Biochimica - enzimi

Enzimi

Quasi tutti gli enzimi sono proteine (escludendo alcuni RNA catalitici detti ribozimi). Come per tutte le altre proteine, la loro funzione è strettamente correlata alla loro struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria e se solo una di queste viene minimamente modificata, l'attività catalitica viene persa. Alcuni enzimi, per esplicare la loro funzione catalitica, necessitano di alcuni cofattori, ossia ioni magnetici (come ad esempio Fe²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺), altri enzimi invece necessitano di coenzimi ossia molecole organiche o metallo-organiche, altri enzimi poi necessitano sia di coenzimi che di cofattori per esplicare la loro funzione.

Un coenzima o un cofattore legato covalentemente ad un enzima è chiamato gruppo prostetico. Un enzima cataliticamente attivo è chiamato oloenzima, la parte proteica dell'enzima è invece chiamata apoenzima o apoproteina. Talvolta gli enzimi possono subire delle fosforilazioni, delle glicosilazioni o altri processi, questo è dovuto alla regolazione dell'attività enzimatica.

La maggior parte delle molecole biologiche sono stabili a pH neutro ed in ambiente acquoso e talvolta alcune molecole devono subire dei processi che possono essere poco favoriti in ambiente cellulare, l'enzima fa quindi in modo di "creare" l'ambiente adatto per favorire questo processo. Questo ambiente viene creato in una tasca dell'enzima stesso e questa tasca è chiamata sito attivo mentre la molecola che deve essere processata è chiamata substrato.

Classificazione degli enzimi

Gli enzimi che sono stati caratterizzati sono stati divisi in 6 gruppi in base alla loro funzione:

• Ossidoreduttasi (catalizzano reazioni di ossidoriduzione)
• Transferasi (catalizzano reazioni di trasferimento di gruppi funzionali)
• Idrolasi (catalizzano reazioni di idrolisi)
• Liasi (catalizzano reazioni di addizione al doppio legame)
• Isomerasi (catalizzano reazioni di isomerizzazione)
• Ligasi (catalizzano reazioni di formazione di legami con consumo di ATP)

Una reazione enzimatica può essere rappresentata sotto forma di reazione: ⇌ ⇌ ⇌ E + S ⇌ ES ⇌ EP ⇌ E + P dove E, S e P rappresentano l'enzima, il substrato ed il prodotto ed ES e EP sono gli intermedi della reazione.

Funzione biologica degli enzimi

La funzione biologica degli enzimi come catalizzatori è quella di aumentare la velocità di reazione (gli enzimi non modificano gli equilibri delle reazioni). Il punto di partenza di una reazione è definito come stato basale e per descrivere la variazione di energia libera della reazione si parte sempre da condizioni standard (T=298°K, P=1atm o 101,3kPa, concentrazione= 1mol). La variazione di energia libera è espressa come ΔG⁰ chiamata proprio variazione di energia libera standard. In biochimica però non ci si trova mai in questi parametri quindi i biochimici hanno definito una variazione di energia libera standard biochimica che pone un pH=7,0 (ΔG'⁰).

L'energia di attivazione

Se si è in presenza di due substrati che devono reagire tra loro, anche se sono in equilibrio, non è detto che reagiscano velocemente. Due composti per reagire tra loro devono superare quella che è una vera e propria barriera energetica. Questa barriera energetica può essere rappresentata come una collinetta dove i substrati sono alla sinistra ed i prodotti alla destra. I substrati devono quindi superare questa barriera arrivando al punto energetico più alto. Una volta arrivati al punto energetico più alto non è detto che si avranno di sicuro i prodotti, una variazione di temperatura, di carica o di legami potrebbe riportare i due substrati alla base di questa barriera. Il punto in cui i substrati si trovano nel punto energetico più alto non è un intermedio di reazione e viene chiamato stato di transizione. La differenza tra lo stato di partenza della reazione e il punto energetico più alto è chiamato energia di attivazione (ΔG^ǂ). La velocità di una reazione quindi dipende dall'energia di attivazione, più alta sarà l'energia di attivazione maggiore sarà il tempo che ci vorrà affinché la reazione avvenga. L'enzima che è quindi un catalizzatore aumenta la velocità di reazione abbassando l'energia di attivazione. Gli enzimi non alterano gli equilibri delle reazioni a cui partecipano.

L'equazione che regola l'attività degli enzimi è bidirezionale in quanto sta a indicare che se un enzima catalizza la reazione S ⇌ P, catalizzerà anche la reazione P ⇌ S. Gli enzimi non abbassano solo l'energia di attivazione favorendo la reazione ma le organizzano e le controllano in modo che l'energia liberata da questo processo possa essere recuperata in altre forme e resa disponibile alla cellula. Ogni reazione di catalizzazione comprende diverse tappe e non si passa subito dal substrato al prodotto, ma c'è la formazione di alcuni intermedi di reazione che occupano i punti più bassi del diagramma della coordinata della reazione. Quando una reazione è composta da più tappe, la velocità complessiva è determinata dalla fase con energia di attivazione più alta che viene chiamata tappa che limita la velocità. L'energia di attivazione, per quanto potrebbe essere vista come un ostacolo, è in realtà indispensabile per la vita in quanto più questa energia di attivazione sarà alta maggiore sarà la stabilità delle molecole ciò impedisce a svariate macromolecole di scindersi in forme molecolari più semplici, gli enzimi quindi, nel corso dell'evoluzione sono arrivati a catalizzare solo determinati tipi di reazioni indispensabili alla sopravvivenza della cellula.

NB. Gli equilibri di una reazione dipendono direttamente dalla variazione di energia libera tra S e P (ΔG'⁰) mentre la velocità di una reazione dipende dall'energia di attivazione (ΔG^ǂ). ⇌ S ⇌ P

Equilibrio

L'equilibrio tra S e P è definito dalla costante K_eq (o semplicemente K) che in biochimica viene indicata come K'_eq (o semplicemente K') ed è espressa come: