Enzima: Una Proteina Catalizzatrice di Reazioni Chimiche

Un enzima è una sostanza di natura proteica (una volta detta fermento) che ha la proprietà di accelerare una reazione chimica specifica senza essere consumata e senza entrare nei prodotti finali della reazione. Le sostanze sulla cui trasformazione gli enzimi agiscono sono dette substrati.

Storia dell'Enzimologia

Nella storia dell’enzimologia si possono distinguere tre grandi periodi:

1. Il primo va dal 17° secolo alla fine del 18° e comprende le prime osservazioni scientifiche sulla fermentazione alcolica, sulla putrefazione e su certe trasformazioni chimiche, come la digestione della carne operata dal succo gastrico, molto più tardi riconosciute di natura enzimatica. Tra gli scienziati più insigni che si occuparono di questi problemi vanno ricordati J.B. van Helmont, T. Willis, G.E. Stahl, J.J. Becher, A. van Leeuwenhoeck nel 17° sec. e H. Cavendish, L. Spallanzani e A.-L. Lavoisier nel 18° secolo.
2. Il secondo periodo, che occupa tutto il 19° secolo, si estesero e approfondirono le conoscenze sulle fermentazioni in generale e su quella alcolica in particolare, e inoltre furono scoperte e studiate alcune trasformazioni chimiche enzimatiche negli animali e nelle piante.
3. Nel 1897 E. Buchner provò che dal lievito si poteva spremere un succo capace di compiere la fermentazione alcolica, dimostrando che la distinzione tra fermenti organizzati e non organizzati non aveva più ragione di essere; da allora ebbe inizio il periodo attuale della enzimologia.

In seguito, le conquiste più importanti sono state: la definizione dei fattori che condizionano le reazioni enzimatiche; la scoperta della somiglianza tra la fermentazione alcolica del lievito e la glicolisi nelle cellule animali; la scoperta dei coenzimi e della partecipazione delle vitamine alla loro costituzione; la purificazione del primo enzima in forma cristallina e il riconoscimento della sua natura proteica (J.B. Sumner, 1926).

Struttura degli Enzimi

Gli enzimi possono essere costituiti da proteine semplici (per es., ribonucleasi) che determinano da sole sia la specificità sia la reazione, oppure 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; quando invece la parte proteica e quella non proteica sono facilmente dissociabili, la prima prende il nome di apoenzima, la seconda quello di coenzima; dall’unione delle due parti si ottiene l’enzima completo o oloenzima, che viene semplicemente chiamato enzima.

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.

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Specificità degli Enzimi

La specificità, che differenzia i biocatalizzatori dai catalizzatori inorganici, presenta vari tipi e gradi:

1. specificità di legame: l’enzima attacca solo un determinato legame chimico;
2. specificità di gruppo chimico: l’enzima attacca solo un determinato gruppo chimico;
3. specificità di substrato: l’enzima attacca solo certi composti e non altri che siano anche suscettibili di subire la stessa reazione.

Alcuni enzimi, detti enzimi allosterici, contengono un sito, detto sito allosterico, nel quale possono legarsi altre molecole che aumentano oppure diminuiscono o bloccano l'attività di catalisi enzimatica determinando quindi un aumento o diminuzione di trasformazione dei reagenti nei prodotti.

Meccanismo d'Azione

Per poter funzionare, ogni enzima deve formare con il proprio substrato un complesso chiamato substrato-enzima (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 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 pertanto non modificano l’equilibrio di una reazione reversibile, ma possono solo accelerarla in entrambi i sensi.

È con questa seconda modalità che agiscono gli enzimi, 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.

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Cinetica Enzimatica

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. A questo punto l’enzima è saturato (cioè completamente legato) dal substrato; allo stato di saturazione il fattore che limita la velocità della reazione è rappresentato unicamente dalla concentrazione dell’enzima.

L’effetto della saturazione portò L. Michaelis e M.L. Menten a formulare, nel 1913, una teoria generale dell’azione e della cinetica enzimatica, che più tardi fu ampliata da G. E. Briggs e J.B.S. Haldane.

