Enzimi (sintesi)

Capitolo 2 - Gli enzimi

Definizione e caratteristiche degli enzimi

Quasi tutte le reazioni chimiche che avvengono nella materia vivente sono catalizzate da enzimi; gli enzimi sono catalizzatori biologici in quanto accelerano le complesse reazioni che hanno luogo negli organismi viventi e le fanno avvenire alla temperatura corporea. Come i catalizzatori inorganici (es: nichel Ni, platino Pt e ferro Fe) gli enzimi agiscono in quantità piccolissime e li ritroviamo chimicamente inalterati al termine delle reazioni. Gli enzimi sono dunque delle molecole proteiche (proteine globulari idrosolubili) con funzione di catalizzatori biologici. Hanno massa molare (MM) compresa tra 10⁴ e 10⁶ Dalton.

Rispetto ai catalizzatori chimici presentano:

• Velocità di reazione più elevata
• Condizioni di reazione più moderate
• Maggiore specificità della reazione (cioè ogni enzima catalizza un tipo di reazione molto particolare); la specificità a volte è assoluta, quando l'enzima agisce su con un solo tipo di molecola, a volte è relativa quando agisce su un numero di composti limitato ma non su un solo composto
• Capacità di regolazione

La sostanza chimica sulla quale un enzima agisce prende il nome di substrato ed è in genere una molecola organica. Riguardo alla specificità di un enzima possiamo dire che si può parlare di:

1. Specificità assoluta, quando un enzima agisce su un solo substrato; un incavo o una fessura sulla superficie dell’enzima che ha forma complementare a quella del substrato costituisce un sito di legame per il substrato (in tal caso si parla di complementarietà geometrica).
2. Specificità di legame, quando un enzima agisce su un particolare tipo di legame chimico (per es. glicosidico o peptidico)
3. Specificità di gruppo, quando un enzima agisce solo su un particolare gruppo di molecole organiche.

Il complesso enzima-substrato (ES)

Ci si può chiedere dunque come agisca un enzima, ma soprattutto a cosa debba la sua elevata specificità. Un enzima è una proteina globulare che nel riavvolgimento della catena polipeptidica presenta un tratto caratterizzato da un incavo o da una piccola depressione che svolge la funzione catalitica e si dice sito attivo. Esso è un'area sulla superficie dell'enzima dove è possibile legare il substrato ed effettuare la catalisi; tale area è spesso paragonata ad una tasca ed è di dimensioni molto limitate. Il sito attivo si lega in modo complementare col substrato mediante legami a idrogeno o legami elettrostatici formando un complesso intermedio enzima-substrato (E-S) che poi si scompone per dare i prodotti (P) della catalisi e l’enzima libero (E).

La sequenza è la seguente: E + S → E-S → P + E

Per spiegare il meccanismo d’azione degli enzimi, nel 1894 il chimico tedesco Emil Fischer introdusse l’ipotesi della serratura e della chiave (lock and key hypothesis) per spiegare in modo semplice le relazioni strutturali esistenti tra enzima e substrato. Tale ipotesi è basata essenzialmente su:

• Complementarietà enzima-substrato
• Conformazioni molecolari rigide dell’enzima (E) e del substrato (S)

Secondo Fischer, enzima e substrato dovevano presentarsi l’uno rispetto all’altro in determinate posizioni, il loro rapporto fu paragonato a quello esistente tra una chiave e la sua serratura; una serratura ben costruita, infatti, può essere aperta da una sola chiave e da nessun'altra, anche se le chiavi differiscono di poco. Il modello chiave-serratura è però un modello superato. Nel 1958, Daniel Koshland dimostrò l’esistenza del cosiddetto adattamento indotto (induced fit). In base all’ipotesi dell’adattamento indotto di Koshland, l’enzima non è rigido ma flessibile e si adatta al substrato, il substrato a sua volta si adatta all’enzima. In pratica, tra enzima e substrato si stabilisce una complementarietà simile a quella esistente tra mano e guanto piuttosto che tra chiave e serratura; in definitiva enzima e substrato si modificano a vicenda, si riadattano entrambi per potersi legare, se così non fosse, la formazione del complesso enzima-substrato avrebbe probabilità molto bassa di verificarsi.

Struttura chimica degli enzimi

Gli enzimi catalizzano una grande varietà di reazioni chimiche, però sono meno adatti a catalizzare reazioni di ossido-riduzione e reazioni in cui avviene il trasferimento di gruppi funzionali. In realtà, gli enzimi riescono a catalizzare anche questi tipi di reazioni e ci riescono perché si associano con piccole molecole dette cofattori che agiscono come artigli chimici degli enzimi. I cofattori possono essere:

• Ioni metallici (⁺⁺Ca, ⁺⁺Zn, ⁺⁺Mg)
• Molecole organiche complesse di natura non proteica detti coenzimi (es. aldeide deidrogenasi + NAD⁺)
• Gruppi prostetici (che restano permanentemente legati alla proteina, in alcuni casi mediante legami covalenti)

In generale, la parte proteica dell’enzima si dice apoenzima mentre la parte non proteica si dice cofattore. L'insieme dell'apoenzima e del cofattore viene detto oloenzima. Va ricordato che molti coenzimi sono stati scoperti grazie alla loro capacità di curare malattie da deficienze nutrizionali nell’uomo e negli animali. Ad esempio, il NAD⁺ (forma ossidata del NAD⁺, nicotinammide adenina dinucleotide, una biomolecola il cui ruolo biologico consiste nel trasferire gli elettroni, quindi nel permettere le ossido-riduzioni) o la sua forma libera (niacina o vitamina B₃) è in grado di curare la pellagra, malattia dovuta alla malnutrizione.

