Gli enzimi accelerano le reazioni con fattori di un milione o più (Tabella 8.1). Infatti, la maggior parte delle reazioni nei sistemi biologici non avvengono a tassi percepibili in assenza di enzimi. Anche una reazione semplice come l’idratazione dell’anidride carbonica è catalizzata da un enzima, l’anidrasi carbonica (sezione 9.2). Il trasferimento di CO2 dai tessuti al sangue e poi all’aria alveolare sarebbe meno completo in assenza di questo enzima. Infatti, l’anidrasi carbonica è uno degli enzimi più veloci conosciuti. Ogni molecola di enzima può idratare 106 molecole di CO2 al secondo. Questa reazione catalizzata è 107 volte più veloce di quella non catalizzata. Considereremo il meccanismo della catalisi dell’anidrasi carbonica nel capitolo 9. Gli enzimi sono altamente specifici sia nelle reazioni che catalizzano che nella scelta dei reagenti, chiamati substrati. Un enzima di solito catalizza una singola reazione chimica o un insieme di reazioni strettamente correlate. Le reazioni collaterali che portano alla formazione dispendiosa di sottoprodotti sono rare nelle reazioni catalizzate dagli enzimi, in contrasto con quelle non catalizzate.
Tabella 8.1
Aumento del tasso da parte di enzimi selezionati.
Consideriamo gli enzimi proteolitici come esempio. In vivo, questi enzimi catalizzano la proteolisi, l’idrolisi di un legame peptidico.
La maggior parte degli enzimi proteolitici catalizzano anche una reazione diversa ma correlata in vitro – cioè l’idrolisi di un legame estere. Tali reazioni sono più facilmente monitorabili della proteolisi e sono utili nelle indagini sperimentali di questi enzimi (Sezione 9.1.2).
Gli enzimi proteolitici differiscono notevolmente nel loro grado di specificità del substrato. La subtilisina, che si trova in alcuni batteri, è abbastanza indiscriminata: taglierà qualsiasi legame peptidico con poco riguardo all’identità delle catene laterali adiacenti. La tripsina, un enzima digestivo, è abbastanza specifica e catalizza la scissione dei legami peptidici solo sul lato carbossilico dei residui di lisina e arginina (Figura 8.1A). La trombina, un enzima che partecipa alla coagulazione del sangue, è ancora più specifica della tripsina. Catalizza l’idrolisi dei legami Arg-Gly solo in particolari sequenze peptidiche (Figura 8.1B).
Figura 8.1
Specificità dell’enzima. (A) La tripsina taglia sul lato carbossilico dei residui di arginina e lisina, mentre (B) la trombina taglia specificamente i legami Arg-Gly in particolari sequenze.
L’DNA polimerasi I, un enzima diretto dal modello (Sezione 27.2), è un altro catalizzatore altamente specifico. Aggiunge nucleotidi a un filamento di DNA che viene sintetizzato, in una sequenza determinata dalla sequenza di nucleotidi in un altro filamento di DNA che serve da modello. La DNA polimerasi I è molto precisa nell’eseguire le istruzioni date dal modello. Inserisce il nucleotide sbagliato in un nuovo filamento di DNA meno di una volta su un milione.
La specificità di un enzima è dovuta alla precisa interazione del substrato con l’enzima. Questa precisione è il risultato dell’intricata struttura tridimensionale della proteina dell’enzima.
8.1.1. Molti enzimi richiedono cofattori per l’attività
L’attività catalitica di molti enzimi dipende dalla presenza di piccole molecole chiamate cofattori, anche se il ruolo preciso varia con il cofattore e l’enzima. Un tale enzima senza il suo cofattore è chiamato apoenzima; l’enzima completo e cataliticamente attivo è chiamato oloenzima.
I cofattori possono essere suddivisi in due gruppi: metalli e piccole molecole organiche (Tabella 8.2). L’enzima anidrasi carbonica, per esempio, richiede Zn2+ per la sua attività (Sezione 9.2.1). La glicogeno fosforilasi (sezione 21.1.5), che mobilita il glicogeno per l’energia, richiede la piccola molecola organica piridossal fosfato (PLP).
Tabella 8.2
Cofattori enzimatici.
