Gli Enzimi: proprietà, classificazione e meccanismi di regolazione

Gli Enzimi

Gli enzimi appartengono, nella maggior parte dei casi, alla classe delle proteine. Tuttavia c'è una piccola classe di enzimi non costituiti da proteine ma da RNA, e prendono il nome di ribozimi. Un enzima è un catalizzatore biologico e come tale è capace di aumentare la velocità di una reazione chimica nelle condizioni fisiologiche (temperatura e pH blandi); esso può essere modificato durante la reazione ma rimangono inalterati al termine della reazione. L'enzima non influisce sulla posizione dell'equilibrio di una reazione ma fa avvenire questa reazione più velocemente senza alterarne lo stato di equilibrio.

Proprietà degli Enzimi

• Efficienza: è dovuta all'elevato potere catalitico in quanto gli enzimi sono capaci di aumentare la velocità di una reazione da 5 a 17 ordini di grandezza). Questo fattore è molto determinante per l'importanza degli enzimi poiché velocizzano una reazione che senza l'intervento di questi non avverrebbe nei tempi leciti compatibili con la vita.
• Specificità di reazione: riconoscono una specifica struttura chimica e danno origine ad uno specifico prodotto (N.B sono stereospecifici). cioè attivi su uno solo dei due enantiomeri
• Regolazione sono soggetti a regolazione in senso positivo e negativo, tramite attivatori o inibitori

Enzimi Proteici

Gli enzimi proteici possono essere suddivisi in due classi:

• Proteine semplici: costituite esclusivamente da una porzione amminoacidica.
• Proteine coniugate: è presente sia la porzione proteica che un cofattore (di natura organica o inorganica)

Nel caso in cui gli enzimi siano costituiti da proteine coniugate, possiamo distinguere diverse parti:

• Oloenzima: complesso dato dalla presenza della parte proteica e del cofattore. L'unione tra queste due parti ha la capacità di esplicare l'azione catalitica. parte proteica + cofattore
• Apoenzima: presenza della porzione proteica e assenza di cofattore, è dunque cataliticamente inattiva. parte proteica
• Cofattore: componente non proteica (ione metallico o molecola organica). parte non proteica

Dal punto di vista della complessità della loro struttura gli enzimi possono essere distinti in:

• Monomerici: composti da un'unica subunità.
• Oligomerici: poche subunità.
• Complessi enzimatici: ad esempio la piruvato deidrogenasi che è un complesso enzimatico composto da tre diversi enzimi presenti in molteplici copie.

Cofattori

Ioni Essenziali e Coenzimi

I cofattori, come abbiamo visto, sono le componenti non proteiche. Possono essere sia coenzimi, composti da molecole organiche, sia ioni essenziali.Essi, a differenza degli altri enzimi, sono termostabili e in quanto tali non perdono l'attività in seguito a riscaldamento.

Quando il cofattore di natura organica: coenzima, è legato covalentemente all'apoenzima prende il nome di gruppo prostetico.

Enzimi con Cofattori Inorganici

Alcuni enzimi che contengono o richiedono come cofattori elementi inorganici Tra gli ioni metallici che fungono da cofattore nella catena enzimatica c'è, ad esempio, il ferro. Questo è molto importante sia nello stato ossidato che nello stato ridotto ed è un cofattore dei citocromi. Il magnesio è un cofattore di tre enzimi: esochinasi, glucosio-6-fosfatasi, piruvato chinasi.

Vitamine Idrosolubili e Coenzimi

I cofattori di natura organica derivano essenzialmente dalle vitamine idrosolubili. Le vitamine si distinguono in: idrosolubili e liposolubili. Le prime sono importanti perché danno origine ai cofattori di diversi enzimi. (imparare la tabella)

Classificazione e Nomenclatura

Attualmente gli enzimi sono denominati in base a quattro criteri:

1. NOME SISTEMATICO (malato: NAD+ ossidoreduttasi)
2. DENOMINAZIONE PRATICA (malato deidrogenasi)
3. ACRONIMI (MDH)
4. DENOMINAZIONE NUMERICA (EC 1.1.1.37)

Ogni enzima è identificato da un numero unico, costituito da quattro sezioni distinte, separate da un punto.

