Con il termine “enzima” (in inglese “enzyme“) in campo medico si identifica per definizione un catalizzatore dei processi biologici (biocatalizzatore). Il processo di catalisi indotto da un enzima (come da un qualsiasi altro catalizzatore positivo) consiste in un aumento della velocità di reazione e quindi in un più rapido raggiungimento dello stato di equilibrio termodinamico. Quasi tutti gli enzimi sono proteine, solo una minoranza sono “ribozimi”, cioè enzimi a RNA.

Funzioni di un enzima

A cosa servono gli enzimi? Essendo un catalizzatore, un enzima ha funzione di aumentare la velocità di una reazione chimica diretta e inversa (dal composto A al composto B e viceversa), senza intervenire sui processi che ne regolano la spontaneità. In altre parole, gli enzimi agiscono dal punto di vista cinetico (velocità) senza modificare la termodinamica del processo.

Specificità

Gli enzimi presentano generalmente una notevole specificità per la reazione catalizzata e per i substrati coinvolti. Tale specificità è legata a diversi fattori che caratterizzano l’associazione tra il substrato e il sito attivo, come la complementarità dal punto di vista strutturale, le cariche elettriche, la natura idrofila o idrofoba. Gli enzimi mostrano spesso livelli elevatissimi di stereospecificità, regioselettività e chemoselettività.

Meccanismo di azione

Un enzima raggiunge il suo obiettivo mediante la riduzione dell’energia di attivazione: la spontaneità di una reazione è infatti legata strettamente all’energia d’attivazione e l’enzima, abbassando tale soglia, velocizza la reazione. Un enzima facilita una reazione 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. Dopo che la reazione è avvenuta, il prodotto viene allontanato dall’enzima, che rimane disponibile per iniziarne una nuova (l’enzima non viene infatti consumato durante la reazione).

Cofattori

Molti enzimi contengono molecole non proteiche che partecipano alla funzione catalitica. Queste molecole, che si legano spesso all’enzima nelle vicinanze del sito attivo, vengono definite cofattori. Combinandosi con la forma non attiva dell’enzima (apoenzima), esse danno origine a un enzima cataliticamente attivo (oloenzima). Queste molecole spesso vengono divise in due categorie sulla base della natura chimica: i metalli e i coenzimi (piccole molecole organiche). Sulla base del legame con l’enzima, invece, si distinguono i gruppi prostetici ed i cosubstrati:

• gruppi prostetici: sono di solito strettamente legati agli enzimi, generalmente in modo permanente;
• cosubstrati: sono legati più debolmente agli enzimi (una singola molecola di cosubstrato a volte può associarsi successivamente con enzimi diversi) e servono come portatori di piccole molecole da un enzima a un altro.

La maggior parte delle vitamine, composti che gli esseri umani e altri animali non sono in grado di sintetizzare autonomamente, sono cofattori (o precursori di cofattori).

Funzioni biologiche specifiche

Attraverso i meccanismi di azione appena spiegati, gli enzimi portano a termine una gran quantità di funzioni specifiche all’interno degli organismi viventi:

• Una delle caratteristiche più importanti degli enzimi è la possibilità di lavorare in successione, creando un pathway metabolico. Nei pathway, ogni enzima utilizza il prodotto della reazione precedente come substrato. È la presenza degli enzimi a determinare i passaggi del pathway: senza enzimi, il metabolismo non passerebbe attraverso gli stessi passaggi e non sarebbe in grado di generare prodotti a una velocità sufficiente per le esigenze della cellula. Ad esempio, un pathway come la glicolisi non potrebbe esistere in assenza degli enzimi che la compongono. Il glucosio, ad esempio, è in grado di reagire direttamente con l’adenosintrifosfato (ATP) per essere fosforilato su uno o più carboni, ma in assenza di enzimi questo avverrebbe a velocità tanto ridotte da essere insignificante. La rete del metabolismo cellulare dipende dunque dal set di enzimi funzionali presenti.
• Un’altra importante funzione degli enzimi è correlata alla digestione negli animali. Enzimi come le amilasi e le proteasi sono in grado di ridurre le macromolecole (nella fattispecie amido e proteine) in unità semplici (maltosio e amminoacidi), assorbibili dall’intestino. In alcuni casi gli enzimi necessari alla digestione possono essere prodotti da organismi ospiti del tubo digerente: nei ruminanti, ad esempio, la cellulasi necessaria alla degradazione della cellulosa è prodotta da alcune specie batteriche.
• Essi sono anche fondamentali per la trasduzione del segnale e la regolazione dei processi cellulari. In particolare, questi processi sono coordinati solitamente da chinasi e fosfatasi.^[14]
• Gli enzimi sono anche in grado di generare movimento, come avviene ad esempio con la miosina, che idrolizza l’ATP generando la contrazione muscolare o con il trasporto di molecole nei vari dipartimenti cellulari attraverso il citoscheletro.^[15]
• Altre ATPasi, localizzate presso le membrane cellulari, sono le pompe ioniche, coinvolte nel trasporto attivo.
• I virus contengono numerosi enzimi che permettono loro di infettare le cellule. Tra di essi figurano le integrasi e le retrotrascrittasi.