Regolazione dell'Attività Enzimatica

Negli organismi viventi esistono molteplici meccanismi per la regolazione dell’attività degli enzimi a seconda delle necessità: tra di essi ricordiamo il fenomeno dell’allosteria, l’inibizione dell’attività enzimatica e l’inibizione o l’attivazione della sintesi enzimatica.

L’inibizione dell’attività catalitica è detta irreversibile quando implica la modificazione permanente di uno o più gruppi funzionali, prevalentemente al sito attivo, dell’enzima e quindi il blocco dell’attività enzimatica. 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.

Localizzazione degli Enzimi

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 per es. gli enzimi del tratto digerente. Questi ultimi vengono generalmente 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.

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Essendo di natura proteica, gli enzimi presentano tutte le proprietà delle proteine; sono denaturati, e quindi inattivati, dal calore e da altri agenti denaturanti chimici e fisici.

Classificazione degli Enzimi

L’Unione internazionale di biochimica distingue gli enzimi in sei gruppi (classi), sulla base del tipo di reazione che catalizzano: ossidoreduttasi, transferasi, idrolasi, liasi, isomerasi, ligasi o sintetasi. Ogni classe è stata contraddistinta da un numero, rispettivamente da 1 a 6. Ciascuna di queste classi è stata suddivisa in sottoclassi: gli enzimi di ogni sottoclasse sono stati raggruppati in sotto-sottoclassi. Ogni sottoclasse e sotto-sottoclasse è stata contraddistinta da un numero. Infine un altro numero è stato assegnato a ogni specifico enzima.

Secondo questa classificazione ufficiale ciascun enzima presenta una sigla formata da quattro numeri separati da punti.

Applicazioni Industriali degli Enzimi

Molti enzimi sono utilizzati in svariati processi industriali: per la preparazione di prodotti alimentari (formaggi, birra, vino, pane ecc.), nell’industria dei detergenti, nell’industria del cuoio, nell’industria tessile ecc. Si hanno enzimi estratti da organismi sia vegetali sia animali; la maggior parte, però, di quelli usati è di origine microbica.

Esempi di Enzimi Industriali

• Papaina: usata nella stabilizzazione della birra, nell’ammorbidimento delle pelli ecc.
• Enzimi proteolitici (proteasi): si possono suddividere in base all’origine (proteasi batteriche, da funghi ecc.) e al campo di pH entro cui esplicano la loro attività in modo ottimale.
• Enzimi amilolitici (amilasi): usati nell’industria alimentare e tessile.

Utilizzo degli Enzimi in Chimica Analitica

Gli enzimi hanno assunto grande importanza anche in chimica analitica: la loro specificità consente, infatti, di determinare una sostanza senza eseguire le lunghe e costose operazioni di separazione, in quanto essa viene selettivamente trasformata dall’enzima in un composto di facile rivelabilità (per es., tramite una colorazione). Nell’ambito di tali applicazioni, particolarmente interessanti sono gli elettrodi a enzima, sostanzialmente elettrodi indicatori di specie molto comuni (CO2, NH3), che nella membrana che li costituisce contengono un enzima immobilizzato chimicamente o fisicamente.

Enzimi di Restrizione

Le proprietà di alcuni enzimi di azione specifica per molecole polinucleotidiche quali DNA o RNA sono alla base delle manipolazioni cromosomiche dell’ingegneria genetica. Tali enzimi vengono comunemente definiti enzimi di restrizione: appartenenti alle endonucleasi, riconoscono una specifica sequenza di DNA e producono due tagli, uno in ciascun filamento, generando delle estremità 3′OH e 5′P. La scoperta degli enzimi di restrizione nei batteri, la comprensione delle loro modalità di azione e la loro utilizzazione per analizzare la struttura del gene hanno rivoluzionato gli studi di genetica dal 1970 in poi.

Enzimi Digestivi

Gli enzimi digestivi aiutano l'apparato digerente a scomporre i cibi introdotti mediante l'alimentazione, rendendoli facilmente assimilabili dall’organismo. Gli enzimi digestivi assunti mediante integratori sarebbero in grado di facilitare il processo digestivo in caso di intolleranze. Oltre a venire impiegati in presenza di problemi digestivi (dolori addominali, flatulenza) e in caso di intolleranze alimentari, vengono utilizzati anche dagli sportivi che seguono un'alimentazione ad alto contenuto proteico.

