I meccanismi catalitici degli enzimi

Gli enzimi accelerano le reazioni di un fattore che va da 10⁶ a 10¹⁵ rispetto alla reazione non catalizzata. Nessun catalizzatore chimico tradizionale si avvicina a questi valori. La ragione sta nella combinazione di meccanismi catalitici multipli che operano in sinergia in un unico sito attivo evolutivamente affinato. Capire questi meccanismi è capire la chimica della vita.

In questo articolo descriviamo i cinque meccanismi fondamentali della catalisi enzimatica — acido-base, covalente, da metalli, prossimità e stabilizzazione dello stato di transizione — con gli esempi del lisozima e della triade catalitica delle serina proteasi.

Come gli enzimi abbassano l’energia di attivazione

Un enzima non modifica l’energia libera complessiva della reazione (ΔG), né il valore della costante di equilibrio: modifica solo il percorso, offrendo uno stato di transizione con energia libera più bassa. La differenza tra ΔG^‡ della reazione non catalizzata e ΔG^‡ della reazione catalizzata (ΔΔG^‡_cat) è la misura dell’efficienza catalitica. A 25°C, una riduzione di soli 5,7 kJ/mol di ΔG^‡ produce un aumento di velocità di 10 volte; una riduzione di 34 kJ/mol corrisponde a un fattore 10⁶.

Aumento di velocità = e^{ΔΔG‡_cat / RT}

Catalisi acido-base: trasferimento protonico concertato

In soluzione acquosa l’unico catalizzatore acido disponibile è lo ione idronio (H⁺), e il solo catalizzatore basico è OH⁻; la loro concentrazione a pH fisiologico è 10⁻⁷ M, molto bassa. Gli enzimi usano invece catene laterali di aminoacidi come acidi e basi generali: His, Asp, Glu, Lys, Cys e Tyr coprono un intervallo di pK_a che va da ~3,5 a ~10, consentendo la donazione o accettazione di protoni a pH neutro. La ribonucleasi A sfrutta due residui di His (His 12 e His 119) che agiscono in tandem: uno come base, uno come acido, catalizzando l’idrolisi dell’RNA in due tappe.

Catalisi covalente: l’intermedio fugace

Nella catalisi covalente un gruppo nucleofilico dell’enzima attacca il substrato, formando un intermedio covalente enzima-substrato. Il catalizzatore può poi essere rigenerato nella fase successiva. I nucleofili biologici importanti includono il gruppo −OH della Ser, il gruppo −SH della Cys, il gruppo ε-NH₂ della Lys e l’anello imidazolico della His. Anche alcuni coenzimi (TPP, PLP) agiscono da catalizzatori covalenti. Un requisito fondamentale: il nucleofilo deve essere reattivo (buona nucleofilicità) ma anche formare un legame sufficientemente labile da rompersi nella fase successiva.

Catalisi da ioni metallici

Più di un terzo di tutti gli enzimi noti richiede uno ione metallico per funzionare. I metalli catalizzano le reazioni in tre modi principali. Primo: agiscono come acidi di Lewis, attraendo elettroni e stabilizzando cariche negative negli stati di transizione. Secondo: il metallo polarizza una molecola d’acqua coordinata, rendendola più acida (pK_a abbassato) e quindi fonte di OH⁻ nucleofilico anche a pH neutro. Terzo: stabilizzano gli stati di ossidazione intermedi in reazioni redox. L’anidrasi carbonica usa Zn²⁺ tetraedricamente coordinato da tre His; lo ione zinco polarizza una molecola d’acqua, che diventa OH⁻ e attacca la CO₂ a una velocità di 10⁶ reazioni al secondo.

Prossimità e orientamento

Semplicemente legando i substrati nel sito attivo, l’enzima li porta in prossimità e li orienta correttamente per la reazione. In una reazione bimolecolare in soluzione le molecole devono prima collidere e poi trovarsi nel giusto orientamento relativo: eventi improbabili. L’enzima elimina questa alea. Studi su modelli molecolari intramolecolari mostrano che la reazione intramolecolare può essere fino a 10⁸ volte più veloce di quella intermolecolare corrispondente — solo per l’effetto di vicinanza. Una deviazione di 10° dall’orientamento ottimale in una reazione S_N2 riduce significativamente la velocità; l’enzima mantiene substrato e nucleofilo nell’orientamento preciso.