Classificazione internazionale e nomenclatura degli enzimi

Il nome degli enzimi solitamente era ricavato aggiungendo il suffisso “-asi” al nome del substrato su cui agiva l’enzima oppure da una frase che descriveva l’azione catalitica dell’enzima. Ad esempio: ureasi è l’enzima che catalizza l’idrolisi dell’urea, l’alcol deidrogenasi catalizza l’ossidazione di un alcool. Però, la mancanza di regole precise per determinare il nome degli enzimi ha condotto spesso ad utilizzare due nomi differenti per indicare lo stesso enzima oppure ad usare uno stesso nome per indicare due enzimi diversi. Addirittura in alcuni casi, sono stati adoperati nomi che nulla dicevano sulla funzione catalitica dell’enzima (es. pepsina, tripsina, chimotripsina: enzimi di tipo digestivo) e nomi ben poco scientifici come “vecchio enzima giallo”.

Nacque quindi la necessità di eliminare questa confusione e formulare regole razionali di nomenclatura degli enzimi. Così l’UIB (Unione Internazionale di Biochimica) propose una classificazione degli enzimi. I circa 2000 enzimi noti sono stati suddivisi in 6 classi in base al tipo di reazione che catalizzano.

Ognuna delle 6 classi comprende numerose sottoclassi, a loro volta suddivise in sotto-sottoclassi. Cosicché ciascun enzima è identificato da 4 numeri: i primi tre corrispondenti alla classe, sottoclasse e sotto-sottoclasse; il quarto è un numero progressivo assegnato a ciascun enzima all’interno della sotto-sottoclasse.

Ricapitolando:

• Il primo numero identifica la classe
• Il secondo numero la sottoclasse
• Il terzo numero la sotto-sottoclasse
• Il quarto numero è il numero di serie

In definitiva, ad ogni enzima vengono assegnati 2 nomi ed un codice di classificazione a 4 numeri. I 2 nomi sono: il nome raccomandato, che è conveniente per l’uso quotidiano e spesso è il nome assegnato in passato all’enzima; il nome sistematico, usato quando si vogliono ridurre al minimo i dubbi sull’identità dell’enzima, esso è formato dal nome del coenzima, dal nome del substrato e dal nome della reazione catalizzata più il suffisso “asi”. Di certo bisognerà usare il nome sistematico quando è necessaria una identificazione accurata e sicura di un enzima, ad esempio nel caso di pubblicazioni scientifiche o indici.

Esempio

L’enzima che catalizza la reazione di conversione dell’alcol etilico in acetaldeide:

C₂H₅OH + NAD⁺ → CH₃CHO + NADH + H⁺

Alcol etilico + NAD⁺ → acetaldeide + NADH + H⁺

Ha il nome raccomandato (di uso comune) di alcool deidrogenasi, però ha anche il nome sistematico: NAD⁺ ossidoreduttasi con numero di classificazione EC 1.1.1.1. EC sta per enzyme commission ed indica che il numero è stato assegnato dalla commissione per gli enzimi. Il primo numero (1) indica la classe funzionale delle ossidoreduttasi; il secondo 1 è quello della sottoclasse che identifica gli enzimi che agiscono sui gruppi CH-OH; il terzo 1 è quello della sotto-sottoclasse che identifica gli enzimi che si servono di NAD o NADP; il quarto 1 identifica l’enzima all’interno della sotto-sottoclasse (è un numero di serie assegnato arbitrariamente all’enzima all’interno della sotto-sottoclasse).

Importanza dell'enzima deidrogenasi nell'organismo umano

L'alcol deidrogenasi è la nostra difesa primaria contro l'alcol che è una molecola tossica che compromette le funzioni del nostro sistema nervoso. Alti livelli dell'enzima alcol deidrogenasi nel fegato e nello stomaco riescono a smaltire circa un bicchierino di superalcolico ogni ora. L'alcol viene trasformato in acetaldeide, una molecola ancora più tossica che poi viene convertita rapidamente in acetato che invece è facilmente utilizzato dalle cellule. Così, una molecola pericolosa come l'alcol è convertita, attraverso l'enzima alcol deidrogenasi, in acetato, un normale alimento.

Se l'alcol è introdotto in quantità eccessiva, il fegato non riesce a bruciarlo e l'alcol in eccesso può passare nel sangue, per essere in parte eliminato dai polmoni (è per questo che l'alito di chi ha bevuto troppo ha il caratteristico odore). In alcune persone, anche col fegato sano, le cellule del fegato possono possedere piccole quantità di alcol.