MODULO 2 – ENZIMI CARATTERISTICHE ... - life and fitness

MODULO 2 – ENZIMI
CARATTERISTICHE GENERALI
Introduzione
L’elevatissimo numero di reazioni chimiche, che in ogni istante avvengono all’interno e all’esterno delle
cellule che costituiscono i nostri tessuti e quelli di tutti gli esseri viventi, non potrebbero avere luogo alle
condizioni di temperatura, pressione e pH fisiologici, se non esistessero gli enzimi.
Gli enzimi sono biocatalizzatori, ovvero proteine che hanno lo specifico compito di accelerare le
trasformazioni chimiche. Questa loro proprietà li rende fulcro principale dei meccanismi che regolano i
diversi percorsi metabolici. Lo studio degli enzimi ha quindi un’importanza notevole per la comprensione
dei processi biochimici che stanno alla base della vita. Al tempo stesso deficienze funzionali o quantitative
di enzimi sono spesso causa di stati patologici. Ne consegue che il loro dosaggio in campioni biologici,
quali plasma o biopsie tessutali, è frequentemente un ausilio diagnostico fondamentale. Infine è
importante ricordare che l’azione di numerosissimi farmaci si esplica attraverso l’interazione con enzimi.
Obiettivi
In questa unità verranno presentate:
le proprietà generali degli enzimi,
la rilevanza degli enzimi in medicina.
Classificazione
Nell’uomo e nella maggior parte degli organismi viventi avvengono in ogni istante numerosissime reazioni
chimiche che possono procedere ad una velocità biologicamente significativa (ovvero compatibile con la
vita) solo grazie alla presenza di catalizzatori biologici denominati enzimi.

Si tratta, nella maggior parte dei casi, di molecole di natura proteica dotate di potere catalitico, ovvero
capaci di aumentare la velocità di reazione delle trasformazioni chimiche, senza subire modificazioni. Al
termine della trasformazione l’enzima si ritrova immutato rispetto alle condizioni di partenza e pronto per
ripetere la propria funzione. Tale attività dipende dalla conformazione proteica dell'enzima e si
caratterizza per l’elevata specificità nei confronti del substrato e della reazione catalizzata. Attraverso la
regolazione dell’attività enzimatica le cellule, i tessuti e gli organismi decidono quali reazioni debbano
avvenire o quanto velocemente debbano procedere.
Il crescente numero degli enzimi conosciuti ha reso necessaria l’introduzione di una nomenclatura e di una
classificazione sistematica, in sostituzione di quella tradizionale. Questa generalmente attribuiva a ciascun
enzima un nome basato sulla natura del substrato e del processo chimico catalizzato, utilizzando il
suffisso -asi (es.: lattato deidrogenasi o glucosio ossidasi). La commissione per gli Enzimi (EC) dell’Unione
Internazionale di Biochimica ha distinto gli enzimi in sei classi principali, poi suddivise ulteriormente in
sottoclassi e sottosottoclassi in base al tipo di reazione catalizzata. Distinguiamo così:
(1) le ossidoreduttasi, che catalizzano il trasferimento di equivalenti riducenti tra due coppie redox,
(2) le trasferasi, per il trasferimento di gruppi di atomi da un donatore ad un accettore,
(3) le idrolasi, per il trasferimento di gruppi all’acqua,
(4) le liasi, che catalizzano la scissione o formazione di legami chimici (spesso doppi),
(5) le isomerasi, che mediano l’interconversione di isomeri come CIS TRANS o L D,
(6) le ligasi, che mediano reazioni di condensazione tra due molecole con accoppiata l’idrolisi di ATP o di
un trifosfato simile.
Gli enzimi catalizzano reazioni chimiche in cui una o più molecole, dette substrato/i, vengono trasformate
in altre molecole, dette prodotto/i. Molto spesso l’attività degli enzimi dipende dalla presenza di
componenti chimici addizionali chiamati cofattori; può trattarsi di ioni inorganici quali Fe 2+ , Mg 2+ o Zn 2+
oppure di molecole più complesse e di natura organica, più propriamente definite coenzimi. Quando tali
cofattori o coenzimi sono legati stabilmente all’enzima vengono anche definiti gruppi prostetici. Nel caso
di enzimi coniugati a cofattori/coenzimi, il termine di apoenzima definisce la porzione proteica dell’enzima
stesso, mentre quello di oloenzima indica il complesso funzionale nella sua completezza.

Coenzimi
I coenzimi sono molecole importanti ed essenziali per l’attività di molti enzimi, specie di quelli che
catalizzano il trasferimento di elettroni o gruppi di atomi da una molecola all’altra. I coenzimi sono
molecole organiche, spesso derivate da vitamine del gruppo B o dall’adenosinmonofosfato (AMP), che
partecipano attivamente alle trasformazioni chimiche catalizzate dall’enzima. A differenza dell’enzima, che
rimane immutato al termine della reazione chimica, il coenzima può essere considerato un secondo
substrato che subisce trasformazioni opposte a quelle del substrato principale. Per esempio, nella catalisi
di una reazione di ossidoriduzione, quando una molecola di substrato viene ossidata, una molecola di
coenzima viene ridotta. Oppure, nelle reazioni di trasferimento di gruppi funzionali, il coenzima può
fungere da accettore finale o da trasportatore intermedio.
Le modifiche subite dal coenzima nel corso di una reazione chimica fanno sì che esso non possa essere
disponibile per una nuova reazione senza essere prima riportato (attraverso altre reazioni chimiche) allo
stato iniziale.
L’Interazione enzima-substrato
Specificità
Le caratteristiche fondamentali degli enzimi sono quelle di poter esercitare un’attività catalitica, con
specificità elevata per reagenti e prodotti. Punto essenziale dell’omeostasi cellulare è il fatto che l’attività
enzimatica può essere sottoposta a regolazioni estremamente fini e puntuali. L’azione catalitica (potere
catalitico) degli enzimi si esplica attraverso la creazione di un microambiente specifico in cui una
determinata reazione risulta essere energicamente favorita. Alla base di tale fenomeno sta l’interazione
diretta e specifica tra substrato/i ed enzima, più eventuali coenzimi. La porzione della molecola
enzimatica che media il riconoscimento specifico del substrato viene definita sito attivo o sito di legame
del substrato.

