Gli enzimi sono catalizzatori evolutisi in natura per velocizzare e coordinare la moltitudine di reazioni chimiche necessarie a sviluppare e a mantenere la vita. Le reazioni sarebbero troppo lente nelle normali condizioni di un sistema vivente: mezzo acquoso con pH neutro e temperatura tra i 20 e i 40°C. La specie umana ha utilizzato fin dai tempi antichi gli enzimi per la produzione e il mantenimento dei cibi.

Come catalizzatore l’enzima cambia la velocità con cui si raggiunge l’equilibrio, ma non cambia l’equilibrio termodinamico. Questo implica che l’enzima lavori in maniera reversibile. L’accelerazione della velocità di reazione si ottiene abbassando l’energia di attivazione di tutto il processo.

Struttura e funzione degli enzimi

Gli enzimi sono generalmente proteine globulari che in soluzione assumono approssimativamente una conformazione sferica. Il loro peso molecolare può variare da 10.000 a milioni di Dalton. Nei casi più semplici la molecola enzimatica è formata da una singola catena polipeptidica contenente un centinaio di residui amino acidicí. In quelli più complessi, più catene polipeptidiche sono aggregate tra loro.
La disposizione tridimensionale della catena polipeptidica (la cosiddetta struttura terziaria) è alquanto specifica: i singoli residui aminoacidici si vengono a trovare in posizioni ben definite, posizioni che sono indispensabili per l'attività biologica dell'enzima. La struttura terziaria di una catena polipeptidica appartenente ad enzimi costituiti da più catene, costituisce una sottostruttura, in quanto le catene non si compenetrano l'una alle altre, ma formano delle sottounità indipendenti che si aggregano nella forma oligomerica (struttura quaternaria).
Studi di diffrazione ai raggi X di enzimi in forma cristallina forniscono dettagliate informazioni sulla disposizione degli atomi all'interno di una molecola enzimatica: possono essere messe in evidenza interazioni tra gruppi polari (particolarmente frequenti i legami idrogeno) ed interazioni tra gruppi idrofobici che sono responsabili della formazione di zone ordinate all'interno della molecola. Oltre a ciò è possibile determinare le interazioni che si instaurano tra l'enzima e il substrato, cosa questa che ci permette di asserire l'origine chimica dell'effetto catalitico.
Alcuni enzimi esplicano la loro funzione catalitica utilizzando esclusivamente la reattività chimica dei loro residui aminoacidici. Molti enzimi richiedono invece la partecipazione di cofattori che non sono parte della struttura proteica. Questi cofattori sono spesso legati saldamente, anche covalentemente, all'enzima e possono essere ioni metallici o complesse molecole organiche. Se il cofattore viene rimosso, la proteina assume il nome di apoenzima che è privo di attività.

Vediamo ora come interagiscono i substrati con gli enzimi
Sia i substrati, sia i relativi stati di transizione sono legati con molteplici interazioni non covalenti con la superficie dell’enzima. Dal momento che la forza di queste interazioni è fortemente dipendente dalla distanza e dall’angolo di interazione, si possono generare legami altamente selettivi. Per mezzo dei tre punti di attacco si possono discriminare strutture enantiomeriche. Le costrizioni steriche possono aiutare la discriminazione tra strutture molto simili.
Il sito attivo di un enzima si trova spesso in una fenditura o su una superficie piana irregolare.
Il riconoscimento del substrato è un processo dinamico, che non riguarda soltanto l’associazione e la dissociazione del substrato, ma può coinvolgere anche movimenti della catena proteica per adeguarsi al processo di legame con il substrato (induced–fit).
1. Il legame con il substrato cambia la struttura dell’enzima
2. Il legame col substrato induce sottile ma importanti cambi della distribuzione elettronica dell’enzima stessa che permettono la reazione.

Cofattori e coenzimi
Il potenziale chimico delle catene laterali degli amminoacidi che formano le proteine è limitato, per esempio non vi sono efficienti accettori di elettroni. La catalisi enzimatica si avvale quindi quando è necessario di specifici ioni metallici come Zn 2+, Fe 2+ , Co 2+ , Cu 2+ , ed altri.

Accanto agli ioni metallici, cofattori e coenzimi servono ad attivare gruppi e partecipano al processo catalitico.Abbiamo già visto quando abbiamo parlato di vitamine vari cofattori e le reazioni che catalizzano.
I coenzimi e i cofattori agiscono per attacco nucleofilico od elettrofilico sul substrato per iniziare la reazione.
I cofattori sono strettamente legati (legame covalente) alla proteina e possono dare reazioni cicliche durante il processo catalitico ritornando allo stato iniziale alla fine del processo stesso.
Se l’ossigeno è l’accettore di elettroni finale in FAD, FMN, o NADP+, questi cofattori per essere rigenerati richiedono una seconda reazione dove il cosubstrato sia ossigeno.
I coenzimi sono legati in equilibrio associazione /dissociazione agli enzimi e devono essere presenti in concentrazione sufficiente per ottenere la massima attività enzimatica. Alcuni sono rigenerati in ciclo catalitico mentre sono legati all’enzima, come piridossal fosfato o tiamina pirofosfato, cosicché sono sufficienti quantità catalitiche per sostenere la reazione. Altri richiedono una o più reazioni separate con cosubstrati diversi da ossigeno per rigenerare il prodotto di partenza. Questo è vero per NAD(P)+, NAD(P)H, SAM, CoA, ATP ed altri. In questi casi il coenzima è necessario in quantità stechiometriche.