I cofattori che sono piccole molecole organiche sono chiamati coenzimi. Spesso derivati dalle vitamine, i coenzimi possono essere strettamente o debolmente legati all’enzima. Se strettamente legati, sono chiamati gruppi prostetici. I coenzimi liberamente associati sono più simili a cosubstrati perché si legano e vengono rilasciati dall’enzima proprio come i substrati e i prodotti. L’uso dello stesso coenzima da parte di una varietà di enzimi e la loro fonte nelle vitamine distingue i coenzimi dai normali substrati, tuttavia. Gli enzimi che usano lo stesso coenzima sono di solito meccanicamente simili. Nel Capitolo 9, esamineremo l’importanza meccanica dei cofattori per l’attività enzimatica. Una discussione più dettagliata sulle vitamine dei coenzimi si trova nella Sezione 8.6.
8.1.2. Gli enzimi possono trasformare l’energia da una forma all’altra
In molte reazioni biochimiche, l’energia dei reagenti è convertita con alta efficienza in una forma diversa. Per esempio, nella fotosintesi, l’energia luminosa è convertita in energia di legame chimico attraverso un gradiente ionico. Nei mitocondri, l’energia libera contenuta in piccole molecole derivate dal cibo viene convertita prima nell’energia libera di un gradiente ionico e poi in una valuta diversa, l’energia libera dell’adenosina trifosfato. Gli enzimi possono poi utilizzare l’energia del legame chimico dell’ATP in molti modi. L’enzima miosina converte l’energia dell’ATP nell’energia meccanica della contrazione dei muscoli. Le pompe nelle membrane delle cellule e degli organelli, che possono essere pensate come enzimi che spostano substrati piuttosto che alterarli chimicamente, creano gradienti chimici ed elettrici usando l’energia dell’ATP per trasportare molecole e ioni (Figura 8.2). I meccanismi molecolari di questi enzimi produttori di energia sono in via di definizione. Vedremo nei capitoli successivi come cicli unidirezionali di passi discreti – legame, trasformazione chimica e rilascio – portino alla conversione di una forma di energia in un’altra.
Figura 8.2
Un enzima che trasforma l’energia. La Ca2+ ATPasi usa l’energia dell’idrolisi dell’ATP per trasportare Ca2+ attraverso la membrana, generando un gradiente di Ca2+.
8.1.3. Gli enzimi sono classificati sulla base dei tipi di reazioni che catalizzano
Molti enzimi hanno nomi comuni che forniscono poche informazioni sulle reazioni che catalizzano. Per esempio, un enzima proteolitico secreto dal pancreas è chiamato tripsina. La maggior parte degli altri enzimi sono chiamati per i loro substrati e per le reazioni che catalizzano, con l’aggiunta del suffisso “ase”. Così, una ATPasi è un enzima che scompone l’ATP, mentre l’ATP sintasi è un enzima che sintetizza l’ATP.
Per dare coerenza alla classificazione degli enzimi, nel 1964 l’Unione Internazionale di Biochimica istituì una Commissione per gli enzimi per sviluppare una nomenclatura degli enzimi. Le reazioni furono divise in sei gruppi principali numerati da 1 a 6 (Tabella 8.3). Questi gruppi furono suddivisi e ulteriormente suddivisi, in modo che un numero di quattro cifre preceduto dalle lettere EC per Enzyme Commission potesse identificare con precisione tutti gli enzimi.
Tabella 8.3
Sei classi principali di enzimi.
Consideriamo come esempio la nucleoside monofosfato (NMP) chinasi, un enzima che esamineremo in dettaglio nel prossimo capitolo (Sezione 9.4). Catalizza la seguente reazione:
La NMP chinasi trasferisce un gruppo fosforilico da ATP a NMP per formare un difosfato nucleosidico (NDP) e ADP. Di conseguenza, è una transferasi, o membro del gruppo 2. Molti gruppi oltre ai gruppi fosforilici, come zuccheri e unità di carbonio, possono essere trasferiti. Le transferasi che spostano un gruppo fosforilico sono designate 2.7. Vari gruppi funzionali possono accettare il gruppo fosforilico. Se un fosfato è l’accettore, la transferasi è designata 2.7.4. Il numero finale designa l’accettore in modo più preciso. Per quanto riguarda la NMP chinasi, un monofosfato nucleosidico è l’accettore, e la designazione dell’enzima è EC 2.7.4.4. Anche se i nomi comuni sono usati abitualmente, il numero di classificazione è usato quando l’identità precisa dell’enzima potrebbe essere ambigua.