Classificazione degli enzimi in base al tipo di reazione catalizzata

La classificazione degli enzimi si basa sul tipo di reazione che essi catalizzano e su questo criterio si hanno sei gruppi di enzimi:
Gruppo di enzimi	Reazione catalizzata	Esempi
Ossidoreduttasi	Trasferimento di idrogeno e ossigeno o di elettroni da un substrato all’altro	Deidrogenasi Ossidasi
Transferasi	Trasferimento di un gruppo specifico da un substrato all’altro	Transaminasi Chinasi
Idrolasi	Idrolisi di un substrato	Esterasi Enzimi digestivi
Isomerasi	Variazione della forma molecolare del substrato	Fosfoesosoisomerasi Xilosio isomerasi
Liasi	Rimozione di un gruppo o addizione di un gruppo a un substrato attraverso processi differenti da idrolisi e ossidazione	Decarbossilasi Aldolasi
Ligasi	Unione di due molecole con formazione di nuovi legami	DNA ligasi

Ossidoreduttasi

Appartengono a questa classe tutti gli enzimi che catalizzano reazioni di ossidoriduzione ovvero reazioni che avvengono con trasferimento di elettroni da un riducente ovvero una specie donatore di elettroni o di idrogeno a un’altra detta ossidante ovvero un accettore di elettroni. Un esempio di reazione catalizzata dalle ossidoreduttasi è:

A^– + B → A + B^–

In particolare le deidrogenasi catalizzano il distacco di una coppia di atomi di idrogeno da un substrato specifico e il loro trasferimento a un composto accettore mentre le ossidasi esercitano un’azione ossidante.

Transferasi

Appartengono a questa classe tutti gli enzimi che catalizzano il trasferimento di un gruppo come, ad esempio, il gruppo metilico, fosfato acile, acetile, amminico, glicosidico, da un substrato detto donatore a un altro detto accettore. Un esempio di reazione catalizzata dalle transferasi è:

A–X + B → A + B–X

In cui il gruppo X viene trasferito da A a B con rottura del legame A-X e formazione del legame B-X. Le transaminasi o aminotransferasi catalizzano la reazione di trasferimento del gruppo amminico da un amminoacido ad un α-chetoacido. Le chinasi catalizzano il trasferimento del gruppo fosfato da molecole donatrici ad alta energia come l’ATP a specifici substrati in un processo definito fosforilazione.

Idrolasi

Appartengono a questa classe tutti gli enzimi che catalizzano l’idrolisi di un legame chimico. Un esempio di reazione catalizzata dalle idrolasi è:

A-B + H₂O → A-OH + B-H

A seconda del substrato sul quale agiscono le idrolasi sono suddivise in base al substrato sul quale agiscono come ad esempio la proteasi che catalizzano il legame peptidico e le ammidoidrolasi che catalizzano la scissione delle ammidi.

Esterasi

Le esterasi catalizzano la reazione di idrolisi del legame estereo:

R-CO-O-R’ + H₂O ⇄ R-COOH + R’-OH

Enzimi digestivi

I principali enzimi digestivi sono amilasi, lipasi, fosfolipasi, e proteasi.

Isomerasi

Sono enzimi che catalizzano reazioni di trasformazione di una molecola in un suo isomero per trasferimento di gruppi all’interno della molecola stessa. Le isomerasi catalizzano dunque reazioni come:

A → B

Alle isomerasi appartengono gli enzimi che in alcune specie batteriche che catalizzano la trasformazione dei D-α-amminoacidi nei corrispondenti L-α-amminoacidi e viceversa.

La fosfoesosoisomerasi è un enzima che interviene nella glicolisi e catalizza l’isomerizzazione di esosofosfati come, ad esempio, la trasformazione del glucosio-6-fosfato in fruttosio-6-fosfato o viceversa.

La xilosio isomerasi è un enzima inizialmente identificato come glucosio isomerasi per la sua capacità di catalizzare l’isomerizzazione del glucosio in fruttosio.

Liasi

Sono enzimi che catalizzano reazioni in cui vi è la rottura di diversi legami chimici in processi diversi rispetto all’idrolisi e all’ossidazione spesso con formazione di un nuovo doppio legame. Le liasi catalizzano dunque reazioni come la seguente:

ATP → cAMP + PP

Essendo ATP l’adenosintrifosfato e l’cAMP l’adenosina monofosfato ciclico.

Le liasi possono agire sui legami carbonio-carbonio, carbonio-azoto, carbonio-zolfo, carbonio-alogeno.

Le decarbossilasi catalizzano la reazione di decarbossilazione con rimozione dalla molecola di un acido organico di un gruppo carbossilico, reazione tipica nel metabolismo degli organismi viventi.