La numerazione risponde ad un preciso schema di classificazione che è in usa fin dal 1961 ed è stato introdotto da Commissione sugli Enzimi (EC) della Unione Internazionale di Biochimica (IUB).

Gli enzimi sono suddivisi in 6 classi, in base alla reazione catalizzata.

sotto classe (gruppo H-C-OH del donatore e-) sotto sotto-classe (NAD o NADP come accettore) EC 1.1.1.27 1. Ossidoreduttasi 27sima posizione nella sotto sotto-classe EC sta per "Enzyme Commission". L'enzima è la lattico deidrogenasi; nome sistematico: L-lattato:NAD ossidoreduttasi La reazione è : L-lattato + NAD+ = piruvato + NADH + H+ Gli enzimi hanno una doppia nomenclatura: un nome corrente di uso comune e un nome sistematico. Il nome sistematico ha lo scopo di definire con maggior precisione la reazione catalizzata. Ad esempio, con L-lattato:NAD ossidoreduttasi, si specifica l'enantiomero su cui l'enzima agisce e il coenzima utilizzato. Come si può notare, nella nomenclatura sistematica l'enzima è indicato con il nome della classe di appartenenza (ossidoreduttasi). Viceversa, il nome comune è generalmente costituito dal nome del substrato e da un termine (con suffisso -asi) che tende a specificare la reazione, ma talvolta con qualche variante rispetto al nome della classe di appartenenza. Il numero identificativo della lattato deidrogenasi è "EC 1.1.1.27" Il primo numero identifica la classe a cui appartiene l'enzima. Gli enzimi sono suddivisi in 6 classi, in base alla reazione catalizzata.

Classificazione Internazionale degli Enzimi (TUBMB)

1. Ossidoreduttasi

1. OSSIDOREDUTTASI: abbiamo una reazione di ossidoriduzione. Nel caso della lattato deidrogenasi si catalizza una reazione reversibile che converte il piruvato in lattato; il gruppo carbonilico del piruvato viene ridotto nel gruppo alcolico del lattato e il coenzima NADH che viene ossidato a NAD+.

A partire dalla classe delle ossidoreduttasi ci sono varie sottoclassi:

• Deidrogenasi (a cui appartiene la lattato deidrogenasi)
• Ossidasi
• Reduttasi
• Perossidasi
• Catalasi
• Ossigenasi
• Idrossilasi

0                                   0
NADH + H+                           +
NAD
C=0                                 H-C-OH
I                                   I
LATTATO DEIDROGENASI
CH3                                 CH,
Piruvato                            Lattato

2. Transferasi

2. TRANSFERASI: catalizzano il trasferimento di gruppi funzionali. Nel caso di una reazione catalizzata da un ammino transferasi, come dice la parola stessa, catalizzano il trasferimento di un gruppo amminico da un substrato ad un altro.

Le sottoclassi sono:

• Transaldolasi
• Transchetolasi
• Acil-, metil-, glucosil-, fosforil- transferasi
• Chinasi
• Fosfomutasi

Glutamate
Oxaloacetate
a-KG
Aspartate
CH2
CH2
+
CH2
H-C-
I
NHỊ
C=0
aspartate
aminotransferase
C=0
H-C-NHỊ
COO-
COO-
COO"
COO-
COO-
COO-
CH2
COO-
CH,
O
==
-
-
-

3. Idrolasi

3. IDROLASI: in presenza di acqua si catalizza la rimozione di un gruppo chimico. Esempio: le fosfatasi che catalizzano la rimozione di un gruppo fosfato che è legato ad un substrato.

Le sottoclassi sono:

• Esterasi
• Glicosidasi
• Peptidasi
• Fosfatasi
• Tiolasi
• Fosfolipasi
• Amidasi
• Deaminasi
• Ribonucleasi

OPO32-
1
CH2
I
+
H2O
HN
Catena peptidica
Fosfatasi
OH
1
CH2
CH
0 + HOPO32-
HN
Catena peptidica

4. Liasi

4. LIASI: catalizzano una scissione dei legami C-C. Esempio: le aldolasi che catalizzano la scissione del fruttosio 1,6-bisfosfato in due composti che sono: diossiacetone fosfato e la gliceraldeide 3-fosfato.

