Enzimi in Biochimica

Enzimi

Struttura e funzione degli enzimi

La maggior parte degli enzimi è costituita da proteine. Con l'eccezione di un limitato gruppo di molecole di RNA, tutti gli enzimi sono costituiti da proteine. La loro efficacia catalitica è strettamente correlata all'integrità della loro struttura proteica. Gli enzimi possono subire inattivazione a causa di processi come la denaturazione o la dissociazione in subunità, oltre che attraverso l'idrolisi che porta alla produzione dei singoli amminoacidi costituenti. Pertanto, sia la struttura primaria, secondaria, terziaria che quaternaria è essenziale per manifestare l'attività catalitica.

Mentre alcuni enzimi non richiedono gruppi chimici aggiuntivi per la loro attività, altri dipendono da cofattori, che possono essere ioni inorganici come ferro, magnesio o zinco, o complesse molecole organiche note come coenzimi. I coenzimi svolgono il ruolo di trasportatori transitori di specifici gruppi funzionali e, nella maggior parte dei casi, derivano da vitamine, nutrienti organici presenti nella dieta. Un coenzimo o uno ione metallico covalentemente legato all'enzima viene definito gruppo prostetico. Se l'enzima richiede l'impiego di coenzimi, ciò implica che la proteina è coniugata, simile all'emoglobina, con il gruppo prostetico che interagisce con l'enzima tramite legami covalenti o interazioni deboli. Un enzima completamente attivo, con tutti i suoi coenzimi o ioni metallici, è denominato oloenzima. La parte proteica di un enzima è comunemente indicata come apoenzima o apoproteina.

Alcuni enzimi possono subire modifiche covalenti attraverso processi come fosforilazione, glicosilazione o altri meccanismi.

Come lavorano gli enzimi

Molte reazioni biochimiche comuni sono processi non spontanei e improbabili all'interno delle cellule. Inoltre, le reazioni necessarie per digerire le sostanze nutrienti, trasmettere segnali nervosi o contrarre un muscolo non avvengono a una velocità sufficiente se non sono catalizzate. Gli enzimi risolvono questi problemi creando un ambiente specifico in cui una data reazione è energeticamente favorita.

Gli enzimi possiedono una struttura primaria, secondaria, terziaria e spesso quaternaria. Agiscono su un reagente, il substrato, che viene poi trasformato in prodotto. Il sito di legame dell'enzima per il substrato, noto come sito attivo, contiene amminoacidi che agevolano la trasformazione del substrato in prodotto. Quando il substrato si lega al sito, interagisce con le catene laterali presenti nel sito e con altre catene laterali di amminoacidi che fanno parte del sito catalitico.

Gli enzimi, simili ai catalizzatori non proteici, accelerano la velocità di reazioni termodinamicamente favorite senza alterare l'equilibrio della reazione, ovvero senza provocare una variazione dell'energia libera. Il punto di partenza per la reazione, in un senso o nell'altro, è definito stato basale e corrisponde all'energia libera (ΔG°) fornita al sistema da una molecola in determinate condizioni.

Essi catalizzano reazioni di formazione di nuove molecole, interagendo con più di un substrato per formare un unico prodotto. Gli enzimi rimangono inalterati alla fine del processo di catalisi. Sono efficienti, conducendo reazioni a velocità molto elevate, come nel caso dell'idratazione della CO₂ mediante l'anidrasi carbonica.

Gli enzimi sono altamente specifici, catalizzando reazioni su substrati specifici con diverse forme di specificità, come la specificità assoluta, la specificità di legame, la specificità di gruppo e la specificità stereochimica.

Regolazione degli enzimi

La regolazione degli enzimi è cruciale per l'organismo, poiché le condizioni fisiologiche cambiano continuamente. Gli enzimi possono passare da uno stato di bassa attività a uno di alta attività mediante attivazione tramite interazioni con cofattori, come nel caso della glicogeno fosforilasi.

I cofattori possono essere elementi inorganici come Fe²⁺, Fe³⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, K⁺, Ni²⁺, che sono coinvolti in diverse reazioni catalizzate da enzimi. I coenzimi, derivanti dalle vitamine idrosolubili, svolgono un ruolo essenziale, aiutando gli enzimi a espletare le loro funzioni specifiche.

Classificazione degli enzimi

Gli enzimi sono classificati in base al tipo di reazione che catalizzano, con sei principali classi:

• Ossidoreduttasi: catalizzano reazioni di ossidoriduzione, come ossidasi, perossidasi, deidrogenasi, catalasi e ossigenasi.
• Transferasi: catalizzano il trasferimento di un gruppo funzionale da una molecola a un'altra, come il trasferimento di gruppi metilici, acilici o fosfato.
• Idrolasi: catalizzano la scissione di legami mediante l'uso di molecole d'acqua.
• Liasi: catalizzano la rottura o la formazione di legami non idrolitica, come i legami C-O, C-C, C-N.
• Isomerasi: catalizzano l'isomerizzazione di molecole, come il trasferimento di un fosfato da una posizione all'altra.
• Ligasi: consentono l'unione di substrati utilizzando l'energia derivata dall'idrolisi di ATP.

