Enzimi: struttura e funzioni

Enzimi

Gli enzimi sono dei catalizzatori biologici che hanno il compito di aumentare la velocità di attivazione

(reazione) delle reazioni. Gli enzimi quindi non inducono una reazione che altrimenti non avrebbe luogo, ma

fa solo aumentare la velocità della reazione, consentendole di raggiungere più rapidamente l’equilibrio.

Questi catalizzatori biologici sono per la maggior parte specifici. In una reazione catalizzata da enzimi, i

reagenti si chiamano substrati. Le molecole di substrato si legano ad un sito particolare dell’enzima, detto

sito attivo. La specificità di un enzima deriva dalla configurazione spaziale e dalla struttura del suo sito

attivo, fatte in modo da poter ospitare solo una gamma ristretta di substrati. Altre molecole che abbiamo

differenze di forma, di gruppi funzionali o di proprietà, non si adattano al sito attivo e non vi si legano. Il nome

di un enzima termina con il suffisso “-asi” (es. saccarasi che catalizza l’idrolisi del saccarosio in glucosio e

fruttosio). Il legame di un substrato con il sito attivo di un enzima dà luogo ad un complesso enzima-

substrato (ES), che è tenuto insieme grazie a vari tipi di interazione come legami idrogeno, attrazioni

elettriche o legami covalenti.

Come funzionano gli enzimi

Durante e dopo la formazione del complesso ES, avvengono delle interazioni chimiche che contribuiscono

direttamente alla rottura dei legami esistenti ed alla formazione di quelli nuovi. Gli enzimi hanno diversi modi

per catalizzare una reazione.

• Gli enzimi sono capaci di orientare i substrati. Liberi in soluzione, i substrati si spostano a caso da un

punto all’altro e ruotano in diverse direzioni. Quando si urtano possono non trovarsi nella posizione giusta

per interagire con l’enzima. Parte dell’energia di attivazione necessaria per innescare una reazione, serve

ad avvicinare tra loro atomi precisi in modo che formino un legame.

• Gli enzimi sono capaci di indurre tensione nel substrato. Una volta che il substrato si è legato al suo

sito attivo, l’enzima può mettere in tensione i legami, ponendolo in uno stato di transizione instabile.

• Gli enzimi possono aggiungere temporaneamente dei gruppi chimici ai substrati. Le catene laterali

degli amminoacidi, che formano una proteina enzimatica, possono partecipare direttamente in modo da

rendere i substrati chimicamente più reattivi.

Il sito attivo dell’enzima è specifico per il substrato. La notevole capacità di un enzima di selezionare

esattamente il substrato giusto, dipende da strutture molecolari che si interfacciano e da gruppi chimici che

interagiscono, in corrispondenza del sito attivo. Il legame di un substrato al sito attivo dipende dagli stessi tipi

di forze che stabilizzano la struttura terziaria dell’enzima: legami idrogeno, attrazione e repulsione tra gruppi

dotati di carica ed interazioni idrofobiche.

Alcuni enzimi cambiano forma quando legano il loro substrato, proprio come una proteina recettore di

membrana può cambiare conformazione con modalità ben precise quando si unisce al suo ligando. Queste

variazioni di forma, dette adattamento indotto, modificano la forma del sito attivo dell’enzima.

Alcuni enzimi per funzionare richiedono altre molecole come gruppi prostetici (che sono atomi o aggregati

molecolari legati agli enzimi, come per esempio il FAD che è legato alla succinato deidrogenasi, un enzima

importante per la respirazione cellulare), cofattori inorganici oppure coenzimi (molecole carboniose non

proteiche, necessarie per l’azione di uno o più enzimi).

Gli enzimi in grado di alternare tra forma attiva e non attiva, vengono definiti enzimi allosterici. Un esempio di

allosteria sono gli enzimi in cui sono stati indotti cambiamenti di forma da un inibitore non competitivo (vedi

più avanti). La regolazione allosterica avviene quando, legandosi in corrispondenza di un sito diverso dal sito

attivo, la molecola di un effettore induce l’enzima a cambiare forma; questo cambiamento di forma altera

l’affinità del sito attivo per il substrato ed influenza la velocità della reazione.

Inibitori

Esistono in natura o è possibile creare artificialmente, degli inibitori chimici che possono legarsi agli enzimi,

riducendo la velocità della reazione che essi catalizzano. Gli inibitori naturali regolano il metabolismo mentre

quelli artificiali possono servire per curare malattie o per studiare il funzionamento degli enzimi. L’inibizione

può essere reversibile od irreversibile. Se un inibitore stabilisce un legame covalente con certe catene

laterali poste nel sito attivo dell’enzima, lo disattiva definitivamente, eliminando la sua capacità di interagire

con il suo substrato abituale; si parla di inibizione irreversibile. In altri casi invece l’inibitore è

sufficientemente simile al substrato naturale di un certo enzima e riesce a stabilire un legame non covalente

con il suo sito attivo. Sebbene l’inibitore sia simile al substrato, le piccole differenze permettono di impedire

all’enzima di catalizzare una reazione chimica. Finché la molecola rimane legata all’enzima, il substrato

naturale non riesce ad accedere al sito attivo dell’enzima e quest’ultimo non è capace di funzionare. Una

molecola di questo tipo prende il nome di inibitore competitivo perché compete con il substrato naturale

per il sito attivo. L’inibizione in questo caso è reversibile perché aumentando la concentrazione di substrato

o riducendo quella dell’inibitore, il substrato ha maggiori possibilità di legarsi e l’enzima torna a funzionare.

Un inibitore non competitivo, stabilisce il suo legame con l’enzima ad un sito attivo diverso da quello