Esso occupa una parte relativamente piccola della molecola enzimatica ed è generalmente una sorta di
cavità o fenditura in cui si adatta il substrato. La superficie di questa sorta di tasca è rivestita da residui
aminoacidici che derivano da parti diverse e solitamente non consecutive della struttura primaria della
proteina. Tali residui partecipano con i loro atomi e gruppi funzionali all’interazione con il substrato e/o
alla formazione/rottura di legami chimici; sono perciò detti gruppi catalitici.
Complementarietà E/S
Il riconoscimento enzima/substrato con formazione del complesso ES (enzima/substrato) è mediato da
attrazioni deboli, quali le interazioni elettrostatiche, legami idrogeno, forze di Van der Waals e
interazioni idrofobiche.

Solo una perfetta complementarietà tra substrato e sito attivo fa sì che il numero di tali interazioni sia
elevato e determini una significativa stabilità del complesso ES.
Da ciò deriva l’assoluta specificità dell’interazione tra i due componenti e del tipo di trasformazione che si
realizza. Tale specificità è così elevata che anche gli stereoisomeri sono discriminati dagli enzimi. Per
esempio, gli enzimi della glicolisi riconoscono come substrati i D-fosfozuccheri, ma non gli L-fosfozuccheri.
Modello chiave serratura
Un enzima è quindi caratterizzato da un assoluta specificità di reagente e di reazione. Il modello della
chiave e della serratura descrive visivamente la specificità dell’interazione tra sito attivo (serratura) e
reagente (chiave).

Tale modello prevede l’esistenza di una perfetta complementarietà tra le due componenti anche quando
sono fisicamente separate l’una dall’altra.
Modello adattamento indotto
Una rappresentazione alternativa che meglio descrive la realtà dinamica di alcuni complessi ES è quella che
prevede un adattamento reciproco delle due componenti in gioco. Tale modello (adattamento indotto)
prevede che, dopo un primo riconoscimento più debole, l’interazione possa essere rafforzata per intensità
e specificità tramite minimi spostamenti di alcuni atomi costituenti il sito attivo dell’enzima e la porzione
interagente del substrato, con conseguente cambiamento della forma complessiva dei due componenti e
raggiungimento della perfetta complementarietà.
Come ben illustrato nella figura successiva, il modello chiave serratura prevede che sito di riconoscimento
del substrato sull’enzima e substrato (o parte di esso) corrispondano perfettamente l’uno all’altro; al
contrario, nel modello dell’adattamento indotto, la complementarietà tra i due componenti è inizialmente

approssimativa; l’interazione iniziale innesca un processo di adeguamento complementare che ottimizza
l’unione tra enzima e substrato.
Enzimi e medicina
Lo studio e l’analisi quantitativa di alcuni enzimi plasmatici ha un ruolo diagnostico importante in
medicina. Il plasma contiene normalmente alcuni enzimi e proenzimi intrinseci, che svolgono la loro
azione fisiologica nel sangue. Un esempio classico di tale tipologia di enzimi è rappresentato dai fattori
coinvolti nella coagulazione. Nel plasma, in condizioni normali, si riscontrano tuttavia anche bassi livelli di
enzimi estrinseci (non funzionali), che non svolgono in tale sede la loro attività fisiologica; sono enzimi
rilasciati dalle cellule morte nel corso del normale processo di ricambio cellulare a carico di vari organi e
tessuti. Quando stati patologici si associano a danno tissutale ed aumentata morte cellulare, gli enzimi
cellulari solubili liberati dalle cellule necrotiche si riversano nel circolo ematico; il loro dosaggio può
essere un presidio diagnostico/prognostico importante, in quanto concentrazioni superiori alla norma
indicano la presenza di sofferenza tissutale e spesso, data la distribuzione tessuto-specifica di molti tipi di
enzimi o isoenzimi, consentono l’identificazione dell’organo sofferente. La conoscenza della normale
distribuzione tissutale di molti enzimi, consente quindi di utilizzare il dosaggio degli enzimi plasmatici per
monitorare le condizioni di salute di molti organi. La figura seguente mostra un elenco di enzimi sierici
utilizzati in diagnostica clinica.
Enzimi e diagnostica
Il dosaggio di alcuni enzimi sierici ha raggiunto rilevanza notevolissima nello studio dell’infarto cardiaco.
Monitorando nel tempo le concentrazioni sieriche di enzimi quali la creatin fosfochinasi (CPK) e la lattato

deidrogenasi (LDH) si ottengono informazioni importanti per la diagnosi differenziale, la terapia, e la
prognosi dell’infarto cardiaco.
Già poche ore dopo l’infarto miocardio si riscontra un incremento significativo di CPK, con valori massimi
raggiunti generalmente entro 15-30 ore. Il monotoraggio dell’enzima CPK è un test veloce e dotato di
discreta specificità (aumenti della concentrazione si riscontrano anche nelle patologie muscolari), che può
essere notevolmente incrementata valutando l’isoenzima miocardio, definito CPK-MB.
L’attività dell’enzima LDH nel siero aumenta sensibilmente dopo circa 48-72 ore dall’episodio acuto. Anche
in questo caso la specificià del saggio viene considerevolmente incrementata monitorando l’isoenzima
LDH1 o il rapporto tra le concentrazioni di LDH1 e LDH2.
Isoenzimi e medicina
Lo studio degli isoenzimi ha risvolti molto importanti in medicina, visto che alcuni di essi sono identificabili
e quantificabili nel siero umano (enzimi estrinseci) e il loro dosaggio fornisce informazioni diagnostiche
tessuto-specifiche. Un esempio significativo è quello della LATTATO DEIDROGENASI. Tale enzima è un
complesso multimerico, formato da 4 subunità, di due tipi diversi: la subunità H e la subunità M. La
diversa combinazione delle subunità crea 5 isoenzimi diversi, che differiscono quindi per la loro struttura
quaternaria. Essi sono:
HHHH,
HHHM,
HHMM,
HMMM,
MMMM.
L’abbondanza relativa di diversi isoenzimi differisce da organo ad organo; per esempio il cuore presenta
elevati livelli dell’isoenzima 1 (HHHH), mentre il fegato esprime abbondantemente l’isoenzima 5
(MMMM). Analizzando i livelli sierici specifici di ciascuna isoforma, si possono quindi ottenere
informazioni importanti sulla presenza di danni epatici o cardiaci. La figura mostra i risultati di tale
indagine in tre condizioni diverse.

