Biochimica 2: enzimi; regolazione enzimatica e delle vie metaboliche

Enzimi

Gli enzimi sono molecole che abbassano l’energia di attivazione di una reazione, velocizzandola; in altre parole, essi sono catalizzatori biologici. In quanto catalizzatori, gli enzimi non vengono consumati durante le reazioni che catalizzano e, cosa molto importante, velocizzano sia la reazione diretta che quella inversa. Gli enzimi sono quasi tutti proteici, anche se è stata dimostrata l’esistenza di enzimi ribonucleici, cioè RNA ad attività catalitica. Essi sono detti ribozimi.

Gli enzimi, in generale, non modificano l’equilibro della reazione e, spesso, utilizzano anche cofattori (inorganici) o coenzimi (organici, ad esempio vitamine) per svolgere il loro compito. La parte proteica di un enzima è detta apoenzima, mentre un coenzima o cofattore legato stabilmente all’apoenzima è detto gruppo prostetico. L’insieme di apoenzima e gruppo prostetico è detto oloenzima.

Classificazione degli enzimi

Gli enzimi si classificano utilizzando la sigla EC (enzima classe) seguita da un numero da 1 a 6. Questi numeri indicano le 6 classi principali di enzimi, che sono:

• 1: Ossidoretuttasi, catalizzatori di reazioni redox.
• 2: Trasferasi, catalizzatori di reazioni di trasferimento di gruppi atomici da una molecola ad un’altra.
• 3: Idrolasi, catalizzatori di reazioni di rottura di legami con l’aggiunta di acqua.
• 4: Liasi, catalizzatori di reazioni di addizione di gruppi atomici a doppi legami.
• 5: Isomerasi, catalizzatori di reazioni di isomerizzazione, cioè di trasferimento di gruppi atomici da una posizione all’altra della stessa molecola.
• 6: Ligasi, catalizzatori di reazioni di formazione di legami accoppiate all’idrolisi di ATP.

Se nella classificazione c’è bisogno di specificare un’eventuale sottoclasse, si aggiunge un punto e un numero corrispondente alla sottoclasse stessa. Esempio: EC 4.6. Le sottoclassi si differenziano per i tipi di molecola riconosciuta dall’enzima, come nel caso delle ossidoreduttasi e delle trasferasi, o per i tipi di legame spezzati, come nel caso delle idrolasi.

Meccanismo chimico dell’azione enzimatica

Ogni reazione chimica tende ad un livello minore di energia libera e avviene spontaneamente in condizioni di ΔG<0. Il ΔG non dipende dalla tipologia di reazione, né tantomeno la velocità di reazione dipende dal ΔG. Ciò vuol dire che un enzima non modifica il ΔG di una reazione. Ma qual è il parametro modificato dagli enzimi? La velocità di reazione dipende da un altro parametro, che non va confuso con il ΔG: il ΔG di attivazione. L’enzima modifica solamente il ΔG di attivazione che si definisce come la differenza fra l’energia libera dei substrati e l’energia libera associata alla formazione dello stato di transizione.

Lo stato di transizione è uno stato in cui le molecole coinvolte nella reazione non sono né reagenti né prodotti, perché appunto si trovano in uno stato intermedio della reazione, fra reagenti e prodotti. Solo le molecole allo stato di transizione possono diventare prodotti, non si può passare direttamente da reagenti a prodotti. Per passare dallo stato di transizione ai prodotti è necessario eguagliare la soglia del ΔG di attivazione; gli enzimi, abbassando il valore del ΔG di attivazione, facilitano questo passaggio, facendo in modo che un numero maggiore di molecole di reagente si trasformi in prodotto.

Reazioni enzimatiche

Le reazioni catalizzate da un enzima sono composte da quattro stati:

• Lo stato iniziale che comprende solo il substrato.
• Lo stato di transizione che comprende il complesso enzima-substrato.
• Un ulteriore stato di transizione comprendente il complesso enzima-prodotto.
• Lo stato finale comprendente il prodotto isolato dall’enzima.

E + S → ES → EP → E + P

Ciascuna tappa prevede una sua energia d’attivazione.

Meccanismo molecolare d’azione enzimatica

Esiste una serie di modelli che descrivono i meccanismi d’azione enzimatica. Un primo modello è quello chiave-serratura, con il quale si sostiene che ciascun enzima si adatti perfettamente al suo substrato, sottolineando una specificità univoca. Tuttavia, questo modello non soddisfa pienamente, in quanto una staticità dell’enzima darebbe per scontato un eventuale adattamento ulteriore e stabilizzazione del substrato una volta legato ad esso.

Ecco perché il modello più soddisfacente è il modello dell’adattamento indotto, secondo cui il sito di legame dell’enzima per il substrato non è complementare al substrato, ma allo stato di transizione. In virtù di ciò, il contatto fra enzima e substrato fa sì che entrambi modifichino la propria struttura fino a conseguire lo stato di transizione ES.

Sito attivo

Il sito attivo è il sito di legame dell’enzima per il substrato. Il sito attivo è una regione tridimensionale che può comprendere anche amminoacidi distanti della catena polipeptidica dell’enzima. Il sito attivo è una regione abbastanza piccola della molecola enzimatica che consiste in un ambiente apolare il quale, prima di tutto, si prende carico della desolvatazione del substrato, ovvero dell’eliminazione del suo guscio di solvatazione. In seguito alla desolvatazione, il substrato può essere modificato dal sito attivo. I legami che si instaurano fra sito attivo e substrato sono legami deboli, in maniera tale da ottenere anche una corretta orientazione spaziale del substrato rispetto all’enzima.

Cinetica delle reazioni enzimatiche

Una reazione enzimatica è regolata da 4 costanti di equilibrio k:

• Una k₁ che riguarda la reazione E + S → ES, pari a [ES]/[E][S].
• Una k₋₁ che riguarda la reazione inversa, ovvero ES → E + S, pari a [E][S]/[ES].
• Una k₂ che riguarda la reazione ES → E + P, pari a [E][P]/[ES].