Biochimica - enzimi

Definizione di enzima

L'etimologia della parola significa entità che sta all'interno della zinasi (lievito) e che interviene nella degradazione del glucoso (fermentazione alcoolica). Gli enzimi sono tutti proteine, fatta eccezione per piccoli gruppi di acidi ribonucleici, prodotte da qualsiasi forma vivente (animali, piante, batteri, funghi) che intervengono nelle reazioni chimiche sviluppate dalla cellula in quantità imponderabile, potenziano significativamente la velocità della reazione rispetto alla reazione che viene espletata in laboratorio, e svolgono questo ruolo a temperatura ambiente ed alla pressione atmosferica, condizioni ben lontane da quelle sviluppate in laboratorio.

Nel corso della reazione l'enzima può modificarsi come conformazione ma al termine della reazione si ritrova invariato sia in termini quantitativi che qualitativi. Si comporta quindi come un catalizzatore. Moltissimi enzimi per il loro funzionamento richiedono la presenza di entità di bassa massa molecolare di natura non proteica che cooperano quali fattori indispensabili alla reazione enzimatica legandosi all'enzima stesso. Composti con questa funzione sono definiti cofattori della reazione enzimatica.

Questi composti vengono suddivisi in due gruppi a seconda che siano parte integrante dell'enzima, a cui sono legati saldamente spesso con legami covalenti, e co-purificano con esso, oppure stabiliscano con l'enzima un legame debole, reversibile e della durata della catalisi, comportandosi quindi come co-substrato spesso condiviso con altri enzimi dotati di pari specificità di reazione. Nel primo caso si parla di gruppo prostetico e l'enzima risulterà formato da questa componente legata saldamente alla componente proteica, detta apoenzima; l'insieme forma l'olo-enzima. Nel secondo caso si parla di coenzima.

Spesso gruppo prostetico e coenzima nella loro molecola includono componenti che l'uomo non è capace di sintetizzare e che in natura vengono formate dagli organismi autotrofi, batteri e funghi, e che si configurano con le vitamine idrosolubili del gruppo B. Sottolineare la differenza tra enzimi, vitamine ed ormoni tutti accomunati dall'esplicare la loro azione a concentrazioni estremamente piccole, per gli ormoni 10^-9 M.

Ogni cellula contiene migliaia di enzimi tutti con un ruolo ben preciso; ciò che è importante è che se anche uno solo di essi viene a mancare o è prodotto in quantità eccessiva, o lavora in modo incorretto (ridotta o eccessiva attività) per una incorretta genesi (mutazioni) o per la presenza di sostanze che ne disturbano il ruolo catalitico, (farmaci, veleni, o comunque sostanze esogene) o da ultimo enzimi esogeni trasportati da agenti infettanti vengono a sommarsi al patrimonio enzimatico fisiologico, tutti questi eventi si risolveranno in un danno per l'organismo e si tradurranno nella comparsa di uno stato patologico cioè esordiranno in una malattia.

Chi opera nell'ambiente sanitario e nelle professioni ad esso collegate non deve ignorare le basi teoriche che governano il funzionamento degli enzimi, in primis l'estrema sensibilità di essi al fattore termico. Questa conoscenza è basilare per valutare la maggior parte dei fenomeni che riguardano la vita nel suo significato più ampio.

Classificazione

Conoscere il nome di un enzima è basilare perché sovente dal nome si può risalire alle modalità d'azione dell'enzima, al tipo di reazione che catalizza ed alla natura dei composti su cui agisce. I primi enzimi identificati, la maggior parte distribuiti nel canale digerente e coinvolti nella digestione degli alimenti introdotti, sono stati denominati con nomi di fantasia eccetto per il suffisso ina all'estremità del nome; esempio pepsina, chimotripsina, tripsina. Successivamente l'identificazione è stata fatta in modo più razionale apponendo il suffisso asi al nome del composto su cui l'enzima è attivo, definito substrato (es. maltasi, saccarasi, amilasi) oppure al tipo di reazione catalizzata (es. deidrogenasi, idrolasi, transaminasi).

In successione di tempo si è pervenuti ad una classificazione più razionale che tiene conto dei tipi di reazione che si svolgono nella cellula, dei tipi di substrato, dei gruppi funzionali su cui l'enzima agisce. È una classificazione di tipo gerarchico in cui gli enzimi vengono suddivisi in sei classi in quanto tutte le reazioni che si svolgono nella cellula si possono ricondurre a sei tipi fondamentali. Ogni classe è quindi suddivisa in sottoclassi, ed ogni sottoclasse in sottoclassi; da ultimo nella sottoclasse l'enzima viene classificato in ordine alfabetico a partire dalla lettera a. Ne consegue che ogni enzima è individuato da quattro numeri preceduti dalle lettere maiuscole EC che significano Enzyme Commission, Commissione per gli Enzimi che fa parte della International Union of Biochemistry (IUB).

