proteine enzimi RNA ribozimi substrati altamente specifici -asi

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1 I catalizzatori sono sostanze che aumentano la velocità delle reazioni senza subire modificazioni. Un catalizzatore non induce una reazione che non può avvenire, fa solo in modo che avvenga più velocemente. Un catalizzatore è una molecola che lega i reagenti e prende parte alla reazione senza però venirne modificato: alla fine, esso ritorna nelle stesse condizioni in cui si trovava prima della reazione. La maggior parte dei catalizzatori biologici è costituita da proteine chiamate enzimi. Esistono anche catalizzatori costituiti da molecole di RNA, detti ribozimi. In una reazione catalizzata, i reagenti sono detti genericamente substrati. Le cellule contengono migliaia di enzimi, che si classificano a seconda del substrato che legano e della reazione che catalizzano. Gli enzimi sono catalizzatori altamente specifici: riconoscono un solo substrato e catalizzano un unica reazione. Il loro nome fa spesso riferimento ad entrambi (substrato e reazione) e termina sempre con -asi. 1

2 Il funzionamento di un enzima è definito a chiave e serratura. Il substrato si lega al sito attivo dell enzima, che si forma dalla sua configurazione spaziale. Il suo sito attivo (serratura) è conformato in modo da legare un unico substrato (chiave): altre molecole, diverse per forma, gruppi funzionali o altre caratteristiche, non si adattano al sito attivo e non vi si legano. Il legame del substrato (S) con un enzima (E) dà luogo al complesso enzima-substrato (ES), tenuto assieme da deboli legami chimici. Dal complesso enzima-substrato si forma il complesso enzima-prodotti che subito si separa in prodotti (P) ed enzima libero. La forma dell enzima può cambiare nel corso della reazione, ma al termine recupera sempre la sua forma originale ed è pronto a legare nuovo substrato. Un enzima accelera sia la reazione diretta che quella inversa, pertanto in una reazione catalizzata la K eq non cambia ma raggiunge l equilibrio più rapidamente. La presenza un enzima non modifica la differenza di energia libera tra i reagenti e i prodotti. Gli enzimi possono accelerare assai drasticamente la velocità di una reazione, aumentandola anche di un fattore di (miliardi di miliardi di volte!). 2

3 La diminuzione dell energia di attivazione può avvenire in due modi: 1. orientando i substrati ed aumentando di conseguenza il numero degli urti efficaci; 2. deformando le molecole di substrato e destabilizzandone di conseguenza i legami. La capacità di un enzima di selezionare esattamente il substrato giusto dipende dai gruppi funzionali che interagiscono in corrispondenza del sito attivo. Spesso gli enzimi cambiano forma quando legano il loro substrato, così che il sito attivo possa interagire più efficacemente con il substrato; questo fenomeno è chiamato adattamento indotto. L adattamento indotto facilita il processo catalitico. Molti enzimi richiedono la presenza di altre molecole per poter svolgere la propria attività. Queste molecole sono chiamate cofattori e possono essere inorganici o organici. I cofattori non vanno confusi con i gruppi prostetici: i primi sono molecole indipendenti, i secondi sono molecole legate all enzima. 3

4 I gruppi prostetici si legano in maniera stabile per mezzo di legami covalenti, al contrario i cofattori si legano in maniera transitoria. I gruppi prostetici non si staccano quando l enzima non svolge la propria attività, mentre i cofattori si legano solamente al momento della catalisi. In assenza del cofattore, l enzima non può svolgere la sua funzione e prende il nome di apoenzima. I cofattori inorganici sono per lo più ioni metallici come Zn 2+, Fe 2+ o Mg 2+. Essi si legano all enzima permettendogli di assumere la forma adatta a legare il substrato. I cofattori organici sono detti coenzimi. Si tratta di molecole che agiscono per lo più come trasportatori di gruppi funzionali. Molte vitamine, o loro derivati, sono coenzimi indispensabili per l attività enzimatica. Un coenzima non è specifico per un dato enzima, ma può essere utilizzato da enzimi diversi. Particolarmente importanti sono i coenzimi trasportatori di elettroni e di ioni H +, come il NAD (nicotinammide-adenin-dinucleotide) o il FAD (flavinadenin-dinucleotide). 4

