Enzyme specificity

• Gli enzimi hanno un'elevata specificità sia nei confronti del substrato su cui agiscono, sia nei confronti del tipo di reazione catalizzata.

Specificità di substrato

• La specificità di substrato dipende dal sito attivo dell'enzima.
• Il sito attivo è una piccola regione dell'enzima, dalla configurazione ben definita, dove si trovano le catene laterali degli amminoacidi che partecipano alla catalisi e il coenzima, se presente.
• La specificità di un enzima dipende dalla configurazione spaziale del sito attivo per legare un unico substrato.
• L'interazione tra substrato ed enzima è spiegata dal modello dell'adattamento indotto: l'interazione innesca un cambiamento conformazionale nell'enzima per adattarsi al substrato, formando il complesso enzima-substrato ES.

Specificità di reazione

• La specificità di reazione è legata al tipo di reazione catalizzata: un enzima che catalizza una reazione di idrolisi non può catalizzare una reazione di ossidazione sullo stesso substrato.
• Gli enzimi sono classificati in sei classi in base al tipo di reazione catalizzata, con il nome che include un prefisso indicante il tipo di reazione e il suffisso "-asi".
• Le ossidoreduttasi catalizzano reazioni di ossidazione e riduzione.
• Le transferasi catalizzano il trasferimento di gruppi funzionali tra due molecole.
• Le idrolasi catalizzano reazioni di idrolisi in cui i legami covalenti si rompono con l'aggiunta di acqua.
• Le liasi catalizzano reazioni di rottura di un doppio legame o di formazione di un doppio legame.
• Le isomerasi catalizzano il trasferimento di atomi all'interno di una stessa molecola, formando isomeri.
• Le ligasi catalizzano reazioni di sintesi tra due molecole con formazione di un legame.

Attività enzimatica

• In assenza di enzimi, le reazioni del metabolismo cellulare sarebbero troppo lente per supportare le funzioni metaboliche.
• Gli enzimi aumentano la velocità di reazione diminuendo l'energia di attivazione, quindi l'attività enzimatica è la quantità di substrato trasformato in prodotto per unità di tempo.
• L'attività enzimatica è influenzata da fattori come temperatura e pH, oltre che dalle concentrazioni di enzima e substrato

Effetto della temperatura

• Tutte le reazioni chimiche, incluse quelle enzimatiche, accelerano con l'aumento della temperatura.
• A temperature elevate, i legami che stabilizzano la struttura secondaria e terziaria delle proteine si rompono, causando la denaturazione e la perdita di attività catalitica.
• La velocità aumenta fino al raggiungimento di un valore determinato, al di sopra del quale la velocità diminuisce a causa della progressiva denaturazione dell'enzima.
• La temperatura alla quale corrisponde la massima attività catalitica è chiamata temperatura ottimale.
• Nelle cellule umane, la temperatura ottimale per gli enzimi è di circa 37 °C.
• Per i batteri termofili, che vivono in ambienti caldi, la temperatura ottimale per gli enzimi può arrivare fino a 80 °C.

Effetto del pH

• L'attività catalitica degli enzimi dipende anche dal pH della soluzione, che influenza la conformazione del sito attivo e l'interazione enzima-substrato.
• La maggior parte degli enzimi digestivi ha un pH ottimale tra 6.0 e 8.0.
• La chimotripsina, un enzima pancreatico, è attiva in ambiente basico (pH 7.8).
• La pepsina, prodotta dalle ghiandole gastriche che idrolizza le proteine, ha un pH ottimale di 1.5.
• Il valore del pH della soluzione al quale corrisponde la massima attività catalitica si chiama pH ottimale.

Effetto della concentrazione dell'enzima

• L'attività enzimatica è direttamente proporzionale alla concentrazione dell'enzima, quando il substrato è in eccesso.
• Aumentando la concentrazione dell'enzima, aumentano i siti attivi disponibili per legarsi al substrato.

Effetto della concentrazione del substrato

• All'aumentare della concentrazione del substrato, la velocità di reazione aumenta, raggiunge un valore massimo, e poi rimane costante.
• Quando tutti i siti attivi degli enzimi sono saturati dal substrato, l'enzima è saturo, e la velocità si stabilizza.

Regolazione dell'attività enzimatica

• L'attività degli enzimi può essere modulata per rispondere alle esigenze metaboliche cellulari.
• Altri meccanismi di regolazione sono gli effettori allosterici e gli inibitori enzimatici.

Effettori allosterici

• Gli effettori allosterici sono molecole che si legano, non covalentemente, all'enzima, inducendo un cambiamento conformazionale.
• Gli effettori positivi aumentano la capacità del sito attivo di legarsi al substrato.
• Gli effettori negativi diminuiscono la capacità del sito attivo di legarsi al substrato.
• Un enzima la cui attività è influenzata da un effettore allosterico è chiamato enzima allosterico.

Inibitori enzimatici

• Gli inibitori enzimatici sono molecole che si combinano con gli enzimi interferendo con la loro attività catalitica, e si dividono in irreversibili e reversibili.
• Gli inibitori irreversibili modificano il sito attivo dell'enzima in modo che non possa più legare il substrato, legandosi all'enzima in modo stabile e permanente.
• Un esempio è il diisopropil fluorofosfato (DFP), che inibisce l'acetilcolinesterasi formando un legame covalente con la serina nel sito attivo.
• Gli inibitori reversibili si legano all'enzima, riducendone l'attività catalitica, e si distinguono in competitivi e non competitivi.
• Gli inibitori competitivi hanno una forma simile al substrato, e si legano al sito attivo con legami non covalenti, competendo con il substrato per il legame con l'enzima.
• Gli inibitori non competitivi si legano all'enzima in una regione diversa dal sito attivo, causando un cambiamento conformazionale che impedisce al sito attivo di legarsi al substrato.