Riepilogo
Gli enzimi sono proteine con funzione catalitica che regolano la velocità delle trasformazioni chimiche
che sottendono i processi fisiologici. In relazione al tipo di reazione catalizzata sono distinti in sei classi
principali:
ossidoreduttasi,
transferasi,
idrolasi
liasi,
isomerasi ligasi.
Spesso sono pienamente attivi solo in presenza di cofattori (ioni metallici) o coenzimi (molecole
organiche). I coenzimi, a differenza degli enzimi, sono spesso modificati nel corso della reazione chimica.
Gli enzimi si caratterizzano per una elevata specificità di substrato e reazione: interagiscono con un
reagente specifico e ne catalizzano una specifica trasformazione. Nei diversi tessuti di un organismo
possono esistere enzimi che, pur catalizzando la medesima reazione chimica, differiscono per alcune
proprietà fisiche: questi sono detti isoenzimi. Il dosaggio di enzimi e isoenzimi nei campioni biologici può
fornire informazioni diagnostiche importanti.

CINETICA ENZIMATICA
Introduzione
Gli enzimi sono biocatalizzatori, ovvero proteine che hanno lo specifico compito di accelerare le
trasformazioni chimiche. Le caratteristiche cinetiche di una reazione chimica catalizzata da un enzima
rispecchiano in buona parte quelle delle normali reazioni chimiche e sono riconducibili alla teoria della
velocità delle reazioni. Gli enzimi aumentano la velocità di reazione consentendo la trasformazione dei
reagenti in prodotti attraverso un “percorso alternativo” rispetto a quello che avverrebbe in assenza di
enzima. Lo stato di transizione di questo percorso alternativo è caratterizzato da un’energia di attivazione
inferiore. Viene così aumentata la velocità di trasformazione, senza che si determini, in realtà, alcun
effetto sull’equilibrio finale della reazione.
Fattori diversi possono influenzare la cinetica enzimatica come:
la temperatura,
il pH,
le concentrazioni di enzima e substrato,
la presenza di inibitori.
Obiettivi
I punti basilari di questa lezione saranno:
il richiamo agli aspetti fondamentali della cinetica chimica,
la modalità della catalisi enzimatica,
i fattori che influenzano la cinetica enzimatica,
i concetti di K m e velocità massima,
l’inibizione enzimatica e la sua rilevanza in medicina.
Cinetica chimica: equilibrio e velocità di reazione
Cinetica chimica: Δ G°’, equilibrio e spontaneità di reazione
Le reazioni chimiche sono per la maggior parte processi reversibili; se i reagenti A e B si combinano a
formare il prodotto AB, quest’ultimo, nelle stesse condizioni, può dissociarsi per dare A e B. Partendo da
condizioni iniziali diverse (diverse concentrazioni di A e B) si raggiungerà comunque uno stadio finale di
equilibrio dinamico in cui la velocità di formazione di AB sarà pari a quella di scissione di AB in A e B. La
direzione in cui la reazione tende a procedere e le concentrazioni di reagenti e prodotti al raggiungimento
dell’equilibrio finale sono determinate dalla differenza di energia libera tra i prodotti e i reagenti. Questo
parametro termodinamico è denominato variazione di energia libera (Δ G e Δ G°’ in condizioni standard
biologiche). Quando Δ G°’ è negativo, ovvero i prodotti hanno energia libera inferiore a quella dei
reagenti, la reazione tende a procedere verso i prodotti. Al contrario, se Δ G°’ è positivo sarà favorita la
direzione opposta. Esiste una correlazione diretta tra Δ G°’ e costante d’equilibrio tale per cui:
Δ G°’ = -RT ln Keq.
Cinetica chimica: stato di transizione e velocità di reazione
La variazione di energia libera indica in che direzione tende a procedere spontaneamente la reazione fino
all’equilibrio, ma non fornisce informazioni sulla velocità con cui tale equilibrio viene raggiunto.

Molte reazioni, pur possedendo Δ G°’ altamente favorevoli, decorrono con estrema lentezza. La velocità
con cui una reazione chimica procede dipende invece dalle sue caratteristiche cinetiche, e in particolar
modo da un parametro indicato con il termine di energia di attivazione. Con essa si indica una barriera
energetica che esiste tra reagenti e prodotti e che corrisponde all’energia necessaria ad allineare i gruppi
reagenti, a formare cariche transitorie instabili, ad allentare legami esistenti e formarne parzialmente di
nuovi, in modo che la trasformazione chimica possa avvenire. Questa barriera energetica, definita energia
di attivazione, corrisponde all’energia necessaria per il raggiungimento di uno stato di transizione tra
reagenti e prodotti. Quanto maggiore è l’energia di attivazione tanto minore è la velocità di reazione.

La teoria delle collisioni
Secondo la teoria delle collisioni, affinché due reagenti possano trasformarsi in prodotti essi devono
collidere. Solo una parte delle collisioni è efficace ai fini della reazione chimica, quelle in cui le molecole
reagenti hanno un’energia cinetica sufficiente a far superare la barriera di attivazione e a generare lo
stato di transizione.
Aumentando la temperatura si aumenta l’energia cinetica delle molecole e quindi si aumenta la velocità
di reazione; risultato analogo si ottiene aumentando la concentrazione dei reagenti, in quanto si rendono
più probabili le collisioni tra molecole, tra queste anche quelle produttive.
Enzimi: i catalizzatori biologici
La velocità di una reazione chimica può essere aumentata dall’intervento di catalizzatori, ed in particolar
modo di enzimi. Gli enzimi consentono una maggiore velocità di reazione rendendo possibile un
“percorso alternativo” per la trasformazione dei reagenti in prodotti. Tale percorso è caratterizzato da uno
o più stati di transizione con un’energia di attivazione inferiore rispetto a quello in condizioni basali.

Questo fa sì che in presenza di un enzima l’equilibrio della reazione venga raggiunto molto più
velocemente, senza che vengano però mutate le sue caratteristiche; la Keq non cambia. Infatti l’enzima si
ritrova inalterato alla fine della reazione e quindi non ha effetto sulla variazione globale di Δ G°, che
dipende esclusivamente dallo stato iniziale e finale delle molecole coinvolte nella reazione. L’effetto di un
enzima sulla velocità di reazione è spesso rimarchevole, con incrementi che possono andare da 5 a 17
ordini di grandezza.

