Enzimologia - funzioni di particolari proteine e cinetica enzimatica

Lezione sulle funzioni di particolari proteine e sulla cinetica enzimatica

Proteasi a serina e loro struttura

Prima di approfondire il meccanismo catalitico delle proteasi a serina, vediamo altri aspetti dell'enzimologia e partiamo appunto da questo aspetto, ossia il concetto in base al quale proteine con struttura analoga svolgono la stessa funzione. Esempio? Tripsina, chimotripsina, elastasi, sono tre proteine differenti? La prima cosa è che sono caratterizzate da una struttura tridimensionale molto simile. Vi ho detto infatti che le uniche differenze tra questi tre enzimi si trovano al livello del sito attivo, cioè al livello del sito di legame del substrato, a conferire quindi specificità, ma dal punto di vista tridimensionale sono strutturalmente molto simili tant'è che hanno la stessa funzione.

Struttura e funzione: regole ed eccezioni

È sempre vero? Quest'affermazione può essere considerata come una regola (proteine che hanno la stessa struttura avranno la stessa funzione)? Assolutamente no. Conosciamo degli esempi? Cominciamo a presentarne uno; in particolare, il primo esempio è dato dalla stessa categoria di enzimi, cioè proteasi a serina, ma stavolta un'isoforma batterica, più precisamente il microorganismo di provenienza è il Bacillus amyloliquifaciens, l'enzima in questione si chiama subtilisina.

Vi sono moltissimi esempi che si possono fare al riguardo, ma vogliamo far questo perché è ancora più caratteristico in quanto è sempre una proteasi a serina, quindi stiamo parlando di una funzione analoga a quella svolta dalle altre proteasi a serina, ma ha una struttura diversa. Quindi prima abbiamo parlato di enzimi che hanno stessa struttura e stessa funzione, adesso stiamo sottoponendo il caso di una proteina che ha la stessa funzione delle precedenti ma ha una struttura diversa.

Evoluzione divergente e convergente

Allora quando partiamo da enzimi, proteine, con uguale struttura e uguale funzione si parla di evoluzione divergente: diciamo che si parla di evoluzione divergente quando si ha un antenato comune. Avendo quest'antenato comune da cui si sono evolute tutte le proteine di cui stiamo parlando, chiaramente abbiamo la stessa struttura e la stessa funzione.

Diverso invece è il caso dell'evoluzione convergente: in questo caso abbiamo strutture terziarie diverse, ma la stessa funzione, ed è il caso della subtilisina, mentre il caso dell'evoluzione divergente parlando di proteasi a serina di mammifero. Un altro caso di proteine che hanno seguito un'evoluzione divergente è quello della mioglobina e della emoglobina; quest'ultima, che come sapete è una evoluzione, se vogliamo, della mioglobina con la quale condivide la struttura terziaria e la funzione. Di fatto, ricordiamo che l'emoglobina è costituita da quattro subunità di una struttura molto simile alla mioglobina.

Studi evoluzionistici sugli enzimi

Anche questi aspetti sono di interesse nello studio degli enzimi in quanto proteine, e allora è bene sapere che fra gli studi che vengono portati avanti ci sono quelli evoluzionistici, cioè quelli che tendono ad accumunare enzimi e proteine in genere, in famiglie, quindi seguirne l'evoluzione fra le varie specie, quindi trovare casi di evoluzione convergente e casi di evoluzione divergente.

Per poter realizzare questo tipo di indagine si utilizza una successione di criteri che vengono valutati per capire se due proteine si sono evolute o no da un precursore comune. Avranno seguito questo tipo di evoluzione (divergente) nel caso in cui:

• Le sequenze di DNA dei loro geni sono omologhe, quindi dall'allineamento delle sequenze geniche si nota come queste siano omologhe.
• Le sequenze amminoacidiche sono omologhe.

È sufficiente questo? Diciamo che se le nostre proteine rispondono a questi due primi punti è abbastanza frequente che gli altri punti vengano a loro volta soddisfatti e quindi dimostrino un'evoluzione di tipo divergente. Al contrario, se non sono soddisfatti questi criteri, potremmo attribuire alle nostre due proteine che stiamo confrontando un'evoluzione di tipo convergente.

Ripetiamo: abbiamo detto che per fare questa tipologia di studi, perché diciamo che gli studi evoluzionistici sono molto utili, come al solito non sono caratterizzati solo dal fatto di soddisfare una curiosità, cioè in che modo si evolve una proteina fra le varie specie, ma danno anche informazioni molto utili quando vogliamo studiare la funzione di un enzima, per esempio, che è ignota.

Capire a che tipo di famiglia appartiene, capire come funzionava questo enzima in una specie meno evoluta, può aiutare a comprenderne la funzione. Per esempio, già il fatto di capire che tipo di evoluzione ha seguito è un'informazione molto utile per poter comprendere in che modo gli organismi in toto si sono evoluti sviluppando determinate funzioni attribuite ai loro specifici enzimi.

Criteri per gli studi evolutivi

In che modo si possono fare questi tipi di studi? Utilizzando questi sei criteri (slide 2 della quarta settimana). Se sono soddisfatti questi sei criteri possiamo parlare di evoluzione divergente; cioè, le due proteine del nostro studio provengono da un antenato comune, motivo per cui hanno conservato la stessa struttura e svolgono la stessa funzione. Necessario, per giungere a questa conclusione, è che siano soddisfatti i primi due criteri; è stato visto, infatti, in molti casi che enzimi confrontati fra di loro per questi due criteri, di fatto poi rispondono positivamente anche agli altri criteri successivi; quindi, già il fatto che i primi due criteri siano soddisfatti è un indice, ci indirizza verso la corretta risposta e cioè, l'evoluzione divergente o al contrario convergente.

Perché se entrambi i due non sono soddisfatti, chiaramente, parleremo di un antenato differente, quindi probabilmente struttura differente, funzione differente. Questi sono casi estremi; abbiamo visto che strutture differenti possono avere la stessa funzione.

Tutto ciò per farci capire che non esiste una regola unica che descriva il comportamento degli enzimi in funzione della loro struttura. Esistono casi di enzimi strutturalmente affini e che allo stesso modo sono funzionalmente simili, così come ci sono enzimi che non hanno niente a che fare sia dal punto di vista strutturale che funzionale ed enzimi che strutturalmente non hanno niente a che fare ma che svolgono la stessa funzione.

Non finisce qui, ci sono casi in cui la struttura si conserva mentre la funzione cambia ed è il caso dell'aptoglobina. Questo è solo un esempio, ma vi posso assicurare che ad ognuna di queste casistiche appartengono una infinità di enzimi.

Deidrogenasi e struttura-funzione

Parliamo ora di altri enzimi ancora più caratteristici, e vi sto parlando delle deidrogenasi, affrontando sempre il discorso struttura-funzione. Di deidrogenasi abbiamo già iniziato a parlare, che cosa abbiamo detto? Qual è la loro caratteristica strutturale? Le deidrogenasi in quanto tali appartengono tutte alla stessa classe, che è quella delle deidrogenasi, quindi svolgono tutte la stessa funzione.