Biochimica - enzimi e digestione polisaccaridi

Biochimica 1: Gli enzimi

Gli enzimi sono delle proteine e fungono da catalizzatori biologici, abbassano quindi l’energia di attivazione e velocizzano la reazione. Essi vengono classificati in 6 famiglie principali:

• Ossidoriduttasi
• Transferasi
• Idrolasi
• Isomerasi
• Ligasi

La maggior parte degli enzimi sono citologici e hanno una struttura fondamentale comune. Sono dotati di un sito catalitico, ovvero la zona che riconosce e lega il substrato. Un enzima essendo una proteina è sensibile alle variazioni del pH; generalmente nell’organismo umano gli enzimi funzionano in modo ottimale quando il pH si aggira attorno a 7, mentre quelli digestivi riescono a lavorare anche a pH più estremi. Gli enzimi subiscono denaturazione anche se sottoposti a livelli di temperatura o troppo alti o troppo bassi.

Energia libera e reazioni spontanee

Delta G rappresenta la variazione dell’energia libera, con questo simbolo si indica la quantità di lavoro macroscopico che il sistema può compiere sull’ambiente a temperatura costante. Tutte le reazioni che presentano tale valore minore di zero sono spontanee. Il fatto che siano spontanee non implica che siano anche veloci; una reazione spontanea potrebbe impiegare molto tempo per avvenire, questo dipende dal fatto che il substrato deve andare incontro ad una modifica di forma per raggiungere uno stato di transizione a livello energetico molto alto — una volta raggiunto questo inizia la formazione dei prodotti. Più quest’energia è alta, più la reazione è lenta. Gli enzimi quindi abbassano questa energia e fanno in modo che la probabilità di formazione dei prodotti sia più alta.

Ipotetiche chiavi per il riconoscimento del substrato

Sono state fatte una serie di ipotesi su come il sito catalitico potesse riconoscere il substrato; la prima è l’ipotesi chiave serratura, ovvero la chiave riconosce la serratura come il sito catalitico riconosce il proprio substrato. In realtà, gli studi successivi hanno dimostrato che il sito catalitico non è speculare al substrato come si pensava, ma è speculare alla conformazione che il substrato ha quando raggiunge la conformazione ad alta energia. L’enzima accelera la conformazione ad alta energia e quindi la formazione del prodotto.

Cinetica enzimatica

Ci sono inoltre delle formule matematiche che ci permettono di calcolare quanto sia veloce un enzima (cinetica enzimatica). Aumentando la concentrazione del substrato, l’enzima velocemente trasforma il substrato in prodotto. Con l’aumento della concentrazione del substrato però, la velocità dell’enzima si stabilizza. L’enzima va a saturazione e tende a una velocità detta Vmax (più veloce di così non può trasformare il substrato in prodotto). In una cellula la concentrazione degli enzimi è limitata per cui la velocità non arriverà mai a Vmax. Il simbolo Km indica invece la concentrazione di substrato per far andare la reazione a metà della velocità massima di trasformazione (se un enzima nell’organismo raggiunge già la 1/2Vmax, ha già raggiunto un buon valore di velocità). L’enzima più veloce è quello che con poca concentrazione di substrato va immediatamente a metà della velocità massima; il valore di Km ci dice quindi anche quanto un enzima è efficiente. La Km è inversamente proporzionale all’affinità per il substrato.

Inibizione enzimatica

Gli enzimi possono essere inibiti; l’inibizione enzimatica può essere:

• Irreversibile: l’enzima non funzionerà mai più (es. aspirina o cianuro).
• Reversibile: la molecola inibitrice si lega con legami deboli all’enzima impedendone l’attività; tuttavia, una volta staccatasi, l’enzima riprende la regolare attività.

L’inibizione reversibile può essere:

• Competitiva: il substrato e l’inibitore competono per il sito catalitico; se ci sono tanti inibitori il substrato non si lega all’enzima che non può così catalizzare la reazione. In presenza di inibitori diminuisce l’affinità e aumenta la Km.
• Non competitiva: la molecola che inibisce agisce su un altro sito enzimatico detto sito di regolazione, questo provoca una deformazione dell’enzima e quindi anche se il substrato è legato, l’efficienza è minore comunque. Diminuisce qui il valore di Vmax ma l’affinità e la Km rimangono uguali.
• Acompetitiva: è un tipo di inibizione molto complessa nella quale cambiano sia la Km che l’affinità.

Regolazione enzimatica

• Costitutivi / Induttivi: gli enzimi costitutivi sono quelli presenti in ogni cellula sin dal momento della formazione e sono necessari per lo svolgimento delle funzioni cellulari. A livello genico posso però aumentare la produzione di determinati enzimi che prendono il nome di induttivi.
• Variazione del pH: variando il pH posso andare a favorire o sfavorire l’attività di determinati enzimi.
• Associazione / Dissociazione: un esempio di associazione dissociazione è quella dei ribosomi, se le due subunità ribosomiali sono unite si ha il funzionamento dell’organo cellulare, altrimenti no. (Queste tipologie di controllo avvengono a livello locale).

Esiste poi un altro tipo di inibizione che è quella da prodotto, ovvero quando nella cellula la molecola finale è stata prodotta in maniera sufficiente, la produzione della stessa viene bloccata — la molecola si lega infatti al sito di regolazione impedendo l’attività enzimatica (regolazione a feedback).