Enzimi come bersaglio dei farmaci
Gli enzimi sono proteine che catalizzano le reazioni cellulari, sono cioè in grado di accelerare una
reazione chimica. Sono presenti nelle cellule in piccole quantità, tuttavia sono capaci di eseguire
tutte le trasformazioni associate ai processi della vita. Gli enzimi sono dotati di elevata efficienza
catalitica e di un altrettanto elevato grado di specificità per i substrati.
Oloenzima è il termine che definisce un enzima formato da una proteina inattiva, apoenzima, di alto
peso molecolare, e da una molecola organica inattiva, coenzima o cofattore, di basso peso
molecolare.
Le vitamine costituiscono importanti coenzimi: le vitamine B1 (Tiamina), B2 (Riboflavina), B6
(Piridossina), sono le forme coenzimatiche degli enzimi Carbossilasi, Flavoproteine, Transaminasi.
Alcuni enzimi contengono o richiedono ioni metallici come cofattori: Zn2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+, Cu2+,
K+, sono cofattori di altrettanti enzimi.
Esempi di gruppi prostetici legati all’apoenzima delle Flavoproteine sono il flavin mononucleotide
(FMN) ed il flavin dinucleotide (FAD).
Classificazione degli enzimi
La classificazione e la nomenclatura degli enzimi si basano sul tipo di reazione chimica catalizzata.
Sono 6 le classi in cui vengono suddivisi gli enzimi:
1-Ossidoreduttasi (catalizzano le reazioni di ossidoriduzione)
2-Transferasi (trasferiscono atomi e gruppi funzionali da un substrato ad un altro)
3-Idrolasi (catalizzano la scissione di substrati per idrolisi)
4-Liasi (catalizzano reazioni di addizione di atomi o gruppi ad un doppio legame)
5-Isomerasi (catalizzano reazioni di isomerizzazione)
6-Ligasi o Sintetasi (catalizzano la sintesi di composti con l’intervento dell’ATP)
Meccanismo dell’attività enzimatica
Gli enzimi (E) sono capaci di legare un substrato (S) mediante dei siti attivi presenti sulla superficie
della molecola enzimatica, dando origine al complesso enzima-substrato (E-S) con una reazione
veloce e reversibile. A questo punto si attiva un processo chimico (catalisi) che porta alla
formazione di un complesso enzima-prodotto (E-P) che viene seguito dalla sua scissione con la
separazione dell’enzima (E) e del prodotto (P) secondo una reazione ancora reversibile, ma più
lenta (Fig. 1). In tal modo l’enzima è libero di combinarsi con un’altra molecola di substrato
continuando così il processo.
Il processo di formazione del complesso enzima-substrato è dinamico ed il substrato provoca nella
molecola enzimatica un cambiamento strutturale.
Se esaminiamo l’effetto della variazione della concentrazione del substrato [S] sulla velocità di una
reazione (v) catalizzata da un enzima la cui concentrazione viene tenuta costante, troveremo che a
relativamente basse concentrazioni di substrato la velocità della reazione aumenta in proporzione
alla concentrazione di substrato (Fig. 2). Un ulteriore aumento della concentrazione di substrato
produce aumenti sempre minori di velocità finché si raggiunge il punto oltre il quale la velocità di
reazione rimane costante. A questo plateau della velocità di reazione, chiamato velocità massima
(Vmax), l’enzima è saturato con il suo substrato e non può lavorare più velocemente. Questa
saturazione è presentata da tutti gli enzimi.
La forma caratteristica della curva di saturazione del substrato per un enzima può essere espressa
matematicamente dall’equazione di Michaelis-Menten (Fig. 3), dove v0 è la velocità iniziale della
reazione alla concentrazione del substrato [S], Vmax è la velocità massima, e KM è la costante di
Michaelis definita come la concentrazione di substrato che dà metà della velocità massima.
Inibizione enzimatica
Dallo studio dell’inibizione enzimatica si possono ottenere valide informazioni sulla specificità di
un substrato, sulla natura dei gruppi funzionali del sito attivo, sul meccanismo della catalisi.
Un inibitore selettivo che provoca l’inibizione di un enzima può trasformarsi in un utile farmaco nel
caso di cattiva funzionalità di questo enzima o in presenza di un enzima esogeno potenzialmente
pericoloso (infezione). Da qui la ricerca di inibitori enzimatici selettivi quali possibili farmaci.
Gli inibitori enzimatici possono essere classificati in reversibili ed irreversibili.
Inibitori reversibili competitivi
L’inibizione competitiva (reversibile) si verifica quando l’inibitore compete con il substrato nel
legarsi al sito attivo dell’enzima. Il grado d’inibizione dipende dalle relative concentrazioni
dell’inibitore e del substrato. In genere un inibitore competitivo è simile al substrato nella sua
struttura ma non è capace di dare luogo alla reazione catalitica.
Un esempio classico è quello dell’inibizione dell’enzima succinato deidrogenasi, che catalizza la
rimozione di due atomi di idrogeno dal succinato per dare fumarato (Fig. 4). Questo enzima è
inibito dal malonato, che è simile al succinato per avere due gruppi carbossilici, ma non è capace di
rimuovere gli atomi di idrogeno. Quando l’enzima è inibito dal malonato, il grado di inibizione può
essere diminuito aumentando la concentrazione di succinato. L’inibizione percentuale dell’enzima
dipende dal rapporto delle concentrazioni tra malonato e succinato: più questo rapporto è elevato,
maggiore sarà l’inibizione.
