Effetto del pH sull'attività degli enzimi
Gli enzimi, come le altre proteine, presentano attività massima ad un pH ottimale. A pH diversi alcuni residui amminoacidici si protonano o deprotonano modificando
la struttura del sito attivo e dell'enzima in generale. Questo ne diminuisce o inibisce l'attività catalitica.
Cosa sono gli enzimi?
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Gli enzimi sono i catalizzatori dei sistemi biologici. La parola enzima deriva dal greco ἐν ζύμῳ (en zýmō, nel lievito).[1] La
stragrande maggioranza degli enzimi sono proteine (proteine
enzimatiche). Una piccola minoranza di enzimi sono molecole di RNA.[2] Le molecole di RNA dotate di potere catalitico costituiscono una sottocategoria peculiare degli enzimi chiamata ribozimi (o enzimi a RNA).
Il processo
di catalisi indotto da un enzima (come da un qualsiasi altro catalizzatore) consiste in una accelerazione della
velocità della reazione e quindi in un più rapido
raggiungimento dello stato di equilibrio termodinamico.
Un enzima accelera unicamente le velocità delle reazioni chimiche,
diretta ed inversa (dal composto A al composto B e viceversa), senza
intervenire sui processi che ne regolano la spontaneità.
Il suo ruolo consiste nel facilitare le reazioni attraverso
l'interazione tra il substrato(la molecola o le molecole che partecipano alla reazione) ed il proprio sito attivo (la parte di enzima in cui avvengono le reazioni),
formando un complesso.
Avvenuta la reazione, il prodotto viene allontanato dall'enzima, che
rimane disponibile per iniziarne una nuova. L'enzima infatti non viene
consumato durante la reazione.
Come tutti i catalizzatori, anche gli enzimi permettono una riduzione dell'energia di attivazione (ΔG‡)
di una reazione, accelerando in modo consistente la sua velocità. La
maggior parte delle reazioni biologiche catalizzate da enzimi hanno una
velocità superiore di milioni di volte alla velocità che avrebbero senza
alcun catalizzatore. Come per tutti i catalizzatori, gli enzimi non
sono consumati dalla reazione che catalizzano, né alterano l'equilibrio chimico della reazione.
In ogni caso, la differenza principale degli enzimi dagli altri catalizzatori chimici è la loro estrema specificità di substrato.
Essi infatti sono in grado di catalizzare solo una reazione o
pochissime reazioni simili, poiché il sito attivo interagisce con i
reagenti in modo stereospecifico (è sensibile anche a piccolissime differenze della struttura tridimensionale).
Secondo la banca dati ExplorEnz della IUBMB, sono state individuate finora 4038 reazioni biochimiche catalizzate da enzimi.[3] Tutti gli enzimi sono proteine, ma non tutti i catalizzatori biologici sono enzimi, dal momento che esistono anche catalizzatori costituiti di RNA, chiamati ribozimi.[4]
molecole. Esistono infatti molecole in grado
inibitori enzimatici). Sono note anche
aumentarne l'attività. L'attività può essere anche
influenzata dalla temperatura, dal pH e dalla concentrazione di substrato.
Alcuni enzimi sono utilizzati per fini industriali. La sintesi chimica di
numerosi farmaci, ad esempio, è portata a termine attraverso l'utilizzo
di enzimi. Anche diversi prodotti di uso domestico fanno ampio uso di
enzimi. Diversi detersivi contengono enzimi per velocizzare la degradazione delle proteine e dei lipidi che compongono le macchie. La papaina, enzima estratto dalla papaia, è invece utilizzato in numerosi prodotti per le sue caratteristiche proteolitiche: dall'intenerimento della carne, processo noto già agli indigeni americani, all'utilizzo in applicazioni topiche sulle ferite e sulle cicatrici.
Effetto del pH sull'attività degli enzimi
Gli enzimi, come le altre proteine, presentano attività massima ad un pH ottimale. A pH diversi alcuni residui amminoacidici si protonano o deprotonano modificando la struttura del sito attivo e dell'enzima in generale. Questo ne diminuisce o inibisce l'attività catalitica.
Dal
momento che il controllo dell'attività enzimatica è necessario per
l'omeostasi cellulare, qualsiasi suo malfunzionamento può indurre
risultati patologici.
Mutazioni, sovrapproduzione o sottoproduzione del gene codificante per un enzima può indurre ad esempio una patologia genetica.