Azione catalitica
L’azione catalitica degli enzimi si realizza attraverso l’interazione diretta con il substrato a livello del sito
attivo. Tale interazione dà luogo a fenomeni che consentono di spiegare come la presenza dell’enzima
possa accelerare la reazione.
Considerando per esempio la reazione bimolecolare A + B -> C è intuitivo comprendere che
l’alloggiamento dei substrati (A e B) nel sito attivo determina un incremento della loro concentrazione
locale rispetto a quella esistente nella soluzione in assenza di enzima. A tale effetto di prossimità tra i
reagenti, si aggiunge un effetto di orientazione.
L’enzima facilita quindi l’incontro produttivo tra i substrati vincolandoli nel sito attivo, impedendone i
movimenti traslazionali e rotazionali ed affrontando opportunamente tra loro le parti/superfici coinvolte
nella trasformazione.

Tensione di deformazione
Secondo il modello dell’adattamento indotto, l’interazione enzima/substrato comporta inoltre una
tensione di deformazione in entrambi i componenti: l’enzima va incontro al riallineamento di alcuni
residui aminoacidici (specie nel sito attivo) in modo che il loro orientamento spaziale divenga ottimale per
il legame del substrato e per la catalisi.

A sua volta, il substrato va incontro a modifiche conformazionali e assume le caratteristiche dello stato di
transizione. L’energia libera rilasciata dalla serie di interazioni deboli che determinano la formazione del
complesso ES consente la riduzione dell’energia di attivazione necessaria per il raggiungimento dello stato
di transizione. Il sito attivo dell’enzima, mediante l’energia di legame liberata nell’interazione con il
substrato, determina sia il potere catalitico che la specificità dell’enzima stesso.
Fattori che influenzano la cinetica enzimatica
Temperatura: Come per le reazioni che avvengono in assenza di enzima, anche per quelle catalizzate da
enzimi l’incremento di temperatura, aumentando l’energia cinetica delle molecole reagenti, comporta
una maggiore velocità di reazione.
Tuttavia, in presenza di enzima, l’innalzamento progressivo della temperatura provoca ad un certo punto
la denaturazione dell’enzima, ovvero la perdita della sua struttura tridimensionale, essenziale per la
funzionalità della molecola. Quando questo avviene l’attività catalitica risulta completamente annullata.
E’ evidente che nell’uomo (a differenza di altri organismi viventi) i cambiamenti di temperatura
compatibili con la vita sono così limitati che poco incidono sulle sue reazioni chimiche, sia in assenza che in
presenza di enzima.
PH: Anche il pH è un parametro che può modificare la velocità di reazioni enzimatiche. La maggior parte
degli enzimi presenta attività ottimale ad un valore di pH compreso tra 5 e 9 e lo scostamento verso
valori estremi di acidità o basicità determina denaturazione o comunque alterazione della carica netta
dell’enzima, e in particolar modo dei gruppi del sito attivo, con conseguente perdita di attività.

La concentrazione dell'enzima: La velocità di una reazione chimica catalizzata da un enzima è
generalmente proporzionale alla concentrazione dell’enzima stesso.
All’interno delle cellule la concentrazione degli enzimi è notevolmente inferiore alla concentrazione dei
substrati, e quindi piccole modifiche della quantità di enzima disponibile si riflettono significativamente
sulla velocità di trasformazione dei substrati in prodotti.
La concentrazione del substrato: In un sistema in vitro (in laboratorio) è facile osservare come la quantità
di substrato [S], tenute costanti tutte le altre condizioni, sia in grado di influenzare la velocità delle
reazioni enzimatiche. Ai fini sperimentali si misura la velocità iniziale (Vi) della reazione e si osserva come
cambi al variare di [S]: come evidenziato dal grafico nella figura, Vi aumenta progressivamente al crescere
di [S] fino al momento in cui si raggiunge un valore massimo (Vmax) che non risulta ulteriormente
incrementabile da aggiunte di ulteriore S.

La curva del grafico (descrizione sperimentale) è descritta perfettamente dal modello di Michaelis-Menten
(descrizione teorica), che prevede appunto la formazione di un complesso ES tra enzima e substrato
seguita dalla rapida trasformazione in prodotto.
L’equazione che descrive tale modello è: Vi = Vmax [S] / K m +[S], in cui Vi e Vmax sono rispettivamente
Velocità iniziale e massima della reazione, [S] indica la concentrazione del substrato e K m è una costante
specifica di ciascun enzima, detta costante di Michaelis-Menten.
L’equazione ed il grafico ci mostrano che:

() quando [S] è molto bassa (numericamente trascurabile rispetto al valore di Km), vi è una proporzionalità
diretta tra Vi e [S]: Vi = Vmax [S] / K m (Poiché Vmax e Km sono costanti specifiche di ciascun enzima
possiamo scrivere Vi=K [S])
() quando [S] è molto alta (K m numericamente trascurabile rispetto a [S]), la Vi diviene uguale alla Vmax
(non più influenzabile da incrementi di [S]): Vi = Vmax
() quando [S] è uguale a K m , si ha che la Vi è uguale alla metà della Vmax: Vi = Vmax [S] / 2[S] = ½ Vmax (i
valori di [S] al numeratore e denominatore si elidono)
K m è quindi una costante che caratterizza ciascun enzima e che ha le dimensioni di una concentrazione
molare. Per quanto detto al paragrafo precedente, corrisponde infatti alla concentrazione di substrato a
cui la velocità iniziale è pari alla metà della velocità massima (Vi = ½ Vmax) .
I valori di Vmax e K m caratterizzano ciascun enzima e possono essere determinati sperimentalmente. Ai
fini pratici tale procedura risulta molto più semplice descrivendo il variare di Vi al variare di [S] attraverso il
grafico dei doppi reciproci di Lineweaver-Burk, che presenta appunto i reciproci di Vi (1/Vi) e di [S]
(1/[S]) rispettivamente in ordinata ed ascissa.