L’aldolasi è un enzima che catalizza la scissione del fruttosio-1,6-difosfato in fosfodiossiacetone e 3-fosfogliceraldeide nel corso della glicolisi.

Ligasi

Sono enzimi che catalizzano reazioni che comportano la formazione del legame tra due molecole in modo da formarne una nuova. Le ligasi catalizzano dunque reazioni come la seguente:

A + B → A-B

A questa categoria di enzimi appartiene la DNA ligasi che catalizza la reazione di unione di due frammenti di DNA che hanno subito una rottura a doppio filamento.

Classificazione EC

La classificazione EC è un sistema di categorizzazione degli enzimi attraverso un cosiddetto numero EC (Enzyme Commission). Tale commissione si occupa di costruire una classificazione numerica sulla base della reazione chimica catalizzata da un determinato enzima. Ogni enzima viene dunque associato a un numero e a un nome raccomandato (spesso diverso da quello comunemente usato). Il codice associato a ogni enzima consiste delle lettere “EC” seguite da quattro numeri separati da punti. Tali numeri rappresentano una classificazione via via più fine dell’enzima. Per esempio, l’enzima tripeptide aminopeptidasi ha il codice “EC 3.4.11.4”, i cui componenti indicano:

• EC 3: enzimi della famiglia delle idrolasi, enzimi che usano una molecola di acqua per rompere altre molecole (il primo numero identifica la reazione catalizzata dall’enzima);
• EC 3.4: idrolasi che agiscono su un legame peptidico (il secondo numero identifica il tipo di substrato);
• EC 3.4.11: idrolasi che agiscono solo sull’amminoacido N-terminale di un peptide (il terzo numero identifica il tipo di substrato);
• EC 3.4.11.4: idrolasi che agiscono solo sull’amminoacido N-terminale di un tripeptide (il quarto è un numero d’ordine e segna l’ordine di scoperta degli enzimi).

I sei gruppi EC

Gruppo	Reazione catalizzata	Reazione tipica	Enzimi tipici (nome comunemente usato)
EC 1 Ossidoreduttasi	Reazioni di ossidoriduzione; trasferimento di atomi di idrogeno e di ossigeno, o di elettroni da una molecola a un’altra	AH + B → A + BH (ridotta) A + O → AO (ossidata)	Deidrogenasi, ossidasi
EC 2 Transferasi	Trasferimento di un gruppo funzionale da un substrato a un altro. Può trattarsi, ad esempio, di un gruppo metilico, aminico, fosfato.	AB + C → A + BC	Transaminasi, chinasi
EC 3 Idrolasi	Formazione di due prodotti a partire da un substrato attraverso una idrolisi	AB + H2O → AOH + BH	Lipasi, amilasi, proteasi
EC 4 Liasi	Addizione o rimozione non-idrolitica di gruppi funzionali dal substrato. Possono essere rotti legami C-C, C-N, C-O o C-S	RCOCOOH → RCOH + CO2	Decarbossilasi
EC 5 Isomerasi	Riarrangiamento intramolecolare, come la modificazione di conformazione di una molecola in seguito a reazioni di isomerizzazione	AB → BA	Isomerasi, mutasi
EC 6 Ligasi	Unione di due molecole attraverso la costituzione di nuovi legami covalenti di tipo C-O, C-S, C-N o C-C, con la rottura simultanea di ATP	X + Y+ ATP → XY + ADP + Pi	Sintetasi, polimerasi

Un numero EC non indica uno specifico enzima, ma una specifica reazione, a cui vengono associati i vari enzimi in grado di catalizzarla. Se differenti enzimi (ad esempio di differenti organismi) catalizzano la stessa reazione, infatti, ricevono lo stesso numero EC.

Patologie

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. Per ogni enzima esiste una patologia da malfunzionamento presente solitamente in percentuali di popolazione tale da renderle le tipiche patologie rare (tipicamente caratterizzate da ritardo mentale, qualora non sia possibile evitare l’assunzione alimentare dei substrati di quell’enzima o ciò sia stato fatto troppo tardi); eccezione per gli enzimi il cui malfunzionamento è incompatibile con la vita stessa che perciò nel caso di mutazione o affioramento del gene recessivo il concepimento è abortito sul nascere. Un esempio classico è la fenilchetonuria, patologia causata dalla mutazione di un solo amminoacido nel gene per la fenilalanina idrossilasi, che catalizza il primo step nella conversione della fenilalanina a tirosina, essenziale per evitare all’organismo gli effetti tossici dovuti all’accumulo ematico di fenilalanina. Tale mutazione genera la perdita di ogni attività enzimatica, con conseguenze neurologiche gravi, tra cui un importante ritardo mentale.

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Dott. Emilio Alessio Loiacono
Medico Chirurgo
Direttore dello Staff di Medicina OnLine

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