Enzima

3.1

Formazione del complesso enzima-substrato

Il legame nel sito attivo tra i reagenti e l’enzima è possibile grazie alla complementarietà che sussiste tra la struttura dell’enzima e quella dei reagenti stessi. La corrispondenza tra le molecole è talmente precisa che il legame tra l’enzima e i reagenti viene solitamente paragonato al legame tra una chiave e la serratura corrispondente. Il riconoscimento tra le molecole di reagente e quelle di enzima prende il nome di interazione stereo-specifica e porta alla formazione del cosiddetto complesso enzima-substrato (E-S), in cui si verifica una modificazione della conformazione della molecola enzimatica tale da avvicinare i reagenti a essa legati e da favorirne l’interazione. Le molecole di reagente a questo punto reagiscono tra loro; si formano le molecole dei prodotti di reazione; infine, il complesso enzima-substrato si scinde. Gli enzimi, avvenuta la reazione, non vengono consumati e possono intervenire a catalizzare una nuova reazione chimica.

3.2

Cinetica di Michaelis-Menten

Molti enzimi si comportano in modo tale che, se la concentrazione del substrato S è bassa, la velocità di catalisi V è proporzionale a questa; quando invece la concentrazione del substrato aumenta notevolmente, la velocità diviene praticamente indipendente.

Questo comportamento prende il nome di cinetica di Michaelis-Menten, dal nome di Leonor Michaelis e Maud Menten che ne formularono il modello nel 1913. Secondo questo modello, un enzima E si combina con il substrato S e forma inizialmente un intermedio E-S; quindi E si libera e dà luogo al prodotto P. Il complesso E-S si forma secondo una costante k₁; può però dissociarsi formando nuovamente E + S secondo una costante k₂ oppure formare E + P secondo una costante k₃. Il passaggio che determina la velocità di reazione è quello che porta da E-S a E + P. In base al modello di Michaelis-Menten, la velocità della reazione enzimatica è data da V = k₃ ES.

È possibile definire una costante K_M = k₂ + k₃ / k₁. Questa prende il nome di costante di Michaelis-Menten ed è uguale alla concentrazione del substrato per cui la velocità della reazione è metà del suo valore massimo. Una K_M elevata indica che il legame tra enzima E e substrato S è debole; una K_M bassa indica invece una forte interazione tra E ed S. Ciò vale quando la k₂ è molto maggiore di k₃, il che si verifica per molti enzimi. La costante k₃ è detta anche costante di turn-over e indica il numero di molecole di S che nell’unità di tempo vengono trasformate nel prodotto (quando la reazione è arrivata nella condizione per cui tutte le molecole di enzima sono saturate da quelle del substrato).

4

Efficienza della catalisi enzimatica

Gli enzimi sono straordinariamente efficienti: quantità minime di un enzima possono ottenere a basse temperature ciò che, con mezzi chimici ordinari, richiederebbe reagenti estremamente potenti e temperature molto elevate. Ad esempio, circa 30 g di pepsina pura allo stato cristallino possono digerire quasi 2 t di albume in poche ore. La cinetica delle reazioni enzimatiche si differenzia da quella delle reazioni chimiche semplici: ogni enzima è specifico rispetto alla sostanza in cui produce la reazione e ha la massima efficacia a una precisa temperatura. Anche se un aumento del calore può determinare l’accelerazione di una reazione, gli enzimi sono molecole instabili che non sopportano ampie variazioni di temperatura. L’attività catalitica di un enzima è determinata soprattutto dalla sua sequenza amminoacidica e dalla sua struttura terziaria (cioè tridimensionale e ripiegata).

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Usi pratici degli enzimi

La fermentazione alcolica e altri importanti processi industriali dipendono dall’azione di enzimi, sintetizzati da specifici ceppi di lieviti o batteri. Numerosi enzimi vengono anche usati a scopo medico: ad esempio, alcuni di essi sono utili per trattare infiammazioni locali, mentre la tripsina viene impiegata per rimuovere sostanze estranee e tessuto necrotico dalle ferite e dalle ustioni; altri enzimi vengono impiegati nel trattamento della trombosi. Gli usi clinici degli enzimi sono illustrati dalle ricerche sulla L­asparaginasi, considerata un’arma potenzialmente molto efficace nel trattamento di alcune forme di leucemia; sulla destrinasi, in grado di prevenire la carie; e sul malfunzionamento degli enzimi, alla base di malattie come la fenilchetonuria, alcuni tipi di anemia e altre patologie del sangue. Un particolare tipo di enzimi, detti enzimi di restrizione, sono divenuti d’uso abituale nelle tecniche di ingegneria genetica e di clonazione.

6

Cenni storici

La fermentazione alcolica è indubbiamente la più antica reazione enzimatica nota. Per lungo tempo si pensò che questo fenomeno e altri simili fossero dovuti a reazioni spontanee, fino a quando, nel 1857, il chimico francese Louis Pasteur dimostrò che la fermentazione si verifica solo in presenza di cellule vive. Successivamente, nel 1897, il chimico tedesco Eduard Büchner scoprì che la fermentazione alcolica poteva essere provocata anche in assenza di cellule da un estratto di lievito. La prima reazione enzimatica compiuta al di fuori di un organismo era stata provocata nel 1783 dal biologo italiano Lazzaro Spallanzani, che aveva causato la digestione della carne con succhi gastrici estratti dal canale alimentare dei falchi. Dopo la scoperta di Büchner, gran parte degli scienziati iniziò a credere che la fermentazione e le reazioni biologiche in genere fossero provocate dagli enzimi. Ciononostante, per lungo tempo tutti i tentativi di isolare queste molecole e di identificarne la natura chimica fallirono.

Nel 1926 il biochimico statunitense James B. Sumner riuscì a isolare e a cristallizzare l’ureasi, mentre, quattro anni dopo, la pepsina e la tripsina furono purificate e cristallizzate dal biochimico statunitense John H. Northrop. In seguito a questi risultati fu, peraltro, possibile dimostrare anche la natura proteica degli enzimi.