1.

Introduzione

Enzima Struttura molecolare di natura proteica che negli organismi viventi svolge la funzione di catalizzatore biologico, ossia di sostanza capace di accelerare il decorso di una reazione chimica. Il termine “enzima” fu coniato nel 1897 dal fisiologo tedesco Wilhelm Kühne (1837-1900) e deriva dal greco en, “dentro”, e zymé, “lievito”. Lo studio delle proprietà degli enzimi è di competenza della biochimica; i progressi nella conoscenza di queste molecole hanno permesso rilevanti applicazioni, soprattutto nella biologia molecolare, nell’ingegneria genetica e nella medicina (ad esempio, si può citare l’impiego della DNA polimerasi nel processo noto come reazione a catena della polimerasi).

2.

Proprietà degli enzimi

Gli enzimi sono formati da molecole proteiche ripiegate in modo da assumere una conformazione nello spazio (o struttura terziaria della proteina) che è tipica di ciascun enzima. Alcuni enzimi, detti “coniugati”, possiedono, legato alla catena proteica che prende il nome di apoenzima, un fattore o coenzima, fattore che ha la funzione di facilitare l’azione enzimatica. Il coenzima può consistere in un semplice ione (ad esempio di magnesio, di ferro, di manganese, di cobalto o di zinco), in una vitamina, oppure può essere rappresentato da una molecola più complessa, e in tal caso viene detto cofattore (sono ad esempio importanti cofattori il Nicotinamide-Adenin-Dinucleotide, NAD, e il Flavin-Adenin-Dinucleotide, FAD, coinvolti nelle reazioni della respirazione cellulare).

La capacità di un enzima di rendere più veloce una reazione chimica viene detto potere catalitico, e corrisponde a un fattore di almeno 10⁶: ciò significa che la reazione viene accelerata di un milione di volte. È importante osservare che l’equilibrio di reazione, invece, non viene modificato: se all’equilibrio la concentrazione del prodotto è 10 volte quella del reagente, tale rapporto non cambia anche in presenza del catalizzatore enzimatico, che rende più rapido il raggiungimento del punto di equilibrio.

L’attività di un enzima è altamente specifica per il tipo di reazione che esso catalizza e per il tipo di reagenti (o “substrato”) che intervengono nella reazione stessa. In base al tipo di reazione che catalizzano, si possono distinguere differenti classi di enzimi: in particolare, gli enzimi idrolitici intervengono nelle reazioni in cui una sostanza viene degradata in composti più semplici, in presenza di acqua; gli enzimi ossidanti, o ossidasi, catalizzano le reazioni di ossidazione; gli enzimi riduttori, o riduttasi, agiscono invece nelle reazioni di riduzione, in cui viene eliminato ossigeno.

Il nome di un enzima si forma aggiungendo il suffisso “-asi” al nome del substrato con cui reagisce: secondo tale convenzione, ad esempio, l’enzima che controlla la scomposizione dell’urea si chiama ureasi, mentre quelli che controllano l’idrolisi delle proteine vengono detti proteasi (fanno eccezione alcuni enzimi, come la tripsina e la pepsina, che mantengono il nome che avevano prima dell’adozione di questa nomenclatura). Alcuni enzimi possiedono una proprietà particolare, che prende il nome di autocatalisi: essi, cioè, inducono la loro stessa formazione a partire da un precursore inerte chiamato zimogeno. In virtù di questa proprietà, tali enzimi possono essere facilmente fabbricati in provetta.

1.

Vie metaboliche

Nei sistemi biologici si osserva in molti casi che la reazione enzimatica non avviene in modo isolato, ma è coordinata con altre reazioni che avvengono in modo sequenziale in modo tale che, da un reagente iniziale, attraverso prodotti intermedi si arrivi alla formazione di un prodotto finale. È il caso delle vie metaboliche, la cui azione enzimatica è sottoposta a efficienti e delicati sistemi di regolazione; questi meccanismi intervengono sia al momento della sintesi delle proteine che formeranno gli enzimi, sia nel momento in cui quelle proteine enzimatiche agiscono.

3.

Meccanismo d’azione

La funzione di catalisi di un enzima consiste nella riduzione dell’ energia di attivazione richiesta da una data reazione chimica se non intervenisse alcun catalizzatore. Perché un reagente (o substrato), caratterizzato da una certa quantità di energia libera G, si trasformi nel prodotto, deve acquisire una certa quantità di energia (energia di attivazione) e passare attraverso uno stadio energeticamente superiore a quello iniziale (stato di transizione). In questo stato, le molecole si agitano più velocemente e più facilmente collidono tra loro. Se si aumenta la temperatura del reagente, poiché questa aumenta l’energia cinetica molecolare, aumenterà proporzionalmente il numero di molecole che raggiungono lo stato di transizione e che possono interagire, e la reazione decorrerà più rapidamente.

I sistemi biologici, però, non tollerano elevati aumenti di temperatura; la velocità delle reazioni viene allora accelerata in altro modo, ovvero diminuendo la quantità di energia di attivazione richiesta dal reagente. In altri termini, un enzima non favorisce la collisione tra molecole di reagente apportando energia, ma facilitando fisicamente la loro interazione; a tale scopo lega le molecole del reagente in uno specifico sito della sua struttura tridimensionale, detto “sito attivo” che, conformato come una sorta di tasca, si adatta perfettamente al substrato.

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.

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).

5.

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.