Idrossilasi

Le idrossilasi sono enzimi appartenenti alla classe delle ossidoreduttasi che catalizzano le reazioni di idrossilazione in cui un gruppo -C-H viene ossidato a gruppo -COH che costituisce il primo stadio della degradazione ossidativa aerobica.

Le idrossilasi, insieme alle perossidasi, reduttasi, deidrogenasi, ossidasi e ossigenasi sono sottoclassi delle ossidoreduttasi, classe di enzimi che catalizzano le reazioni di ossidoriduzione ovvero quelle reazioni in cui una specie detta riducente cede elettroni a una specie detta ossidante.

Tra le ossidoreduttasi le ossidasi sono enzimi coinvolti quando l’ossigeno molecolare funziona come destinatario di idrogeno o elettroni durante il processo di ossidazione mentre le deidrogenasi sono enzimi che facilitano l’ossidazione trasferendo l’idrogeno da un substrato ad un accettore. Le perossidasi sono enzimi presenti principalmente all’interno dei perossisomi e facilitano la riduzione del perossido di idrogeno.

Le idrossilasi sono enzimi che svolgono un ruolo nell’aggiunta di gruppi ossidrile (-OH) a substrati specifici. Le ossigenasi sono enzimi che introducono atomi di ossigeno dall’ossigeno molecolare nei substrati organici. Le reduttasi facilitano le riduzioni delle reazioni chimiche e tipicamente hanno la capacità di comportarsi in modo simile alle ossidasi.

Idrossilazione delle proteine

L’idrossilazione delle proteine ​​è una modificazione post-traduzionale fondamentale per l’integrità strutturale e la diversità funzionale delle proteine ​​negli organismi viventi che comporta l’aggiunta enzimatica di gruppi ossidrile (-OH) ad amminoacidi, tipicamente la prolina e la lisina, all’interno di una proteina. La reazione di idrossilazione, catalizzata dalle idrossilasi, richiede ossigeno e vari cofattori per facilitare l’aggiunta di gruppi idrossilici agli amminoacidi.

Gli enzimi coinvolti nell’idrossilazione delle proteine sono le prolilidrossilasi che colpiscono principalmente i residui di prolina e la loro attività è fondamentale per la produzione e la stabilità del collagene e le lisilidrossilasi coinvolte nell’idrossilazione della lisina, contribuendo alla stabilità e alla funzionalità delle proteine.

L’idrossilazione delle proteine ad opera delle idrossilasi è un processo biochimico che coinvolge diversi stadi che comprendono il riconoscimento enzimatico. Le idrossilasi identificano specifici residui di amminoacidi all’interno delle proteine ​​come loro substrati e richiedono cofattori per facilitare la reazione di idrossilazione come lo ione Fe²⁺che è il cofattore più importante per molte idrossilasi necessario a convertire per via enzimatica l’ossigeno molecolare  in gruppi ossidrile (-OH).

La reazione di idrossilazione prevede l’inserimento di un atomo di ossigeno nella catena laterale dell’amminoacido bersaglio. Questo stadio si basa sia sulla presenza dell’amminoacido substrato che del cofattore ferro all’interno del sito attivo dell’idrossilasi.

L’amminoacido idrossilato contribuisce alla stabilità e alla funzione delle proteine: nel caso dell’idrossilazione della prolina, essa svolge un ruolo centrale nella creazione di triple eliche stabili di collagene, garantendo l’integrità strutturale dei tessuti mentre l’idrossilazione della lisina può influenzare le interazioni proteina-proteina e la segnalazione cellulare.

Prolil idrossilasi

La procollagene-prolina diossigenasi , comunemente nota come prolil idrossilasi , è un membro della classe delle idrossilasi alfa-chetoglutarato-dipendenti. Questi enzimi catalizzano l’incorporazione dell’ossigeno nei substrati organici attraverso un meccanismo che richiede acido alfa-chetoglutarico , Fe²⁺ e ascorbato, base coniugata dell’acido ascorbico noto come vitamina C.

La prolil idrossilasi catalizza la formazione di idrossiprolina, amminoacido non essenziale e non proteinogenico tra i più diffusi nelle proteine ​​animali come collagene ed elastina.  Insieme alla prolina e alla glicina è presente nel collagene costituendo il 57% degli amminoacidi totali.

È  prodotta come modificazione post-traduzionale per idrossilazione dell’amminoacido prolina da parte dell’enzima prolil idrossilasi che utilizza la vitamina C come cofattore.
Tale enzima catalizza la reazione:
procollagene L-prolina + 2-ossoglutarato + O₂ ⇄ procollagene trans-4-idrossi-L-prolina + succinato + CO₂

Poiché la prolil idrossilasi richiede l’ascorbato come cofattore per funzionare, la sua assenza compromette l’attività dell’enzima. La conseguente diminuzione dell’idrossilazione porta alla condizione patologica nota come scorbuto.

Descritta per la prima volta nel 1550 a.C. nel papiro Ebers, dopo essere stata segnalata tra soldati e marinai che avevano un accesso minimo a frutta e verdura, la carenza di vitamina C, nota anche come scorbuto, è una malattia antica che  decimò gli esploratori europei e britannici del Rinascimento.

Acido ascorbico 

L’acido ascorbico, contenuto in  frutta e verdura fresca come agrumi, pomodori, broccoli, fragole, cavoli, patate, peperoni, cavolfiori e spinaci è un agente riducente reversibile che agisce come donatore di elettroni essenziale in diverse reazioni biochimiche e attività enzimatiche.

Tra i processi biologici in cui è coinvolto vi è la sintesi del collagene. I residui di prolina e lisina nella struttura del collagene devono essere idrossilati enzimaticamente per produrre il collagene presente nella pelle, nei vasi sanguigni e nei tessuti molli.

La prolil idrossilasi e la lisil idrossilasi sono enzimi che catalizzano le reazioni, generando rispettivamente idrossiprolina e idrossilisina. Questa reazione utilizza l’acido ascorbico come donatore di elettroni. L’incapacità di completare questa fase della sintesi del collagene ha effetti negativi sulle funzioni delle ossa e dei fibroblasti, sullo sviluppo dei denti e sulla guarigione delle ferite.