Il grafico evidenzia come l’intersezione della retta (che teoricamente si può ottenere dopo aver effettuato la
misurazione di Vi a due diverse [S]) con l’asse delle ascisse consente di calcolare il valore di K m (1/K m );
mentre l’intersezione con l’asse delle ordinate quello di Vmax (1/Vmax). Per la maggior parte degli enzimi
il cui comportamento è descrivibile dall’equazione di Michaelis-Menten, il reciproco di K m (1/K m ) è
un’indicazione dell’affinità dell’enzima per il substrato, ovvero di quanto efficace è il riconoscimento tra
enzima e substrato. Non tutti gli enzimi mostrano la cinetica di saturazione descritta dall’equazione di
Michaelis-Menten. Per alcuni di essi la curva di saturazione di Vi rispetto a [S] non è iperbolica, bensì
sigmoidale (che ha la forma di una s).
Questo comportamento è tipico di enzimi che interagiscono in modo cooperativo con il substrato:
l’interazione con una molecola di S facilita e migliora l’interazione con un’ulteriore molecola. Per questi
enzimi, chiamati enzimi allosterici, K m e Vmax non possono essere calcolati come descritto in
precedenza. Per alcuni enzimi di questa natura, esistono molecole capaci di potenziarne l’attività catalitica
(attivatori allosterici) ed altre capaci di diminuirla (inibitori allosterici).
Gli inibitori: Le reazioni catalizzate da enzimi possono essere rallentate o bloccate da inibitori
enzimatici. Molti farmaci sono inibitori enzimatici. Gli inibitori possono essere: reversibili e irreversibili.
I primi si possono dissociare dall’enzima ripristinandone l’attività, mentre i secondi legano
covalentemente o modificano definitivamente alcune porzioni essenziali dell’enzima alterandone la
funzionalità; spesso vengono definiti veleni degli enzimi.

Gli inibitori reversibili possono essere distinti in competitivi e non competitivi in base alle loro modalità
di interazione con l’enzima. I metodi d’analisi cinetica con cui si studiano gli enzimi (curva di
saturazione dell’enzima) consentono di distinguere questi due tipi di inibizione enzimatica. Un inibitore
competitivo compete con il substrato per il legame con il sito attivo. Se l’inibitore occupa il sito attivo
blocca l’accesso del substrato e rallenta/blocca il processo catalitico. Solitamente gli inibitori competitivi
sono molto simili al substrato e ne mimano la capacità di interazione con il sito attivo. Essendo tuttavia
l’interazione inibitore/enzima reversibile, ne risulta che l’inibizione può essere scalzata da un
incremento della concentrazione del substrato.
Il diagramma di Lineweaver-Burk evidenzia alcune caratteristiche fondamentali di tale inibizione:
la Vmax della reazione non viene cambiata poiché, anche in presenza di un inibitore, si può incrementare
[S] per ottenere la stessa Vmax. Si osserva invece una riduzione apparente dell’affinità per il substrato (1/K m
apparente < 1/K m ), poichè occorre un maggiore [S] per ottenere ½ di Vmax.

Un inibitore non competitivo si lega invece ad un sito diverso da quello che riconosce il substrato e
riduce o blocca l’attività dell’enzima.
Questo può legare normalmente il substrato (la K m dell’enzima rimane quindi invariata), ma non può
catalizzarne la trasformazione in prodotto; la Vmax della reazione è conseguentemente inferiore a quella
ottenibile in assenza di enzima competitivo.
Inibitori enzimatici come farmaci. Molti farmaci esplicano la propria azione in quanto inibitori
enzimatici. Un esempio importante e famoso è il farmaco penicillina, un inibitore irreversibile di un
enzima batterico (glicopeptide transferasi) essenziale per la sintesi della parte batterica.

La penicillina è strutturalmente simile al substrato di questo enzima (il peptide con due amino acidi D-
alanina terminali) e si lega quindi al suo sito attivo. L’interazione enzima/penicillina è tuttavia molto forte e
forma un intermedio molto stabile e praticamente non scalzabile dal substrato reale. Per questo la
penicillina è definita anche un substrato suicida, che bloccando irreversibilmente l’enzima glicopeptide
transferasi determina la morte di batteri in divisione.
Riepilogo
Gli enzimi modificano sensibilmente la velocità di reazione senza tuttavia modificare la variazione di
energia libera e quindi l’equilibrio della reazione stessa. La prima tappa della catalisi è la formazione del
complesso ES, mediata dall’interazione complementare tra sito attivo e substrato. Questo comporta un (1)
aumento della concentrazione locale dei substrati, (2) il loro corretto orientamento ai fini della
trasformazione, (3) una tensione di deformazione, che nell’insieme portano alla riduzione dell’energia di
attivazione relativa allo stato di transizione. La temperatura, il pH, la concentrazione dell’enzima e del
substrato, la presenza di inibitori possono influenzare l’attività catalitica degli enzimi. Il modello di
Michaelis-Menten spiega le proprietà cinetiche di molti enzimi.

REGOLAZIONE E CONTROLLO DELL’ATTIVITA’ ENZIMATICA
Introduzione
In questa lezione verrà affrontata un’altra importante proprietà degli enzimi: la regolazione della loro
attività catalitica. Poiché le reazioni chimiche del nostro organismo e degli esseri viventi in genere sono
catalizzate da enzimi, la regolazione di questi ultimi è un processo fondamentale per stabilire quando e per
quanto ciascuna reazione debba avvenire. Questo è un aspetto determinante dell’omeostasi, ovvero del
mantenimento di un equilibrio metabolico. Comprendere la regolazione enzimatica significa
comprendere le dinamiche di regolazione di cellule normali, ma anche le disfunzioni regolatorie associate
a stati patologici.
Obiettivi
Questa lezione ha come obiettivi la descrizione degli aspetti fondamentali della regolazione enzimatica.
Saranno presentate le proprietà della regolazione passiva ed attiva e verranno approfonditi: (1) il
controllo allosterico (2) il controllo mediante modifiche covalenti: la fosforilazione e la proteolisi
parziale.
La regolazione passiva
Il mantenimento dell’equilibrio metabolico (omeostasi), da parte delle cellule e dell’organismo in toto,
necessita della capacità di bilanciare e coordinare le reazioni metaboliche modulandone la velocità in base
ai cambiamenti dell’ambiente intra ed extracellulare. Diversi fattori possono influenzare l’attività
enzimatica: alcuni di questi sono intrinseci alla modalità di funzionamento degli enzimi stessi e
all’organizzazione cellulare basale, ovvero si innescano spontaneamente (passivamente) al variare delle
condizioni basali; altri richiedono l’intervento di meccanismi specifici ed altre molecole (modalità attiva).
Tra i primi fattori rientra il dato che buona parte degli enzimi ha valori di K m vicini a quelle che sono le
concentrazioni basali dei substrati all’interno delle cellule. Ciò significa che, basalmente, gli enzimi
funzionano ad una velocità pari ad ½ di quella massima, apparentemente uno svantaggio; ciò significa
invece che, di fronte ad aumenti subitanei della quantità di substrato, l’enzima può aumentare
efficacemente la velocità di trasformazione in prodotto.

