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).