Gli enzimi possono essere rappresentati da quattro numeri che indicano la classe di reazione, il gruppo donatore di elettroni, l'accettore di elettroni e la posizione dell'enzima nella classificazione.

Un esempio di reazione generica è l'ossidazione di un alcol primario ad aldeide, catalizzata dagli enzimi alcol deidrogenasi. Questi enzimi, appartenenti alla classe 1, utilizzano il coenzima NAD. La reazione produce l'ossidazione del substrato e la riduzione del NAD a NADH. Gli alcoli secondari vengono ossidati a chetoni.

Le transferasi facilitano il trasferimento di gruppi funzionali, come la conversione dell'acido glutammico in un amminoacido tramite il trasferimento di un gruppo amminico all'α-chetoacido. Questo processo converte l'amminoacido in un alfa chetoacido e viceversa.

Le idrolasi scindono legami, come i legami peptidici o carboamminici, utilizzando l'acqua. Le liasi, d'altro canto, catalizzano la rottura non idrolitica di legami C-O, C-C o C-N, contribuendo anche alla formazione di nuovi legami.

Le isomerasi favoriscono il trasferimento di gruppi all'interno della stessa molecola, come nel caso del 2,3-difosfoglicerato, dove la fosfogliceromutasi catalizza il trasferimento del fosfato dalla posizione 3 alla 2.

Le ligasi consentono l'unione di substrati utilizzando l'energia derivante dall'idrolisi di ATP, come nel caso della carbossilazione del piruvato che aggiunge un gruppo COOH.

Gli enzimi, sebbene strutturalmente diversi ma che catalizzano la stessa reazione, sono chiamati isoenzimi. Possono avere sequenze amminoacidiche diverse, ma con omologia nel sito di legame e nel sito catalitico. Gli isoenzimi possono essere localizzati in percentuali diverse nei tessuti e presentare proprietà cinetiche variabili.

L'interazione tra gli enzimi e i substrati è spiegata meglio dal modello di adattamento indotto, che sottolinea i cambiamenti conformazionali nell'enzima in risposta all'interazione con il substrato. Ad esempio, l'esochinasi subisce un cambiamento conformazionale dopo l'interazione con il glucosio e l'ATP.

Gli enzimi, come la lattato deidrogenasi, catalizzano reazioni specifiche, convertendo il lattato in piruvato e riducendo il coenzima NAD. Gli enzimi possono essere identificati con nomi comuni o sistematici e non vengono consumati durante la reazione.

L'enzima come accelera la reazione chimica?

La funzione principale di un catalizzatore è accelerare la velocità di una reazione chimica. Tuttavia, è importante notare che i catalizzatori non alterano gli equilibri delle reazioni. Un sistema è in equilibrio quando non vi sono variazioni nette nelle concentrazioni di reagenti o prodotti.

L'energia associata al substrato e quella associata al prodotto differiscono durante il procedere di una reazione. Per superare la barriera energetica e permettere la trasformazione del substrato in prodotto, è necessario un certo livello di energia. La reazione può essere descritta come esoergonica quando è favorita, spostandosi verso destra. Tuttavia, la velocità di una reazione dipende dall'energia di attivazione, la barriera energetica che deve essere superata.

L'energia di attivazione rappresenta la differenza tra i livelli energetici dello stato iniziale e dello stato di transizione. Quindi, affinché la reazione si verifichi, le molecole coinvolte devono raggiungere un livello energetico superiore rispetto a quello iniziale. Nello stato di transizione, l'energia è massima, e in questo stato, il substrato può ritornare indietro o evolvere in prodotto, con probabilità equivalenti.

La reazione è più lenta quando l'energia di attivazione è elevata, poiché la velocità è inversamente proporzionale a tale energia. Un catalizzatore agisce accelerando la reazione e diminuendo l'energia di attivazione. La velocità delle reazioni può essere aumentata anche aumentando la temperatura e/o la pressione, il che comporta un aumento del numero di molecole che acquisiscono l'energia necessaria per superare la barriera energetica.

Nonostante l'azione del catalizzatore, l'equilibrio e la variazione di energia libera standard rimangono invariati; semplicemente, si raggiunge più rapidamente l'equilibrio. Gli enzimi agiscono specificamente sull'energia di attivazione, riducendola e accelerando così la reazione.

Le interazioni deboli, come le interazioni di Van der Waals, i legami idrogeno e le interazioni ioniche, giocano un ruolo fondamentale nell'interazione tra enzima e substrato. Queste interazioni si verificano attraverso specifiche catene laterali che presentano caratteristiche specifiche, come cariche positive o negative.