definizione
Il termine fu coniato nel 1877 dal fisiologo tedesco Wilhelm Kühne per ribattezzare quello che già nel XIX secolo Louis Pasteur aveva descritto come entità (da lui chiamate “fermenti”) contenute all’interno delle cellule di lievito o di altri microrganismi vivi oppure secrete da cellule vive o estraibili dalle stesse, in grado di permettere i processi di fermentazione ovvero di fermentare (mettere in moto, far bollire) i substrati organici: il lemma, infatti, è la germanizzazione (enzym ) del greco ἐν (èn → dentro) e ζύμη (zými → lievito, fermento).
Attualmente, per enzima, si intende qualunque sostanza di natura proteica dotata della facoltà di agire come condizionatore o catalizzatore delle reazioni biochimiche che hanno luogo negli organismi viventi: presenti sia nel mondo animale sia in quello vegetale sia in quello degli organismi unicellulari, il loro ruolo biologico è fondamentale per la vita, in quanto sono in grado di catalizzare numerose e complesse reazioni chimiche (reazioni enzimatiche), motivo per cui sono denominati anche catalizzatori biologici. Sono sostanze di natura proteica dotate della proprietà di accelerare una reazione biochimica specifica, senza venire consumate e senza partecipare ai prodotti finali della reazione, provocando pertanto la trasformazione dei substrati in altre sostanze organiche. A differenza dei catalizzatori inorganici, molti enzimi sono capaci di agire solo su un determinato tipo di substrato, specifico per ognuno di essi; sono contraddistinti in genere nella nomenclatura biochimica dalla terminazione –asi del nome.
caratteristiche
Pur esistendo enzimi costituiti da proteine semplici (come la ribonucleasi), che determinano da sole sia la specificità sia la reazione, moltissimi sono formati da proteine coniugate: in questo caso nell’enzima è presente anche un gruppo non proteico che prende il nome di gruppo prostetico quando è saldamente legato al resto della molecola, mentre quando la parte proteica e quella non proteica sono facilmente dissociabili, la prima (parte proteica) prende il nome di apoenzima e la seconda (non proteica) quello di coenzima; dall’unione delle due parti si ottiene l’enzima completo o oloenzima (che viene semplicemente chiamato enzima).
Termolabili, facilmente inibiti o attivati da particolari sostanze (inibitori, attivatori) o condizioni chimiche e fisiche, catalizzano ciascuno un numero assai ristretto di reazioni, spesso una sola, per cui si parla di specificità enzimatica, distinguendosi una specificità di legame (in quanto attaccano soltanto un determinato legame chimico), di gruppo (in quanto agiscono sul solo gruppo alcolico, gruppo aldeidico, …), di substrato (essendo attivi su certi composti e non su altri).
L’attività degli enzimi è localizzata in una limitata porzione della loro superficie molecolare (sito attivo), nella quale sono riuniti i gruppi chimici essenziali per la funzione enzimatica: col sito attivo prendono contatto le molecole del substrato in un legame labile nel corso del quale avviene la reazione, al cui termine gli enzimi, inalterati, abbandonano i prodotti della reazione stessa (substrato trasformato) unendosi a nuove molecole del substrato. Quando l’enzima è costituito da proteine coniugate, partecipano alla reazione il gruppo prostetico o il coenzima che fungono da trasportatori di elettroni o di gruppi chimici, mentre la porzione proteica o l’apoenzima determinano la specificità: l’attività enzimatica richiede, in alcuni casi, la presenza di molecole non proteiche (coenzimi o anche ioni metallici) che agiscono come cofattori.
La specificità, che differenzia i biocatalizzatori dai catalizzatori inorganici, può essere classificata in specificità di legame, quando l’enzima agisce solo su un determinato legame chimico, specificità di gruppo chimico, se l’enzima attacca solo un determinato gruppo chimico, o specificità di substrato, se l’enzima agisce solo su certi composti e non altri che siano anche suscettibili di subire la stessa reazione.
