Regolazione allosterica degli enzimi: cooperatività e feedback

Una cellula non può lasciare gli enzimi sempre accesi al massimo: deve accenderli e spegnerli al momento giusto. Uno dei meccanismi più eleganti per farlo è la regolazione allosterica, in cui una molecola che si lega lontano dal sito attivo cambia la forma dell’enzima e quindi la sua attività. È il modo in cui le vie metaboliche si autoregolano.

Vediamo che cosa sono gli enzimi allosterici, come funziona la cooperatività, perché la curva diventa sigmoide, che cos’è il feedback negativo e come la modifica covalente offre un secondo livello di controllo.

Gli enzimi allosterici e il sito regolatorio

Un enzima allosterico ha, oltre al sito attivo, uno o più siti regolatori distinti, ai quali si legano molecole chiamate effettori (o modulatori). Un effettore positivo aumenta l’attività dell’enzima, uno negativo la riduce. Il legame non avviene nel sito attivo, ma a distanza: l’effettore induce un cambiamento di forma (cambiamento conformazionale) che si propaga fino al sito attivo, rendendolo più o meno adatto al substrato. «Allosterico» significa proprio «altro sito».

Subunità multiple e cooperatività

Gli enzimi allosterici sono quasi sempre formati da più subunità, ciascuna con il proprio sito attivo. Questa struttura quaternaria è la chiave della cooperatività: quando il substrato si lega a una subunità, ne modifica la forma e questa modifica si trasmette alle altre subunità, rendendole più affini al substrato. Il legame del primo substrato facilita così quello dei successivi. L’esempio classico, anche se è una proteina di trasporto e non un enzima, è l’emoglobina: il legame del primo ossigeno facilita quello degli altri tre.

La curva sigmoide

La cooperatività cambia la forma della curva di attività. Un enzima michaeliano dà un’iperbole; un enzima allosterico cooperativo dà invece una curva a S (sigmoide). Il significato pratico è importante: nel tratto centrale della sigmoide piccole variazioni di concentrazione di substrato producono grandi variazioni di velocità. L’enzima funziona come un interruttore sensibile, che passa rapidamente da quasi spento a quasi acceso in un intervallo ristretto di concentrazioni. È ideale per il controllo fine delle vie metaboliche.

curva sigmoide (a S) invece dell’iperbole di Michaelis-Menten

Il feedback negativo

Il meccanismo di regolazione più diffuso nelle vie metaboliche è il feedback negativo (o inibizione a feedback): il prodotto finale di una via inibisce il primo enzima della via stessa. Quando il prodotto si accumula a sufficienza, spegne la sua stessa produzione legandosi come effettore negativo all’enzima iniziale; quando il prodotto si consuma, l’inibizione si allenta e la via riparte. È un termostato molecolare che mantiene il prodotto a una concentrazione adeguata senza sprechi.

A → B → C → D  ·  D inibisce il primo enzima (feedback)

Conviene inibire il primo enzima della via, non uno intermedio, per evitare l’accumulo di intermedi inutili: si spegne tutta la catena al punto di partenza. È un principio di economia cellulare che si ritrova ovunque, dalla sintesi degli amminoacidi a quella dei nucleotidi.

La modifica covalente

Accanto alla regolazione allosterica, basata sul legame reversibile di effettori, esiste un secondo grande sistema di controllo: la modifica covalente. Qui l’attività dell’enzima si cambia attaccando o togliendo un gruppo chimico con un legame covalente. La più comune è la fosforilazione: l’aggiunta di un gruppo fosfato (operata da enzimi detti chinasi) accende o spegne l’enzima bersaglio, mentre la rimozione (operata dalle fosfatasi) fa l’opposto. È un interruttore più lento ma più stabile della regolazione allosterica, e sta al centro di moltissime vie di segnalazione ormonale.

I meccanismi di regolazione a confronto

La tabella mette a confronto i principali modi in cui la cellula regola l’attività degli enzimi:

Questi sistemi non si escludono: spesso agiscono insieme sullo stesso enzima, offrendo alla cellula un controllo fine e a più livelli del proprio metabolismo.

Domande frequenti

Che cos’è la regolazione allosterica?

È il controllo dell’attività di un enzima da parte di molecole (effettori) che si legano a siti diversi dal sito attivo. Il legame cambia la forma dell’enzima e quindi la sua capacità di catalizzare: un effettore positivo aumenta l’attività, uno negativo la riduce. È un controllo rapido e reversibile, tipico degli enzimi chiave delle vie metaboliche.

Che cos’è la cooperatività enzimatica?

È il fenomeno per cui, in un enzima a più subunità, il legame del substrato a una subunità facilita il legame alle altre, aumentandone l’affinità. Questo produce una curva di attività a S (sigmoide) invece dell’iperbole classica. La cooperatività rende l’enzima molto sensibile a piccole variazioni di concentrazione di substrato.

Perché la curva degli enzimi allosterici è sigmoide?

Perché la cooperatività tra subunità fa sì che l’enzima passi rapidamente da poco attivo a molto attivo in un intervallo ristretto di concentrazioni di substrato. Nel tratto centrale della curva piccole variazioni di substrato producono grandi variazioni di velocità: l’enzima si comporta come un interruttore sensibile, ideale per il controllo fine del metabolismo.

Che cos’è il feedback negativo?

È il meccanismo per cui il prodotto finale di una via metabolica inibisce il primo enzima della via stessa. Quando il prodotto si accumula, spegne la propria produzione; quando si consuma, l’inibizione si allenta e la via riparte. Inibire il primo enzima evita l’accumulo inutile di intermedi: è un termostato molecolare che regola la quantità di prodotto.

Che cos’è la modifica covalente di un enzima?

È la regolazione dell’attività mediante aggiunta o rimozione di un gruppo chimico con legame covalente, tipicamente un gruppo fosfato. Le chinasi fosforilano l’enzima e le fosfatasi lo defosforilano, accendendolo o spegnendolo. È un controllo più lento ma più stabile di quello allosterico, centrale nelle vie di segnalazione ormonale.