Come evidenzia il grafico, questo non sarebbe possibile se gli enzimi lavorassero costitutivamente a
velocità prossime alla massima. Le semplici risposte cinetiche al variare della concentrazione del
substrato rappresentano un importante meccanismo di regolazione passiva dell’attività enzimatica.
L'organizzazione dei flussi metabolici. Le reazioni chimiche delle cellule sono per lo più organizzate in
catene metaboliche in cui il prodotto finale di una reazione diviene il reagente della reazione successiva.
Dal punto degli equilibri, questo fa si che anche reazioni teoricamente reversibili (con Δ G vicini a zero)
divengano irreversibili e quindi procedano in una sola direzione. Queste catene possono essere
considerate quasi come un’unica reazione il cui Δ G finale è la somma di tutti i Δ G delle singole reazioni.
Essendo il flusso delle reazioni unidirezionale, la catena assume specificità funzionale ed il processo
inverso dovrà prevedere altri meccanismi enzimatici. L’intero flusso di metaboliti lungo una catena di
questa natura può essere semplicemente controllato regolando una o più tappe specifiche, che divengono
le tappe limitanti dell’intero processo.
Così come il flusso di acqua in una conduttura dipende dalla sezione del punto più stretto della conduttura
stessa, il flusso di molecole lungo una catena metabolica dipende dalla velocità con cui procedono le
reazioni più lente e quindi limitanti. Questo semplifica i meccanismi di regolazione perché consente di
concentrarli su uno o due enzimi, piuttosto che su tutta una serie di proteine e reazioni diverse.
La regolazione attiva
Alle modifiche dell’attività enzimatica che si innescano spontaneamente si aggiungono i meccanismi attivi
di regolazione, che esercitano un ruolo fondamentale nel garantire l’omeostasi cellulare e la capacità di
adeguarsi a cambiamenti subitanei dell’ambiente esterno.
La capacità catalitica degli enzimi cellulari può essere attivamente influenzata tramite due diversi
meccanismi generali:
(1) modifiche della quantità di enzima disponibile,
(2) variazioni dell’efficienza intrinseca degli enzimi stessi.

La quantità totale di ciascun enzima presente nella cellula dipende dalla velocità con cui è sintetizzato e
degradato. In molti casi, entrambi questi processi possono essere selettivamente incrementati o
rallentati, determinando una variazione della concentrazione dell’enzima e quindi della sua attività
catalitica. Esistono molecole, spesso gli stessi substrati di reazioni enzimatiche, che sono in grado di
indurre la sintesi di uno o più enzimi coinvolti nel loro metabolismo: si utilizza in questi casi il termine di
induttore, ed inducibili sono gli enzimi la cui espressione viene così regolata. Si distinguono dagli enzimi
costitutivi, le cui concentrazioni cellulari non dipendono dalla presenza di induttori. L’esempio classico di
enzima inducibile è la Gal-1, necessario per il metabolismo del galattosio nei lieviti: l’enzima viene
prodotto solo in presenza di galattosio nel terreno di coltura. L’induzione enzimatica è un processo che
avviene anche nelle cellule di mammifero. Esiste inoltre anche la possibilità opposta: un metabolita
appena prodotto da una via enzimatica agisca da repressore nei confronti di uno o più enzimi della stessa
via metabolica bloccando quindi l’ulteriore sintesi. Questo meccanismo viene anche definito repressione
retrograda da prodotto. Entrambi i meccanismi si esplicano attraverso la regolazione dei processi
trascrizionali o traduzionali di specifici enzimi.
Se la regolazione dell’espressione e quindi della sintesi enzimatica è un meccanismo di regolazione ben
noto e caratterizzato, si deve ricordare che esiste anche la possibilità che la concentrazione di un enzima
venga modificata alterando la stabilità dell’enzima stesso, ovvero la velocità con cui viene degradato. Il
ricambio delle proteine cellulari è un processo ben caratterizzato: ciascuna proteina ha un tempo di
emivita definito. La stabilità di un enzima può dipendere da fattori diversi, quali: l’interazione con metalli,
l’interazione con coenzimi, l’interazione con altre molecole e modifiche covalenti che possono
modificarne la conformazione e renderlo quindi più suscettibile ai processi degradativi.
Esistono enzimi (ad esempio l’arginasi epatica) la cui concentrazione può essere regolata da modifiche
della stabilità proteica, ovvero della suscettibilità alla degradazione.
La regolazione della concentrazione enzimatica tramite variazioni della sintesi e/o della degradazione è
un meccanismo efficace ma piuttosto lento, che generalmente sottende adattamenti a lungo termine. Gli
adeguamenti cellulari a rapidi cambiamenti dell’ambiente esterno sono più spesso mediati da
modificazioni istantanee, ma transitorie, della capacità catalitica degli enzimi. Questo tipo di regolazione si
esplica attraverso tre modalità diverse (1) la regolazione allosterica (2) la regolazione tramite modifiche
covalenti (3) la regolazione proteolitica.

La regolazione allosterica. L’efficienza di alcuni enzimi può essere sensibilmente modificata dalla presenza
di molecole di diversa natura (effettori) che, interagendo con l’enzima tramite siti diversi dal sito attivo, ne
modificano la conformazione e quindi l’attività catalitica. Enzimi con queste caratteristiche vengono detti
allosterici; si tratta generalmente di enzimi che esplicano il ruolo fondamentale di regolatori nel contesto
di vie metaboliche, catalizzando la reazione limitante dell’intero processo. La modulazione della loro
attività consente il controllo dell’intero percorso metabolico. Spesso sono proteine multimeriche con un
sito attivo ed uno o più siti allosterici. L’occupazione dei siti allosterici da parte di un ligando influenza il
legame del substrato e può determinare sia l’incremento che il rallentamento della catalisi.
La cinetica di saturazione degli enzimi allosterici è descritta da una curva di tipo sigmoide, e non da un
iperbole tipica del modello di Michaelis-Menten. Questo comportamento cinetico riflette spesso
un’interazione (indiretta) tra effettore ed enzima (spesso multimerico) : il legame dell’effettoread una
subunità ne determina modifiche strutturali che si ripercuotono sulle altre subunità dell’enzima
facilitando/inibendo il successivo legame del substrato.

Gli effettori sono spesso prodotti intermedi o finali della stessa via metabolica di cui fa parte l’enzima del
quale regolano l’attività oppure di vie metaboliche diverse. Nel primo caso si tratta generalmente di un
fenomeno di inibizione retrograda da prodotto, in cui il prodotto finale di una catena metabolica inibisce
un enzima chiave dello stesso processo, per bloccare la sua stessa sintesi. Nel secondo caso si tratta
invece di un importante modalità di connessione e comunicazione tra processi metabolici diversi.

