Gli enzimi
sono molecole proteiche che svolgono un’azione di catalisi biologica
altamente specifica. Hanno un’attivita catalitica molto elevata (accelerano
le reazioni di 10^7 - 10^8 volte).
Il nome enzima deriva dal greco en zima: nel lievito, e gli fu
dato intorno al 1867. Il primo enzima ad essere studiato fu la diasatasi,
che idrolizza l’amido con maggiore velocità dell’acido
solforico. Pasteur e Buckner avanzarono due differenti ipotesi sull’attività
degli enzimi. Il primo correlava l’attività catalitica alla
vita della cellula, mentre il secondo sosteneva che gli enzimi fossero
attivi anche dopo la morte della cellula. Infatti estrasse l’ureasi
dalle cellule e constatò che essa presentava comunque attività
catalitica. Nel 1900 Normthrop cristalizzò la pepsina, la
chimotripsina e la tripsina. Da allora sono stati purificati
e cristalizzati più di 300 enzimi.
Nomenclatura
La vecchia nomenclatura prevedeva l’utilizzo del suffisso -asi
preceduto dal nome del substrato su cui agiva l’enzima. Per esempio:
UREASI: il substrato è l’urea;
GLUCOCINASI: il substrato è il glucosio.
Questa nomenclatura é incompleta, infatti non si ottengono dal
nome altre informazioni sull’enzima, come il tipo di reazione, il
prodotto della reazione ecc... Perciò oggi si utilizza, sopratutto
a livello internazionale, la nomenclatura
EC (ezymes comiteé). Essa prevede che
l’enzima sia identificato da una serie di quattro numeri. Per esempio:
EC 2311 (esocianasi)
dove:
- il primo numero identifica la classe;
- il secondo numero la sottoclasse;
- il terzo numero la sotto sottoclasse;
- il quarto numero è il numero di serie.
Inoltre il primo numero da informazioni sul tipo di reazione catalizzata
dall’enzima, mentre gli altri tre danno diverse informazioni (vedi
tab.).
| 1. OSSIDOREDUTTASI | Reazioni di ossidoriduzione | |
| 2. TRANSFERASI | Transferimento di gruppi funzionali senza consumo di ATP | |
| 3. IDROLASI | Idrolisi | |
| 4. LIASI | Decarbossilazione o addizione/eliminazione | |
| 5. ISOMERASI | Reazioni di isomerizzazione | |
| 6. LIGASI | Formazione e scissione di legami con consumo di ATP |
La reazione di un generico substrato, catalizzata da un enzima può
essere scritta nel modo seguente:
dove:
- E è l’enzima;
- S è il substrato;
- ES è il complesso enzima-substrato;
- P è il prodotto.
Spesso per essere attivi gli enzimo devono associarsi a particolari molecole
o ioni, dette cofattore:
Il cofattore può essere uno ione metallico oppure una molecola
organica, in tal caso si può classificare in coenzima, se
è associata all’enzima mediante legami deboli, oppure gruppo
prostetico nel caso i legami siano di tipo covalente.
Gli ioni metallci possono aggire in diversi modi:
- costituiscono
il centro catalitico primario;
- fanno
da ponte con il substrato, unendolo all’enzima, attraverso la formazione
di un coplesso di coordinazione;
- agiscono
da agenti che stabilizzano la conformazione della proteina enzimatica
nella sua forma cataliticamente attiva.
Interazione substrato-enzima
Esistono due modelli:
il modello chiave-serratura di Fischer afferma che l’enzima abbia già una configurazione rigida, già perfettamente complementare a quella del substrato: quindi il riconoscimento è altamente specifico.
Il modello dell’adattamento indotto, o di Koshland afferma che l’avvicinamento del substrato al sito di fissazzione (diverso dal sito attivo) induce un adattamento del sito catalitico alla struttura del substrato. Questo modello spiega la capacità di alcuni enzimi di catalizzare la reazione di più di un substrato.
Specificità enzimatica
La specificità enzimatica è assoluta e relativa. La specificità assoluta è la capacità dell’enzima di discriminare substrati la cui struttura differisce in minimi particolari. La specificità relativa è la capacità di un enzima di agire su più substrati, simili strutturalmente, ma con velocità molto diverse. Inoltre la specificità può essere di reazione, di posizione di reazione e stereospecificità.
Unità di attività enzimatica
L’attività enzimatica può essere espressa con diverse unità di misura:
- Unità
enzimatica (UE): è la quantità di enzima che provoca
la trasformazione di 1 µmole di substrato per minuto, a 25°C
e in condizioni ottimali.
- Attività
specifica: è il numero di UE per milligrammo di proteine.
- Attività
molecolare o numero di turnover: è il numero molecole di
substrato che vengono trasformate per minuto da una singola molecola
di enzima o da un singolo sito attivo (quando è l’enzima
il fattore che limita la velocità di reazione).
- Katal:
è la quantità di enzima che trasforma una mole al secondo
di substrato.
I fattori che influenzano l’attività enzimatica sono:
- pH;
- temperatura;
- concentrazione.
La temperatura influisce in modo contrastante la velocità di una reazione catalizzata da un’enzima. Infatti se è vero che al suo aumentare aumenta anche la velocità di reazione è anche vero che per valori intorno a 60-70°C si ha la denutarazione della proteina, con conseguente perdita dell’aatività catalitica. È da notare, però, che la temperatura di denaturazione dipende dall’enzima in considerazione, per esempio gli enzimi dei batteri termofili operano a temperature di 80-90°C.
Infine la velocità di reazione dipende dalla concentrazione dell’enzima, esso è attivo già a piccole concentrazioni.
I polimeri sono macromolecole, cioè molecole composte da un gran numero di unità semplici, identiche o molto simili tra loro, che prendono il nome di monomeri. Il processo che porta alla formazione di un polimero è detto polimerizzazione. La polimerizzione può avvenire in due modi differenti, si hanno: la polimerizzazione a catena e la polimerizzazione a stadi.
Polimerizzazione a catena. Nella polimerizzazione a cetena vi sono una serie di reazioni che consumano una particella (ione o radicale) e contemporaneamente ne formano un altra di struttura simile. Appunto a cetena poichè ogni reazione è in dependenza con quella che la precede. Un esempio classico di tale tipo di polimerizzazione è la polimerizzazione radicalica dell'etilene, con formazione del polietilene:
Rad• + CH2=CH2 ---> Rad-CH2-CH2•
Rad-CH2-CH2• + CH2=CH2 ---> Rad-CH2-CH2-CH2-CH2•
ecc...
Polimerizzazione a stadi. Nella polimerizzazione a stadi vi sono una serie di reazioni ciascuna delle quali è indipendente dall'altra. La formazione del polimero avviene poichè il monomero può reagire con più di un gruppo funzionale:
figura
Alcuni autori suddividono le reazioni di polimerizzazione in poliaddizioni, quando le molecole di monomero si addizzionano l'una all'altra; e policondensazioni quando le molecole di monomero reagiscono tra di loro con perdida di un composto semplice (solitamente acqua). In pratica le due classificazioni coincidono, perchè quasi tutte le polimerizzazioni a catena prevedono poliaddizzioni, e quasi tutte le polimerizzazioni a stadi comportano policondensazioni.