La triade catalitica delle serina proteasi

La triade catalitica Ser−His−Asp è uno dei meccanismi enzimatici meglio caratterizzati. La Ser 195 attacca nucleofilicamente il carbonile del legame peptidico suscettibile. L’His 57 agisce da base generale, estraendo il protone dalla Ser e diventando carica positivamente (imidazolio). L’Asp 102, attraverso un legame idrogeno con l’His, stabilizza elettrostaticamente la carica positiva sull’His, rendendo la base più efficiente. Il risultato è un intermedio acil-enzima covalente. In una seconda tappa, l’acqua viene attivata dalla stessa His 57 (ora come base) per idrolizzare l’intermedio e rigenerare l’enzima. La stessa triade catalitica è stata «inventata» almeno tre volte indipendentemente nel corso dell’evoluzione (evoluzione convergente) — nella chimotripsina, nella subtilisina batterica e nella serina carbossipeptidasi: la natura ha trovato più volte la stessa soluzione ottimale per catalizzare l’idrolisi dei legami peptidici.

Domande frequenti

Come fanno gli enzimi ad accelerare le reazioni di un fattore 10¹⁵?

Combinando più meccanismi nello stesso sito attivo: prossimità e orientamento, catalisi acido-base concertata, catalisi covalente e legame preferenziale dello stato di transizione. Nessun meccanismo singolo produce fattori così grandi; è la sinergia che fa la differenza. L’enzima è essenzialmente un catalizzatore multi-meccanismo ottimizzato da miliardi di anni di evoluzione.

Che cos’è il «buco dell’ossianione» nelle serina proteasi?

È una tasca del sito attivo formata dai gruppi NH dello scheletro peptidico di Gly 193 e Ser 195 che stabilizzano attraverso legami idrogeno l’ossigeno anionico dell’intermedio tetraedrico. Questa stabilizzazione preferenziale dello stato di transizione è responsabile di gran parte del potere catalitico delle serina proteasi. Enzimi privi di questa caratteristica strutturale mostrano attività ridotte di circa 10⁴ volte.

Che cos’è il lisozima e come catalizza la reazione?

Il lisozima è un enzima antibatterico che idrolizza i legami β(1→4) glicosidici nei peptidoglicani della parete batterica. Nel meccanismo attuale, il residuo Glu 35 (protonato, acido generale) rompe il legame glicosidico, mentre Asp 52 (anionico) effettua un attacco nucleofilico covalente sul C1 del frammento glucidico. Il substrato è distorto dalla conformazione a sedia a quella a mezza sedia, facilitando la formazione dello ione ossonio nello stato di transizione. In ogni uovo di gallina sono presenti circa 5 g di lisozima — un sistema di difesa antibatterica di straordinaria efficienza.

Perché gli ioni metallici sono così diffusi come cofattori enzimatici?

Perché estendono enormemente il repertorio chimico disponibile alle proteine: permettono reazioni redox, forniscono OH⁻ nucleofilico a pH neutro, stabilizzano cariche negative negli stati di transizione e coordinano più substrati nella geometria corretta. Più di un terzo di tutti gli enzimi noti richiede un catione metallico; i più comuni sono Zn²⁺, Mg²⁺, Fe^2+/3+, Mn²⁺ e Cu²⁺.

Che cos’è un analogo dello stato di transizione?

È una molecola che assomiglia geometricamente ed elettronicamente allo stato di transizione della reazione catalizzata, ma è resistente alla catalisi. Poiché l’enzima lega lo stato di transizione con affinità superiore al substrato, gli analoghi dello stato di transizione sono potenti inibitori competitivi. Questa è la base razionale per la progettazione dei farmaci: se si conosce la struttura dello stato di transizione, si può progettare una molecola stabile che lo imiti e blocchi l’enzima.