Esempio: un enzima che catalizza una reazione di trasferimento avrà come primo numero 2; il secondo numero in questa classe è formulato in base della natura del gruppo trasferito: esempio enzimi che trasferiscono gruppi alcoolici sono inclusi nella prima sottoclasse, che trasferiscono gruppi fosforici sono inclusi nella sottoclasse 7; la suddivisione in sotto-sottoclassi si fonda sulla natura del gruppo che accetta; ad es. la prima sottoclasse comprenderà enzimi che hanno come accettore un gruppo alcolico; nell'ambito della sotto-sottoclasse compete il numero 1 se la prima lettera del nome del substrato su cui l'enzima agisce è a. Quale esempio la glucosocinasi trasferisce un gruppo fosforico dall'adenosintrifosfato al gruppo alcoolico in 6 del glucoso formando glucoso-6-fosfato. Questo enzima è così classificato: EC 2.7.1.10.

Le classi in cui gli enzimi sono raggruppati sono 6, e precisamente:

• Ossidoriduttasi: enzimi che catalizzano reazioni di ossido-riduzione. La maggior parte di queste reazioni nella cellula prevedono l'allontanamento di due atomi di idrogeno dal substrato che quindi sarà ossidato, o viceversa l'addizione di due atomi di idrogeno sul substrato che quindi sarà ridotto.
• Transferasi: catalizzano reazioni di trasferimento e quindi agiscono sottraendo gruppi ad un composto (donatore) trasferendoli ad un altro composto (accettore). Esempio: reazioni di trasferimento di aminogruppi sono catalizzate da un gruppo particolare di transferasi identificate come transaminasi e prevedono come donatore un aminoacido ed accettore un chetoacido; le meglio note sono la glutammico-piruvico transaminasi (GPT) che catalizza la trasformazione acido glutammico + acido piruvico in chetoglutarato + alanina, e la glutammico-ossalacetato transaminasi (GOT), che catalizza la trasformazione acido glutammico + acido ossalacetico in chetoglutarato + aspartato.
• Idrolasi: catalizzano reazioni di idrolisi in presenza di acqua. Sono reazioni facili da riconoscersi perché il presenza di acqua un composto si scinde in altri due. Esempio: lattasi catalizza l'idrolisi del lattoso in galattoso + glucoso. La maggior parte delle idrolasi è localizzata a livello del canale digerente.
• Liasi: caratteristica della reazione liasica è la formazione su di una molecola di un doppio legame per sottrazione di gruppi, o viceversa la scomparsa del doppio legame per addizione di gruppi su di esso. Esempio: la formazione di acido fumarico da acido malico ed eliminazione di acqua e viceversa l'addizione di acqua su acido fumarico e formazione di acido malico; la formazione di fosfoenolpiruvato (PEP) da 2-fosfoglicerato ad opera dell'enolasi, e la formazione reversibile di diossiacetonfosfato (DAP) e glyceraldeide-3-fosfato (GAP) da fruttoso-1,6-bisfosfato. Nell'ambito delle liasi si effettuano delle distinzioni a seconda della natura del gruppo che viene addizionato o sottratto e del legame che viene scisso o formato. Pertanto abbiamo:
  • Carbonio-carbonio liasi che scindono un legame carbonio-carbonio con formazione di composti in cui compare un doppio legame, o viceversa quest'ultimo scompare per formazione di un legame carbonio-carbonio (es. reazione di scissione del F-1,6-P in diossiacetonfosfato e gliceraldeide -3-fosfato catalizzata dalla aldolasi nella glicolisi anaerobia).
  • Idroliasi che sottraggono H₂O con formazione di un doppio legame e viceversa soppressione di un doppio legame per addizione di H₂O (es. serina deidratasi nel metabolismo della serina, enolasi nella glicolisi).
  • Desulfidrasi che sottraggono idrogeno solforato con formazione di un doppio legame (es. cisteina desulfidrasi attiva su cisteina); desammonniasi che sottraggono NH₃ con formazione di un doppio legame (es. istdina desammoniasi).
• Isomerasi: caratteristica di questi enzimi è la conversione reversibile di un isomero in un altro. Esempio: la trasformazione glucoso-6-fosfato in fruttoso-6-fosfato, di glucoso-1-fosfato in glucoso-6-fosfato, di un L-aminoacido in D-aminoacido, di UDP-galattoso in UDP-glucoso.
• Ligasi: caratteristica di questi enzimi è la formazione di un composto da altri due con consumo di energia sotto forma di un nucleoside trifosfato quale ATP che si scinde in ADP + fosfato o AMP + pirofosfato. Frequentemente, ma non sempre, questi enzimi catalizzano reazioni irreversibili. Esempio: Succinil CoA + GDP + Pi originano succinato + GTP (reazione reversibile perché c'è conservazione dell'energia di legame); piruvato + CO₂ + ATP si trasformano in ossalcetato + ADP + fosfato (reazione irreversibile perché comporta una caduta del livello energetico dei prodotti di reazione).

Specificità degli enzimi

Si differenzia in specificità di reazione, di solito assoluta, specificità di legame, di solito assoluta, eccetto tripsina, chimotripsina, elastasi che riconoscono oltre legami peptidici anche legami esterei, specificità di substrato, solitamente assoluta ma per alcuni enzimi relativa (esempio esosocinasi e glucosocinasi, succinatodeidrogenasi, aconitasi) specificità stereochimica differenziata in anomerica (riconoscimento di solito di uno solo degli anomeri possibili), enantiosterichimica (riconoscimento di solito di uno solo degli enantiomeri possibili).

Localizzazione degli enzimi

Possiamo distinguerli in esocellulari (esoenzimi) ed endocellulari (endoenzimi), e questi ultimi in lioenzimi.