5 L attività metabolica è regolata soprattutto tramite il controllo dell espressione genica, che accende o spenge i geni che codificano per gli enzimi. Tuttavia essa può essere controllata molto più velocemente intervenendo sulla funzionalità enzimatica. Inoltre, attivando o disattivando gli enzimi non solo si blocca la reazione da essi catalizzata, ma anche tutte le altre reazioni ad collegate. Gli enzimi, quindi, sono molecole chiave per controllare intere sequenze di reazioni chimiche, le cosiddette vie metaboliche. Il modo più comune di regolare l attività enzimatica è far ricorso agli inibitori. Si tratta di molecole capaci di legarsi agli enzimi riducendo o addirittura bloccandone la catalisi. Alcuni inibitori esistono in natura, altri sono artificiali: gli inibitori naturali contribuiscono a regolare il metabolismo, quelli sintetizzati in laboratorio sono adoperati per curare malattie, uccidere parassiti o svolgere attività di ricerca. In alcuni casi gli inibitori si legano agli enzimi in maniera permanente e li disattivano per sempre: inibitori irreversibili. L inibizione irreversibile si verifica quando l inibitore forma un legame covalente con il sito attivo. Questo legame disattiva permanentemente l enzima perché ne modifica in modo la struttura. L inibizione irreversibile non è una forma di regolazione comune a livello cellulare perché, appunto, è irreversibile. 5

6 Nella maggior parte dei casi gli inibitori sono reversibili, perché possono separarsi dall enzima che così riprende a funzionare normalmente. L inibitore reversibile è simile al substrato così che possa legarsi al sito attivo dell enzima, ma abbastanza diverso da non subire alcuna reazione. Finché l inibitore è legato all enzima, il sito attivo rimane occupato e l enzima non funziona. Una molecola di questo tipo è detto inibitore competitivo perché contende al substrato il sito attivo. L inibizione competitiva dipende dalle concentrazioni di inibitore e substrato e dalla loro affinità con l enzima. Se l inibitore ha una concentrazione elevata, la probabilità che si leghi al sito attivo è maggiore di quella del substrato. Incrementando la concentrazione di substrato (o riducendo quella dell inibitore) si ha maggiore possibilità che esso si leghi all enzima. Gli inibitori competitivi sono spesso impiegati come farmaci. Esistono anche inibitori non competitivi, poiché si legano all enzima in un sito diverso dal sito attivo (sito allosterico). Il legame induce un cambiamento di forma dell enzima e ne modifica l attività. Il sito attivo non riesce più a legare il substrato o, se lo fa, la velocità di formazione del prodotto è più bassa. Anche gli inibitori competitivi possono staccarsi dall enzima, per cui i loro effetti sono reversibili. 6

7 L attività degli enzimi è influenzata anche da fattori ambientali. A causa della loro struttura, gli enzimi sono sensibilissimi a variazioni di ph e di temperatura. Ogni enzima raggiunge il massimo della sua attività a un ph ben definito; se questo cambia la sua attività diminuisce. Fornendo calore la velocità delle reazioni in genere aumenta. Anche le reazioni enzimatiche si comportano in modo analogo, ma se le temperature diventano troppo alte gli enzimi si denaturano e perdono le proprie funzioni. Alcuni enzimi si denaturano a temperature di poco superiori a quella corporea, mentre altri sono stabili anche al punto di ebollizione dell acqua. Tutti presentano un intervallo di temperatura ottimale per la loro attività. Nell uomo gli enzimi sono più stabili alle alte temperature rispetto a quelli dei batteri: la febbre quindi denatura gli enzimi batterici ma non quelli umani. 7