Esempio di controllo allosterico: la protein chinasiA (PKA) Molti ormoni esplicano la propria attività
attraverso secondi messaggeri allosterici; esempi importanti che verranno approfonditi in seguito sono lo
ione calcio e l’adenosinmonofosfato ciclico (cAMP). La figura rappresenta l’attivazione della protein
chinasi A (PKA) da parte del cAMP. L’effettore allosterico (cAMP) si lega alle subunità regolatrici di PKA,
determinandone così modifiche conformazionali che consentono il distacco dalle subunità catalitiche;
queste divengono così attive e in grado di fosforilare substrati diversi.

La regolazione tramite modifiche covalenti. Una vasta classe di enzimi regolatori viene invece modulata
tramite modifiche covalenti della proteina. La fosforilazione/defosforilazione di enzimi rappresenta
certamente il meccanismo di regolazione più comune.
Si tratta di processi transitori e reversibili in cui un gruppo fosfato viene legato o distaccato da un residuo
di serina, treonina o tirosina della catena aminoacidica di un enzima. Nel caso della formazione dell’estere
fosforico, il gruppo fosfato proviene da una molecola di adenosintrifosfato (ATP) o da un’analoga molecola
trifosfato. Tale reazione è catalizzata da enzimi come protein chinasi. Il distacco del fosfato dalla catena
aminoacidica è un processo termodinamicamente spontaneo e catalizzato da proteine definite
fosfoproteinfosfatasi.
La rapidità con cui un enzima può passare da uno stato all’altro rende tale meccanismo di estrema
importanza per la regolazione enzimatica; consente infatti di innescare rapidamente un’attività catalitica
rispondendo in tempo reale ai mutati bisogni cellulari, per poi poter tornare altrettanto rapidamente allo
stato basale. È bene ricordare che non esiste una corrispondenza univoca tra stato di fosforilazione degli
enzimi e loro attività: ovvero il trasferimento di fosfati su enzimi determina attivazione per alcuni di essi
ed inattivazione per altri.
Se la fosforilazione/defosforilazione rappresenta il meccanismo più diffuso di modifica covalente e
reversibile di enzimi, esistono modalità di regolazione mediate dal di trasferimento di gruppi chimici diversi
dal fosfato; tra queste possiamo ricordare l’adenilizaione (trasferimento di AMP), l’uridilazione
(trasferimento di UMP, nucleotide simile all’AMP, in cui l’adenina è sosttutita dall’uracile) e la metilazione
(trasferimento di metili).

La regolazione tramite proteolisi parziale. Il trasferimento di gruppi chimici diversi sugli enzimi
rappresenta un meccanismo di regolazione transitorio e reversibile. Al contrario la regolazione che
prevede la proteolisi parziale dell’enzima è un meccanismo irreversibile. Alcuni enzimi sono sintetizzati
come proenzimi o zimogeni privi di attività catalitica. L’attivazione di questi zimogeni richiede uno o più
tagli proteolitici che convertono il proenzima in enzima. Esempi di questo tipo di regolazione si hanno con
gli enzimi della digestione (pepsina, pepsinogeno, tripsinogeno e chimotripsinogeno) e quelli della
coagulazione del sangue e della lisi del coagulo (fattori XII, XI, X, II, plasminogeno).

La rottura di specifici legami peptidici determina modifiche conformazionali che espongono il sito attivo
dell’enzima. Essendo l’attivazione per proteolisi un meccanismo irreversibile, il blocco dell’attività
catalitica così innescata dipende da inibitori proteici che si legano fortemente al sito attivo dell’enzima.
Lo stesso tipo di attivazione riguarda altre proteine del nostro organismo, con funzioni diverse da quella
enzimatica. Esempio importante di preproteina attivata tramite proteolisi è quello dell’insulina.
Riepilogo
Il mantenimento dell’omeostasi cellulare, ovvero di un ambiente intracellulare relativamente stabile
nonostante le numerosissime variazioni che avvengono nell’ambiente esterno, è un processo
estremamente importante e complicato, che prevede la regolazione continua di molte attività
biochimiche cellulari. Questa regolazione si attua preferenzialmete modulando l’attività degli enzimi, i
catalizzatori biologici che determinano la velocità delle reazioni chimiche.
La regolazione enzimatica si esplica attraverso meccanismi passivi, ovvero intrinseci alle caratteristiche di
funzionamento della catalisi biochimica, e meccanismi attivi, che prevedono l’intervento di molecole od
effettori specifici. La regolazione passiva si basa sul fatto che molti enzimi hanno una K m vicina alle
concentrazioni basali intracellulari del loro substrato; questo fa sì che, ad incrementi della disponibilità di
substrato, l’enzima possa intrinsecamente rispondere con un incremento della velocità di catalisi. A
questa capacità di adattamento spontaneo si aggiunge una regolazione attiva, spesso innescata da stimoli
ormonali o nervosi, che interviene soprattutto per adeguare lo stato metabolico a fattori esterni. Tale
regolazione si manifesta sugli enzimi che catalizzano le tappe limitanti delle vie metaboliche
(generalmente le reazioni irreversibili o le più lente).
Si realizza attraverso modalità diverse:
(1) variazioni della quantità di enzima disponibile, tramite induzione dell’espressione o stimolazione della
degradazione;
(2) regolazione allosterica, come nel caso dell’inibizione retrograda da prodotto;
(3) innesco di modifiche covalenti, quali il trasferimento di gruppi fosfato o la proteolisi parziale del
proenzima.
COENZIMI E VITAMINE
Introduzione
Molti enzimi sono funzionali solo in presenza di cofattori che ne completano la specificità di interazione
con il substrato o la capacità catalitica. Alcuni cofattori sono molecole organiche che agiscono spesso da
co-substrato della reazione chimica; in questo caso sono denominati coenzimi.
Molti coenzimi sono molecole essenziali che l’organismo ottiene dalle vitamine del gruppo B.
Le vitamine sono molecole organiche necessarie per l’espletamento di numerose funzioni biologiche.
Devono essere assunte con la dieta perché l’organismo non è in grado di sintetizzarle.
Obiettivi
In questa lezione verranno illustrate le caratteristiche chimiche e le modalità d’azione dei principali
coenzimi presenti nelle cellule. Verranno anche descritte le vitamine del gruppo B da cui derivano questi
coenzimi e infine verrà accennata la natura e le funzioni delle altre vitamine essenziali per il nostro
organismo.

