Gli enzimi sono una molecole proteiche specificatamente destinate ad accelerare la velocità di reazione di un particolare substrato.
Gli enzimi sono infatti denominati catalizzatori biologici e hanno la funzione di aumentare la velocità di una reazione agendo solo sull’aspetto cinetico. Essi infatti abbassano l’energia di attivazione della reazione
Molti enzimi possono trovarsi sotto forma inattiva e essere attivati per la loro azione catalitica da “qualche comando” dell’ambiente circostante. Lo studio degli enzimi consiste quindi nell’isolare e purificare gli enzimi, determinare la loro struttura, e nell’esaminare il loro metodo di azione.
Gli enzimi si possono isolare frazionando la soluzione di proteine solubili che si ottiene distruggendo la cellula. Le diverse frazioni sono analizzate per identificare l’azione dell’enzima osservando in vitro il potere catalitico su reazioni specifiche.
Allo scopo di frazionare gli enzimi si può usare l’ultracentrifuga e, una volta purificati se ne può determinare la sequenza di amminoacidi che li compongono.
Oltre alla determinazione della sequenza di amminoacidi che costituisce la struttura primaria si può ottenere, per gli enzimi più semplici, la struttura terziaria tramite i raggi X.
La maggior parte degli enzimi è costituito da un numero di amminoacidi compreso tra 100 e 400. Generalmente gli enzimi sono identificati con una radice che indica o la loro funzione o il substrato sul quale agiscono, seguita dal suffisso “asi”.
Ad esempio, le ossidoreduttasi catalizzano le reazioni di ossidoriduzione mentre le transferasi servono a trasferire gruppi molecolari.
Studio delle reazioni
Uno dei metodi maggiormente usati nello studio delle reazioni catalizzate da enzimi consiste nell’isolare e purificare i componenti proteici ed i piccoli componenti organici e nel ricostruire da questi componenti un sistema che funzioni in vitro.
La molecola del substrato è debolmente fissata in un punto della superficie enzimatica detto centro attivo. Il centro deve
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- adattarsi stericamente in modo perfetto alla forma della molecola di substrato ( modello chiave-serratura)
- esercitare forze attrattive, specifiche per il substrato, per poter catturare la molecola dalla soluzione e mantenerla nell’orientazione corretta per reagire
- fornire il particolare catalizzatore acido o basico necessario alla reazione
La molecola prodotta dalla reazione non deve rimanere fortemente legata all’enzima in modo da poter rapidamente allontanarsi dopo la reazione stessa
A titolo di esempio citiamo due enzimi di particolare importanza:
Chimotripsina
Nell’intestino superiore e nello stomaco ci sono diversi enzimi che catalizzano l’idrolisi dei legami ammidici trasformando le proteine negli amminoacidi costituenti affinché possano poi essere utilizzati nella sintesi proteica. La parete dello stomaco è coperta da lipidi per cui questi enzimi non possono idrolizzare le proteine che costituiscono la parete stessa.
Quando avviene una rottura nel rivestimento lipidico gli enzimi possono agire anche sulle proteine strutturali provocando l’ulcera. La chimotripsina è tra questi enzimi quello più studiato.
Essa catalizza quindi l’idrolisi, la formazione o l’interconversione degli acidi carbossilici, esteri e ammidi.
Tali reazioni, pur essendo termodinamicamente favorite avvengono con una velocità molto ridotta in assenza dell’enzima. Tuttavia la chimotripsina funziona in modo ottimale solo con amminoacidi aromatici come la fenilalanina e catalizza la scissione idrolitica dei loro legami peptidici nelle proteine.
Lisozima
La lisozima effettua l’importante funzione di idrolizzare alcuni polisaccaridi. Una dettagliata analisi ai raggi X di questa proteina ottenuta allo stato cristallino ha fornito una descrizione tridimensionale dell’enzima.
E’ stato anche studiato un complesso enzima-substrato ciò che ha permesso di vedere distintamente l’enzima con il suo substrato polisaccaridico fissato nel punto che effettua la scissione.
L’enzima ha forma globulare e presenta su un lato una fessura trasversale. Il polisaccaride, di forma lineare si adatta perfettamente alla fessura che può contenere e legare sei unità zuccherine del polimero.
Classificazione
Vi è una classificazione internazionale degli enzimi che sono suddivisi in sei classi principali a loro volta suddivise in sottoclassi secondo il tipo di reazione catalizzata.
Ossidoreduttasi
Le ossidoreduttasi catalizzano le reazioni di ossidoriduzione. Esse, a loro volta, si suddividono in sei sottoclassi a seconda del tipo di reazione catalizzata agendo su:
1) ˃ CH-OH
2) ˃ C=O
3) ˃ C=CH-
4) ˃ CH-NH-
5) NADH e NADPH
Tranferasi
Le transferasi che catalizzano il trasferimento di gruppi funzionali. Esse si suddividono in sei sottoclassi a seconda del gruppo che riescono a trasferire gruppi:
1) a un atomo di carbonio
2) aldeidici o chetonici
3) acile
4) glicosilici
5) fosforici
6) contenenti zolfo
Idrolasi
Le idrolasi che catalizzano le reazioni di idrolisi. Esse si suddividono in cinque sottoclassi a seconda del gruppo che riescono a idrolizzare:
1) Esteri
2) Legami glicosidici
3) Legami peptidici
4) Altri legami C-N
5) Anidridi acide
Liasi
Le liasi che svolgono la loro azione sui doppi legami. Esse si suddividono in tre sottoclassi a seconda del tipo di doppio legame su cui intervengono:
1) ˃ C=C ˂
2) ˃ C=O
3) ˃ C=N-
Isomerasi
Alla quinta classe di enzimi appartengono le isomerasi che catalizzano le reazioni di isomerizzazione.
Ligasi
Alla sesta classe di enzimi appartengono le ligasi che catalizzano la formazione di legami con rottura di ATP. Esse si suddividono in quattro classi a seconda del legame su cui intervengono:
1) C-O
2) C-S
3) C-N
4) C-C