L'importanza degli enzimi nei processi cellulari può essere
ulteriormente dimostrata dal fatto che il malfunzionamento di un solo
enzima (su migliaia) è in grado di indurre una patologia seria.
Tale mutazione
genera la perdita di ogni attività enzimatica, con
Inibitori irreversibili
Alcuni inibitori sono in grado di reagire con l'enzima e formare un legame covalente. L'inattivazione così indotta è irreversibile. Esistono diversi composti di questo tipo: una classe importante è quella dei cosiddetti inibitori suicidi, che contano al loro interno
questa classe vengono legati dal sito attivo dell'enzima
intermedio che reagisce in modo irreversibile con
alcuni residui presenti nel sito attivo.
Utilizzi degli inibitori
Gli
inibitori sono spesso utilizzati come farmaci, ma possono agire anche
come veri e propri veleni. In realtà, la differenza tra farmaco e veleno
è esclusivamente una questione di dose del composto:
la maggior parte dei farmaci, infatti, se
somministrati ad
alte dosi può risultare tossica, come
c'è un veleno, e senza un veleno non c'è nulla.[45] Il principio della dose è lo stesso per cui gli antibiotici e
§ Un esempio di inibitore utilizzato come farmaco è l'aspirina, che inibisce l'attività
In molti organismi anche i prodotti degli enzimi possono agire come una sorta di inibitori, attraverso un meccanismo di feedback negativo.
Se un enzima produce troppo prodotto, esso può infatti agire come
inibitore dell'enzima stesso, riducendo o bloccando la produzione di
ulteriore prodotto. Tale meccanismo è molto frequente negli enzimi
coinvolti in pathway metabolici: la esochinasi, ad esempio, è inibita da alte quantità di glucosio-6-fosfato.
Regolazione dell'attività enzimatica
La cellula è in grado di controllare l'attività degli enzimi in almeno cinque modalità principali.
1. Produzione degli enzimi. La trascrizione e la sintesi proteica dei geni relativi agli enzimi sono controllati con i comuni meccanismi che regolano l'espressione genica. In particolare, tale regolazione spesso risponde a stimoli esterni alla cellula. Ad esempio, alcuni batteri possono diventare resistenti agli antibiotici attraverso l'induzione di enzimi ad hoc (ad esempio la resistenza alla penicillina è dovuta all'enzima beta-lattamasi, che genera l'idrolisi dell'anello beta-lattamico che caratterizza la molecola).
2. Compartimentalizzazione degli enzimi.
L'utilizzo di vescicole ed organelli da parte della cellula è
essenziale per permettere lo svolgimento di diversi pathway metabolici
(anche partendo dagli stessi substrati di base). Ad esempio gli acidi grassi sono biosintetizzati da un set di enzimi presenti nel citosol, nel reticolo endoplasmatico e nell'apparato del Golgi, mentre gli stessi acidi grassi sono utilizzati nel mitocondrio, come fonte di energia attraverso la beta ossidazione.[47]
3. Feedback negativo.
I prodotti finali di un pathway metabolico sono spesso inibitori dei
primi enzimi della stessa via metabolica (solitamente quelli che
caratterizzano le reazioni irreversibili), regolando così l'intero flusso della via metabolica. Un tale meccanismo di regolazione è definito a feedback negativo,
perché la quantità di prodotto generato dipende dalla concentrazione
del prodotto stesso.
I meccanismi di feedback negativo sono in grado di
regolare finemente l'attività degli enzimi in base alle necessità della
cellula, permettendo una ottimizzazione della gestione dei metaboliti a
disposizione ed un corretto mantenimento dell'omeostasi.
La chimotripsina, ad esempio, è biosintetizzata in forma inattiva (come chimotripsinogeno) nel pancreas e viene trasportata nell'intestino tenue, dove è attivata. Questo permette all'enzima di non avviare la sua attività proteolitica nel
sito di produzione (nel pancreas, in questo caso), ma solo dove ce n'è
davvero bisogno (nel tubo digerente). Questi tipi di precursori inattivi
sono detti zimogeni.
5. Attivazione in ambienti differenti da quelli di produzione. Un'ultima via di regolazione molto usata è la biosintesi di enzimi attivi solo in condizioni molto differenti. L'emagglutinina del virus dell'influenza, ad esempio, viene attivata solo in seguito ad un notevole cambiamento conformazionale indotto dal contatto con l'ambiente acido dell'endosoma della cellula infettata.
[49] Simile processo subiscono gli enzimi lisosomiali, che vengono attivati solo in presenza del pH acido tipico dell'organello.