Strutture chimiche di cofattori e coenzimi
NAD e NADP (nicotinamide dinucletide) e le sue forme ridotte sono coinvolti in molte reazione di deidrogenazione all’interno delle cellule. Sono solubili in acqua e possono essere allontanati dall’enzima sia nella forma ridotta che ossidata per partecipare con altri enzimi a reazione di ossido-riduzione.

FAD (flavin nucleotide) e FMN (flavin mononucleotide) son i coenzima di una classe di deidrogenasi chiamate flavoproteine. Il gruppo flavina deriva dalla riboflavina (vitamina B2), la riduzione del FAD (FMN) coinvolge i due atomi di azoto non sostituiti della struttura chiamata isoalloxazina.

Gli enzimi nella catena di trasporto di elettroni trasformano idrogeno in H+ ed e-. Gli elettroni sono poi trasportati da enzimi chiamati citocromo a, b, c, e d.
Questi enzimi sono capaci di accettare un elettrone e di passarlo ad un altro citocromo. L’atomo di ferro è legato con un gruppo eme a, b, c, d ad un coenzima porfirina identico a quello dell’emoglobina, con la differenza che nel citocromo il ferro subisce ossidazione e riduzione.

Il coenzima A (CoA-SH) è una molecola complessa che contiene un gruppo –SH libero. Questo gruppo può reagire con un gruppo carbossilico per formare un tioestere. Nell’acetil coenzima A il legame tioestereo attiva sia il gruppo metilico che il gruppo acetile.

ATP, ADP, e AMP (adenin nucleotide trifosfato, difosfato e monofosfato) sono coenzimi che influenzano la direzione del flusso nei percorsi metabolici. Inoltre ATP funziona come un donatore di fosfato ad altre molecole in reazioni catalizzate da chinasi.

Piridossal fosfato, un derivato della vitamina B6, agisce come coenzima nella transaminazione e nella decarbossilazione.
Nella transamminazione il gruppo aldeidico del piridossal fosfato forma una base di Schiff con il gruppo amminico dell’amminoacido, che è poi convertito in cheto acido. Il piridossal fosfato è a sua volta convertito in piridossammina fosfato che trasferisce il gruppo amminico ad un altro cheto acido per formare il corrispondente amminoacido.

Tutte le reazioni a cui partecipa la tiamina iniziano con la rottura del legame C-C dei composti 2-osso carbonilici e procedono con la formazione di “un’aldeide attivata”. TPP catalizza la decarbossilazione di α−cheto acidi, insieme ad acido lipoico ossidazioni decarbossilative e reazioni di transchetolazione.

Gli enzimi che contengono biotina catalizzano le reazioni di trasferimento di CO2, che sono carbossilazioni, transcarbossilazioni e decarbossilazioni. Il gruppo carbossilico della biotina è legato ad un ε−NH2 della lisina nella catena proteica dell’enzima.

Classificazione degli enzimi
L’ IUB (International Union of Biochemistry) classifica gli enzimi in 6 classi principali in accordo con il tipo di reazioni che catalizzano.
1 Ossidoreduttasi
Appartengono a questa classe:
�� le idrogenasi (trasferimento di uno ione idruro),
�� le ossidasi (trasferimento di elettroni all’ossigeno molecolare),
�� le ossigenasi (trasferimento di ossigeno dall’ossigeno molecolare)
�� le per ossidasi (trasferimento di elettroni al perossido)

2 Transferasi
Trasferiscono gruppi di atomi da un donatore ad un accettare

3 Idrolasi
Idrolizzano legami. Molti enzimi commerciali appartengono a questa classe: proteasi, amilasi, amilasi, lipasi, esterasi ecc.

4 Liasi
Catalizzano rotture non idrolitiche di legami C-C, C-O, C-N attraverso reazioni di eliminazione con formazione di doppi legami e le reazioni inverse di addizione ai doppi legami. Alcuni esempi sono fumarasi, aspartasi, decarbossilasi, deidratasi, aldolasi.

5 Isomerasi
Catalizzano l’isomerizzazione e le reazione di trasferimento all’interno di una molecola. Il più importante enzima di questo gruppo è la glucosio-isomerasi.

6 Ligasi
Catalizzano la formazione di legami covalenti tra due molecole.

Le classi principali sono divise successivamente in sottoclassi e sottogruppi
Il nome sistematico di un enzima è basato sull’equazione della reazione chimica che avviene e il tipo di reazione, seguito dal suffisso asi.
Per accordi internazionali la reazione catalitica è espressa ed identificata da 4 gruppi di numeri secondo il sistema E.C. (enzyme classification).
Facciamo un esempio: un enzima che converte un alcol in aldeide usando NAD come coenzima è classificato come:
ossidoreduttasi classe principale 1
agisce su i gruppi CH-OH sottoclasse 1.1
usa NAD come accettore sottogruppo 1.1.1
alcol: NAD-ossidoreduttasi E.C. 1.1.1.1
L’ultimo numero è il numero seriale di un enzima identificato dai primi tre numeri.