Nell’inibizione competitiva l’enzima (E) si lega reversibilmente con l’inibitore (I) per dare un
complesso enzima-inibitore (E-I) in competizione con la normale reazione con il substrato (S) che
porta alla formazione del complesso enzima-substrato (E-S) (Fig. 5). Poiché l’enzima non può
demolire la molecola dell’inibitore, la presenza di quest’ultimo impedisce ad una frazione
dell’enzima di combinarsi con il substrato per formare i prodotti della reazione.
Inibitori reversibili non competitivi
Nell’inibizione non competitiva (reversibile) l’aumento della concentrazione di substrato non fa
retrocedere l’inibizione. Infatti in questo caso l’inibitore non si lega al sito di legame del substrato
ma piuttosto a qualche altro gruppo della molecola enzimatica che è essenziale per la sua funzione.
Il tipo più comune di inibitore non competitivo è rappresentato dai reagenti chimici che si
combinano reversibilmente con uno ione metallico essenziale richiesto per stabilizzare l’enzima
nella sua conformazione attiva. Per esempio, alcuni enzimi hanno bisogno di legare Mg2+ per essere
attivi. Quando viene aggiunto un agente complessante lo ione Mg2+, questi enzimi sono inibiti. Altro
esempio di inibitore non competitivo è il cianuro, che si combina reversibilmente con un atomo di
ferro di alcuni enzimi che lo contengono, per dare una forma inattiva. Nell’inibizione non
competitiva, l’inibitore forma complessi inattivi sia con l’enzima libero che con il complesso
enzima-substrato.
Inibitori irreversibili
L’inibizione irreversibile di un enzima si verifica quando un suo gruppo funzionale richiesto per
l’attività viene distrutto o modificato. Un esempio di inibitore irreversibile è il composto
diisopropilfluorofosfato (DFP) che inibisce l’enzima colinesterasi che catalizza l’idrolisi degli esteri
della colina. Animali avvelenati da questa sostanza, un ingrediente dei cosiddetti “gas nervini”,
rimangono paralizzati a causa della mancata corretta trasmissione degli impulsi nervosi. Il DFP si
combina con un gruppo ossidrile di un residuo vitale serinico sul sito attivo dell’enzima,
modificandolo, così che non può più causare catalisi (Fig. 6).
Enzimi allosterici
In una cellula la maggior parte degli enzimi funziona in catene sequenziali chiamate “sistemi
multienzimatici”, in cui il prodotto di un enzima diventa il substrato per il prossimo. Ogni sistema
multienzimatico porta avanti un preciso compito metabolico, come la degradazione del glucosio a
lattato o la sintesi di un amminoacido da un semplice precursore. In molti sistemi multienzimatici il
primo enzima della sequenza regola la velocità dell’intero sistema e viene chiamato enzima
regolatorio o allosterico. In genere questo enzima è inibito dal prodotto finale della sequenza,
cosicché qualora il prodotto finale si accumula oltre una certa concentrazione critica, esso inibisce il
primo enzima (regolatorio) nella sequenza, bloccando così quel segmento del metabolismo. Un
esempio è la sequenza multienzimatica che catalizza la conversione di L-treonina a L-isoleucina,
che si compone in cinque passaggi catalizzati dall’enzima (Fig. 7). Il primo enzima della sequenza,
L-treonina deaminasi, è fortemente inibito da L-isoleucina, il prodotto finale della sequenza.
Isoleucina è un inibitore molto specifico; nessun altro intermedio nella sequenza è inibitorio. Questo
tipo di inibizione è conosciuto come “inibizione del prodotto finale” o “feedback inhibition”.
Le proprietà degli enzimi allosterici, come la treonina deaminasi, sono significativamente diverse da
quelle degli enzimi non regolatori. Essi sono in genere di peso molecolare maggiore e contengono
molte subunità. Inoltre possiedono siti di legame non solo per il loro normale substrato, ma anche
per il metabolita regolatorio, che viene chiamato “effettore” o “modulatore”. Il sito di legame per il
modulatore è chiamato “sito allosterico” ed è altamente specifico per quel metabolita. Quando il
sito allosterico è vuoto l’enzima funziona alla sua normale velocità catalitica, quando viene
occupato dal metabolita regolatorio, l’enzima subisce un cambiamento nella sua conformazione in
una forma meno o più attiva, secondo che il modulatore sia di tipo inibitorio o stimolatorio.
Per riassumere:
Gli enzimi sono proteine.
La velocità di reazione iniziale nei confronti della concentrazione del substrato è rappresentata da
una iperbole.
La KM rappresenta la concentrazione di substrato con cui si ottiene la metà della velocità massima.
Quando viene raggiunta la velocità massima, il substrato ha saturato l’enzima.
La v0 è la velocità di reazione enzimatica iniziale.
L’inibitore competitivo si lega allo stesso sito dove si lega il substrato.
Gli enzimi allosterici sono costituiti da più subunità proteiche.