Per poter funzionare, ogni enzima deve formare con il proprio substrato un complesso chiamato substrato-enzima (complesso S-E), e poiché la maggior parte dei substrati hanno molecole piccole rispetto a quelle del biocatalizzatore, solo una piccola parte della molecola enzimatica (detta sito attivo) è impegnata nella formazione del complesso substrato-enzima: il sito attivo è formato da una sequenza di amminoacidi specifica per ciascun enzima, situata in una regione caratteristica e protetta per ogni molecola enzimatica; la struttura tridimensionale, la conformazione e la configurazione spaziale del sito attivo permettono che l’enzima si combini solo con un determinato tipo di struttura del substrato.
Sono detti enzimi di restrizione una classe di enzimi appartenenti alle endonucleasi, presenti in natura nei batterî, che riconoscono una specifica sequenza di DNA e producono due tagli, uno in ciascun filamento della sequenza nucleotidica simmetrica; sono particolarmente importanti per la difesa contro l’infezione di DNA estraneo e costituiscono, negli esperimenti di ingegneria genetica, un utile strumento per frazionare in vitro il DNA.
modalità d’azione – regolazione
Il complesso substrato-enzima ha vita molto breve, durante la quale il substrato subisce una modificazione specifica con rottura o formazione di legami covalenti; la formazione del complesso S-E permette che avvengano rapidamente reazioni fondamentali per l’essere vivente, quali la trasformazione e l’utilizzazione degli alimenti (carboidrati, lipidi, protidi ecc.): gli enzimi non modificano l’equilibrio di una reazione reversibile, ma possono solo accelerarla in entrambi i sensi.
In natura le reazioni chimiche spontanee sono esoergoniche (in esse cioè vi è una diminuzione di energia libera) e a esse prendono parte solo molecole attivate, le quali posseggono una carica di energia superiore a quella delle molecole normali (energia di attivazione ed è variabile da un sistema all’altro): il numero di molecole del sistema che raggiunge lo stato di attivazione è tanto più piccolo quanto maggiore è la differenza (dislivello) tra l’energia allo stato iniziale e quella allo stato di attivazione; è quindi necessario che diminuisca il dislivello perché un numero elevato di molecole raggiunga lo stato di attivazione e la reazione abbia luogo.
La diminuzione del dislivello si può ottenere attraverso o innalzando l’energia dello stato iniziale o abbassando l’energia di attivazione iniziale: gli enzimi agiscono con questa seconda modalità attraverso la formazione del complesso substrato-enzima che richiede un’energia di attivazione minore di quella necessaria al decorso diretto della reazione in assenza di biocatalizzatore. Il substrato unito all’enzima subisce le modificazioni proprie della reazione, poi il complesso si scinde, l’enzima torna libero e capace di combinarsi con un’altra molecola di substrato per riprendere il ciclo, e il substrato trasformato è rilasciato come prodotto della reazione.
La cinetica delle reazioni catalizzate da enzimi è caratterizzata dal fenomeno della saturazione da parte del substrato: a basse concentrazioni di substrato la velocità di reazione è proporzionale alla concentrazione di esso, ma se si aumenta la concentrazione del substrato, la velocità di reazione tende a crescere in misura minore e non è più proporzionale alla concentrazione di substrato; aumentando ulteriormente la concentrazione, la velocità di reazione diventa costante e indipendente dalla concentrazione del substrato. Una volta che l’enzima è saturato (cioè completamente legato) dal substrato, il fattore che limita la velocità della reazione è rappresentato unicamente dalla concentrazione dell’enzima. (questo fenomeno non si verifica nel caso della scissione dell’acqua ossigenata da parte della catalasi, per la quale non si conosce la saturazione da substrato)
L’attività di un enzima dipende anche da numerosi altri fattori, quali la temperatura, il cui aumento accelera ulteriormente la velocità di reazione, ma che oltre un certo limite provoca la denaturazione della proteina enzimatica, il pH dell’ambiente in cui si svolge la reazione (il pH ottimale della maggior parte delle reazioni è compreso tra 5 e 8), l’effetto di particolari ioni (Na+, Mn++, Mg++), necessari per alcune reazioni.
