il complesso enzima-substrato. L'unione può essere sostenuta dai gruppi polari, per cui un gruppo acido (elettronegativo) dell'e. lega un gruppo basico (elettropositivo) del substrato e viceversa. All'unione del substrato con l'enzima possono partecipare anche i legami di idrogeno e, talvolta, pure gli ioni metallici. In molti casi assumono grande importanza i gruppi SH dell'enzima, i quali reagiscono con i gruppi aldeidici o chetonici del substrato, formando combinazioni di tipo semiacetalico.

A titolo di esemplificazione riportiamo il meccanismo di ossidazione di un aldeide all'acido corrispondente: anzitutto l'aldeide (R−CHO) si lega all'e. (Enz-SH) tramite il gruppo tiolico (SH), formando il complesso aldeide-enzima:

I due idrogeni (messi in evidenza nel complesso aldeide-enzima) diventano mobili e migrano sulla porzione enzimatica del complesso stesso:

Infine il nuovo complesso modificato si scinde (in questo caso sommando una molecola di acqua), liberando l'acido (R−COOH) e l'enzima ridotto

Infine l'e. ridotto cede i due atomi di idrogeno a un altro substrato, che viene ridotto (per es. all'acido piruvico, che diventa acido lattico). I due atomi di idrogeno possono essere ceduti anche all'ossigeno respiratorio (O₂) con formazione di acqua ossigenata (H₂O₂):

oppure, molto frequentemente, agli e. della catena respiratoria, i quali li portano a reagire ancora con l'ossigeno respiratorio, ma generando acqua:

Inattivazione e inibizione. - La scomparsa definitiva dell'attività catalitica degli e. è indicata per lo più col termine di inattivazione ed è dovuta quasi sempre alla denaturazione della molecola proteica dell'enzima per opera del calore, di sostanza chimiche, di azioni meccaniche (agitazione violenta), del ripetuto congelamento e disgelamento, ecc.

La scomparsa temporanea, reversibile, dell'attività catalitica è detta per lo più inibizione. Due classi di inibitori sono particolarmente interessanti: gli ioni (i cationi metallici e qualche anione) e gli inibitori competitivi. Gli ioni mercurici (Hg⁺⁺), argento (Ag⁺), ecc. bloccano i gruppi SH del gruppo o centro attivo dell'enzima:

Staccando opportunamente il mercurio (Hg), l'attività enzimatica ricompare. Un esempio molto noto di inibizione competitiva è offerto dalla lewisite, che si può prevenire o eliminare mediante l'aggiunta di dimercaptopropanolo (chiamato anche BAL):

Il dimercaptopropanolo aggiunto al sistema di esperimento prima della lewisite impedisce che questa reagisca con l'enzima.

Nomenclatura degli enzimi. - Con il moltiplicarsi degli e. scoperti, il sistema di nomenclatura proposto da E. Duclaux (del resto non seguito da tutti i ricercatori) è divenuto inadeguato e si è resa necessaria l'introduzione di nuovi criterî, che attualmente sono allo studio di una apposita Commissione internazionale.

In linea generale i moderni criterî informatori della nomenclatura enzimatica suggeriscono: 1) Il nome dell'e. deve contenere l'indicazione del substrato attaccato e del tipo di azione catalizzata. Così, per es., l'e. che ossida la tirosina dovrebbe chiamarsi tirosinaossidasi e non semplicemente tirosinasi; l'e. che decarbossila l'acido piruvico: piruvico-decarbossilasi, ecc. 2) Il nome deve pure indicare, quando possibile, la specificità di substrato: p. es. D-aminoacidoossidasi. 3) Se un e. attacca un solo substrato, provocando due azioni differenti, la denominazione deve indicare ambedue i tipi di azione: es.: 3-fosfogliceraldeide S-107??? DPN-transidrogenasi fosforilante. 4) Quando non esiste pericolo di confusione, è opportuno adottare delle abbreviazioni convenzionali, sigle comprese, quali ATP per l'adenosintrifosfato, DPN⁺ per il difosfopiridina-adeninadinucleotide, ecc. 5) Per coniare il nome delle trasferasi (o transferasi) si pongono nell'ordine: il nome del donatore, una freccia, il nome dell'accettore, il nome della porzione di molecola trasferita con il prefisso "trans" o "tras". Secondo questo criterio l'enzima che trasferisce una molecola di fosfato (gruppo trasportato) dall'ATP (donatore) al glucosio (accettore) deve chiamarsi: ATP S-107??? glucosio-transfosfatasi, che equivale al termine di esocinasi, frequentemente usato. Altro esempio: aspartico S-107??? alfa-chetoglutarico − transaminasi. 6) Quando un processo è catalizzato da più enzimi, è opportuno parlare di sistema enzimatico: es. sistema cicloforasico, sistema succinico-ossidasico, sistema citocromico.

Classificazione degli enzimi. - Sono state proposte più classificazioni degli enzimi. Una, abbastanza soddisfacente, è la seguente, della quale ci limitiamo a riportare i grandi gruppi:

1) Idrolasi, le quali scindono il substrato (R-R′) introducendo gli elementi dell'acqua (H-OH):

Le idrolasi comprendono le esterasi inorganiche ed organiche, le osidasi (che scindono i glicosidi), le amidasi, le peptidasi, le polifosfatasi, le fosfoamidasi, le C-S-idrolasi e le alogenasi.

2) Transferasi, che catalizzano il trasferimento di un gruppo da una molecola (donatore) a un'altra (accettore). Il gruppo delle transferasi comprende le transmetilasi (che trasportano il gruppo metilico), le transacilasi (che trasferiscono i radicali acidi), le transosilasi (che trasportano i gruppi glicosidici), le transfosfatasi (che trasportano il gruppo fosforico), le transaminasi (che trasportano il gruppo aminico: NH₂), le transadenilasi, le transolfurasi, le transolfatasi, le transformilasi, le transadenosilasi, le coenzima A-transferasi e altre.

3) Redossasi, che catalizzano i processi di ossido-riduzione. Al gruppo delle redossasi appartengono le transidrogenasi anaerobiche (che trasferiscono l'idrogeno da un substrato all'altro), le transidrogenasi aerobiche (che trasferiscono l'idrogeno dal substrato all'ossigeno respiratorio), le transelettronasi anaerobiche (che trasportano gli elettroni da un donatore a un accettore), le transelettronasi aerobiche, dette anche ossidasi (che trasferiscono gli elettroni dal substrato all'ossigeno respiratorio), le perossidasi e le catalasi (che scindono l'acqua ossigenata).

4) Liasi e sintetasi. - Le liasi scindono i legami fra carbonio e carbonio (R-C-C-R) e fra carbonio e altri elementi. Le sintetasi catalizzano varî processi di concatenamento delle molecole fra loro. Le liasi e le sintetasi comprendono: le carboliasi e le carbosintetasi, le idrasi (o deidrasi, che sommano o sottraggono acqua in corrispondenza dei doppî legami), C-S-liasi e C-S-sintetasi, C-N-liasi e C-N-sintetasi, idrogenasi e idrogenoliasi.

5) Isomerasi e racemasi. - Le isomerasi trasformano un isomero nell'altro; le racemasi trasformano un antipodo ottico nell'altro, fino a raggiungere l'equilibrio fra le due forme, che sono rappresentate dal racemo.