Proteine ed Enzimi

Le proteine sono (dopo l’acqua) le molecole biologiche più abbondanti nel corpo umano e in tutti gli organismi viventi; si trovano in tutte le cellule e costituiscono almeno il 50% del loro peso secco. Ma forse la funzione più importante delle proteine è quella regolatrice ed energetica svolta dagli enzimi, che agiscono accelerando le reazioni biologiche e trasformando reazioni lente in processi più veloci, con richieste energetiche più basse: agiscono quindi da catalizzatori.

Gli enzimi si combinano con una sostanza specifica (detta substrato) che possiede una forma esattamente complementare alla parte di enzima in cui avvengono le reazioni (sito attivo). L'enzima non viene modificato né consumato dalla reazione, per cui alla fine di una reazione è pronto per la molecola di substrato successiva. Ne bastano, quindi, piccole quantità per controllare reazioni di un gran numero di molecole.

Progressi nella Scienza degli Enzimi

Negli ultimi venti anni la scienza degli enzimi ha fatto progressi giganteschi sia dal punto di vista teorico sia da quello applicativo industriale. Sono stati ottenuti enzimi altamente purificati e in molti casi si è potuta chiarire la costituzione chimica e il meccanismo d'azione di essi e dimostrare inoltre le strette relazioni che esistono tra enzimi ed altri biocatalizzatori, ad es. le vitamine. L'importanza industriale della chimica delle fermentazioni è notevolmente aumentata.

Nel 1936 J. Batcheller Sumner dopo lunghe e pazienti ricerche riuscì a preparare allo stato cristallino l'ureasi, un enzima presente nella soia e in altri cereali e capace di scindere l'urea in ammoniaca e carbammato d'ammonio. Successivamente sono stati cristallizzati numerosi enzimi tra cui la pepsina, la tripsina e la chimotripsina e i rispettivi precursori inattivi (pepsinogeno, tripsinogeno e chimotripsinogeno) (I. H. Northrop e la sua scuola), la carbossipeptidasi (A. L. Anson), la catalasi (J. B. Sumner e A. L. Dounce), la latticodeidrogenasi (F. B. Straub), la perossidasi (H. Theorell), l'anidrasi carbonica (O. A. Scott), ecc.

Gli enzimi cristallini presentano una elevatissima attività, che si mantiene inalterata dopo ripetute cristallizzazioni (ad es. 1 gr. di pepsina cristallizzata scioglie in due ore 50 kg. di albumina). In alcuni casi non è possibile scindere la molecola enzimatica senza che questa perda irreversibilmente la sua attività, in altri casi invece è possibile, per mezzo della dialisi o con altri procedimenti, mettere in evidenza accanto al costituente proteico non dializzabile e termolabile un componente dializzabile e termostabile. I due componenti sono isolatamente inattivi, ma se mescolati opportunamente ripristinano l'enzima attivo.

H. Von Euler chiama apoenzima il componente proteico, coenzima il componente dializzabile e oloenzima il composto risultante dall'unione dei due componenti. In tutti i casi nei quali è stato possibile isolare l'apoenzima si è trovato che esso è di natura proteica. Nel costituente proteico sono talvolta presenti determinati raggruppamenti atomici la cui soppressione comporta l'inattivazione dell'enzima.

Effettori degli Enzimi

Le numerose sostanze chimiche che modificano l'attività enzimatica sono state suddivise, a seconda della loro azione, in attivatori, inibitori, antiattivatori, anti-inibitori e coattivatori. Quest'ultime rinforzano l'attività di altre. Th. Bersin ha raggruppato sotto il nome di effettori tutte queste categorie di sostanze.

Classificazione degli Enzimi

Secondo la maggior parte degli autori gli enzimi si distinguono in due grandi classi: enzimi idrolitici o idrolasi ed enzimi ossido riduttivi o desmolasi. Gli enzimi idrolitici catalizzano la scissione di molecole complesse mediante l'introduzione di molecole d'acqua. Recentemente si è dimostrato che accanto a reazioni idrolitiche esistono reazioni fosforolitiche nelle quali non è la molecola dell'acqua, ma è una molecola di acido fosforico, che determina la scissione.

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