Negli organismi viventi esistono molteplici meccanismi per la regolazione dell’attività enzimatica: a seconda delle necessità è possibile che vengano attivati il fenomeno dell’allosteria, l’inibizione dell’attività enzimatica e l’inibizione o l’attivazione della sintesi enzimatica.
Gli enzimi allosterici sono formati da varie subunità identiche costituite da una o più catene polipeptidiche (monomeri): ogni subunità possiede un sito attivo e una zona di regolazione che comprende un sito di legame diverso da quello catalitico, a cui si lega una determinata sostanza detta attivatore (effettore allosterico positivo), e un sito di legame diverso sia da quello catalitico sia da quello dell’attivatore, a cui si lega un’altra sostanza detta inibitore (effettore allosterico negativo); generalmente, quando gli enzimi sono scissi in subunità, sono cataliticamente inattivi. L’enzima esiste in due forme, una catalitica (R o relax), in cui può combinarsi sia con il substrato sia con l’attivatore, e una inibita (T o tense), in cui può legarsi solo all’inibitore; le due forme solitamente sono tra loro in un equilibrio influenzato dalle concentrazioni relative del substrato, dell’attivatore e dell’inibitore: il substrato e gli effettori, fissandosi all’enzima, spostano l’equilibrio verso la forma R o T, e in particolare l’attivatore (che in alcuni casi può essere rappresentato dal substrato stesso), unendosi all’enzima favorisce la forma R che lega il substrato e lo trasforma, mentre l’inibitore (che in alcuni casi può essere rappresentato dal prodotto della reazione) favorisce la forma T che non lega il substrato ed è quindi inattiva. L’attività degli enzimi allosterici, in particolare quelli implicati nella regolazione del metabolismo e detti perciò enzimi regolatori, è modulata dalla concentrazione dei vari substrati e dei corrispondenti effettori allosterici.
L’inibizione dell’attività catalitica è detta irreversibile quando implica la modificazione permanente di uno o più gruppi funzionali dell’enzima, prevalentemente al sito attivo, e quindi il blocco dell’attività enzimatica (alcune delle sostanze che provocano modificazioni irreversibili sono veleni nervini, alcuni insetticidi …); l’inibizione reversibile, in cui il blocco dell’attività enzimatica può essere rimosso, è detta competitiva quando una sostanza (detta inibitore) simile al substrato usuale, compete con questo per il sito attivo dell’enzima, impedendo quindi la formazione del complesso substrato-enzima: l’inibizione può essere rimossa aumentando adeguatamente la concentrazione del substrato. L’inibizione reversibile non competitiva avviene quando l’inibitore si lega all’enzima o al complesso substrato-enzima in una zona diversa dal sito attivo: questo tipo di inibizione non dipende quindi dalla concentrazione del substrato, ma può essere rimossa eliminando gli inibitori.
La maggior parte degli enzimi sono situati all’interno delle cellule, nel citoplasma o nelle strutture cellulari (enzimi intracellulari); alcuni vengono prodotti dalle cellule, ma sono da queste secreti e agiscono al di fuori di esse (enzimi extracellulari), come nel caso degli enzimi del tratto digerente.
Gli enzimi extracellulari, solitamente, sono secreti come precursori inattivi (zimogeni) e, a loro volta, attivati da altri enzimi: per trasformare uno zimogeno in enzima attivo occorre rimuovere un peptide che funge da inibitore; ad esempio, per convertire il tripsinogeno in tripsina è necessario che si stacchi dalla molecola un esapeptide costituito da valina, quattro molecole di acido aspartico e lisina con la conseguente modificazione nella configurazione spaziale della proteina originaria, che diventa attiva.
classificazione
L’Unione internazionale di biochimica distingue gli enzimi in sei gruppi (o classi), suddivise in sottoclassi e sotto-sottoclassi, sulla base del tipo di reazione che catalizzano:
→ ossidoreduttasi;
→ transferasi;
→ idrolasi;
→ liasi;
→ isomerasi;
→ lipasi (o sintetasi).