Le sottoclassi sono:

• Decarbossilasi
• Aldolasi
• Idratasi
• Deidratasi
• Sintasi

CH2OPO32-
1
C=0
-
HOCH
I
HCOH
I
CH2OPO32-
D-Fruttosio 1,6-bisfosfato
Aldolasi
CH2OPO32-
O
I
C=0
CH
-
I
CH2OH
HCOH
I
Diossiacetone
fosfato
CH2OPO32-
D-Gliceraldeide
3-fosfato

5. Isomerasi

5. ISOMERASI: catalizzano l'organizzazione intramolecolare di una molecola. Esempio: le epimerasi che convertono lo xilulosio 5-fosfato in ribulosio 5-fosfato.

Le sottoclassi sono:

• Racemasi
• Epimerasi
• Isomerasi

CH2OH
CH2OH
I
-
C=0
C=0
-
epimerasi
I
HOCH
HCOH
I
I
HCOH
H2COPO32-
I
H2COPO32-
D-Xilulosio
5-fosfato
D-Ribulosio
5-fosfato

6. Ligasi

6. LIGASI: catalizza la formazione di vari legami. Esempio: Nella reazione di carbossilazione, il piruvato viene convertito ad ossalacetato promuovendo, in presenza di ATP, il legame di una molecola di CO2 al substrato.

Le sottoclassi sono:

• Sinteasi
• Carbossilasi

COO-
coo-
biotina |
ATP:+ HCO3 + C=O
I
I
CH3
C=0 + ADP + Pi
I
CH
I
COOH
Piruvato carbossilasi
Piruvato
Ossalacetato

Gli Isoenzimi

All'interno degli enzimi possiamo identificare gli isoenzimi, ovvero enzimi che catalizzano una stessa reazione biochimica. MA Questi differiscono dagli enzimi sotto vari aspetti poichè hanno:

• differente struttura, e quindi una diversa composizione amminoacidica;
• differenti cofattori, quindi differenti proprietà cinetiche;
• differente regolazione e localizzazione subcellulare e/o tissutale.

Esempio: la lattato deidrogenasi (LDH) catalizza una reazione reversibile che converte il piruvato in lattato; ciò avviene, nello specifico, in una reazione di ossido-riduzione in cui il gruppo carbonilico del piruvato viene ridotto nel gruppo alcolico del lattato e il coenzima NADH che viene ossidato a NAD+.

La lattato deidrogenasi è un enzima tetraedrico quindi costituito da quattro diverse catene polipeptidiche, le catene H e le catene M, che si combinano diversamente nel tetramero per formare diversi isoenzimi.

Di lattato deidrogenasi esistono varie isoforme a seconda degli organi che consideriamo. Nel cuore, ad esempio, abbiamo una LDH composta unicamente da quattro catene H (heart), mentre nel muscolo scheletrico la LDH è composta da quattro catene M (muscle); negli altri organi le due catene si associano in una stechiometria differente.

Catalisi Enzimatica

E + S =
ES
EP
- E + P

E: enzima S: substrato reagente P: prodotto ES/EP: complessi transitori dell'enzima con il substrato e con il prodotto Quello che si forma è il complesso enzima-substrato che poi viene convertito man mano che il substrato si converte in prodotto. Quest'ultimo poi verrà rilasciato durante la reazione per ottenere l'enzima libero e il prodotto isolato.

La funzione dell'enzima è quella di aumentare la velocità di una reazione senza modificarne gli equilibri.

Come avviene questo? Consideriamo una funzione generica, ossia un reagente A che viene convertito in un reagente B (A <== > B). L'equilibrio di questa reazione dipende dalla variazione di energia libera di Gibbs (G) e dunque dipende dalla differenza dell'energia libera dei prodotti e dell'energia libera dei reagenti (GB-GA).

La variazione di energia libera non determina la velocità con la quale viene raggiunto l'equilibrio poiché questa (la velocità) dipende unicamente dall'energia di attivazione. L'energia di attivazione è l'energia libera supplementare che le molecole devono possedere per raggiungere una condizione reattiva nota come stato di transizione.