Coenzimi
Spesso l’attività degli enzimi dipende dalla presenza di componenti chimici addizionali chiamati cofattori;
può trattarsi di ioni inorganici quali Fe 2+ , Mg 2+ o Zn 2+ , legati più o meno saldamente all’enzima, oppure di
molecole più complesse e di natura organica, più propriamente definite coenzimi.
Quando tali coenzimi sono legati stabilmente all’enzima vengono anche definiti gruppi prostetici. Nel caso
di enzimi coniugati a cofattori/coenzimi, il termine di apoenzima definisce la porzione proteica dell’enzima
stesso, mentre quello di oloenzima indica il complesso funzionale nella sua completezza. I coenzimi sono
molecole importanti per l’attività di molti enzimi, specie di quelli che catalizzano il trasferimento di
elettroni o gruppi di atomi da una molecola all’altra. I coenzimi sono molecole organiche che partecipano
attivamente alla trasformazione chimica catalizzata dall’enzima.
Spesso, a differenza dell’enzima, che rimane immutato al termine della reazione, il coenzima può essere
considerato un secondo substrato, che subisce nel corso della reazione chimica trasformazioni opposte a
quelle del substrato principale. Per esempio, nella catalisi di una reazione di ossidoriduzione, quando una
molecola di substrato viene ossidata, una molecola di coenzima viene ridotta. Oppure, nelle reazioni di
trasferimento di gruppi funzionali, il coenzima può fungere da accettore finale o da trasportatore
intermedio.

Le modifiche subite dal coenzima nel corso di una reazione chimica fanno sì che esso non possa essere
disponibile per una nuova reazione senza essere prima riportato, attraverso altre reazioni chimiche, allo
stato iniziale.
Molti coenzimi sono molecole essenziali, ovvero non sintetizzabili dalle nostre cellule. Devono quindi
essere introdotti con la dieta. Precursori metabolici di molti coenzimi sono le vitamine del gruppo B.
Le vitamine sono nutrienti organici essenziali, ovvero molecole che, almeno in piccola quantità, devono
essere apportate con la dieta in quanto la loro sintesi endogena è impossibile o comunque insufficiente
rispetto alle esigenze fisiologiche dell’organismo. Sono invece prodotte da microrganismi o vegetali.
L’assenza o la carenza di vitamine nella dieta può determinare situazioni patologiche diverse: ad esempio
la pellagra, lo scorbuto, il beriberi sono tipiche manifestazioni dovute ad insufficiente apporto di vitamine
con la dieta, tuttavia è bene ricordare che alcuni stati carenziali possono derivare non da una dieta non
bilanciata, bensì da alterazioni dell’assorbimento o del metabolismo di queste molecole. Sono noti

achitismi resistenti all’apporto di vitamina D, piuttosto che anemie perniciose associate al mancato
assorbimento di vitamina B12. Classicamente le vitamine sono distinte in due gruppi:
() le vitamine idrosolubili: le vitamine del gruppo B e la vitamina C
() le vitamine liposolubili: le vitamine A, D, E e K.
Le vitamine del gruppo B
Sono molecole idrosolubili da cui derivano molti coenzimi essenziali per numerose trasformazioni
biochimiche. Appartengono a questo gruppo un insieme di molecole che, a parte la loro idrosolubilità,
presentano caratteristiche chimico-fisiche estremamente eterogenee.
Esse sono:
() la tiamina (vitamina B1),
() la riboflavina (B2),
() la niacina (B3),
() l’acido pantotenico (B5),
() la piridossina (B6),
() la biotina,
() la cobalamina (B12)
() l’acido folico.
Approfondiamo ora alcuni aspetti delle vitamine da cui derivano i coenzimi più importanti:
Tiamina. Mostra la struttura della tiamina o vitamina B1, costituita da un anello pirimidinico legato ad un
anello tiazolico. È presente, anche se in quantità limitate, in molti alimenti di origine animale e vegetale.
La sua carenza, specie se associata al consumo di carboidrati, provoca il beriberi, che si manifesta con
sintomi neurologici (neuropatia periferica), cardiovascolari e muscolari. Una carenza di tiamina si può
riscontrare anche negli alcolisti cronici (encefalopatia di Wernicke). Il ruolo fondamentale della tiamina
per il nostro organismo è quello di essere il precursore della tiamina pirofosfato, coenzima che partecipa
soprattutto alle reazioni di decarbossilazione ossidativa di α chetoacidi e a quelle catalizzate dalla
transchetolasi. Tra le prime è da ricordare la decarbossilazione del piruvato ad opera della piruvato
deidrogenasi con trasformazione del piruvato in acetil-CoA, tappa fondamentale per l’ingresso nel ciclo di
Krebs.

Niacina. Con il termine di Niacina (vitamina B3) si indicano collettivamente l’acido nicotinico e l’ammide
da esso derivata (nicotinammide); entrambi sono fonti di vitamina B3. In natura sono buone sorgenti di
tale vitamina le carni, i legumi e alcuni cereali. Diete prive di tali alimenti possono comportare l’insorgenza
di pellagra (tipica delle popolazioni che utilizzano il mais quale alimento fondamentale); tuttavia il nostro
organismo può in parte sopperire al mancato apporto di niacina, trasformando il triptofano in NAD+.
L’importanza della nicotinammide deriva dal fatto che è il precursore di due coenzimi necessari per la
catalisi di numerosissime reazioni cellulari: nicotinammide adenina dinucleotide (NAD+) e nicotinammide
adenina dinucleotide fosfato (NADP).
Questi nucleotidi nicotinammidici fungono da coenzimi per le reazioni di ossidoriduzione catalizzate da
deidrogenasi presenti sia nel citosol che nei mitocondri, e coinvolte nel metabolismo delle principali
macromolecole utilizzate dalle cellule (carboidrati, lipidi, aminoacidi). Il NAD partecipa in genere ai
processi catabolici, mentre il NADP a quelli anabolici.

Il ruolo di questi coenzimi nelle reazioni di ossidoriduzione è fondamentale in quanto subiscono una
modificazione chimica opposta a quella del vero substrato della reazione. Quando vengono utilizzati nella
forma ossidata (NAD+ e NADP) sono ridotti a NADH e NADPH.
Per garantire adeguati livelli cellulari di coenzimi nicotinammidici, le forme ridotte vengono riossidate
tramite ossidoriduzioni specifiche, in cui fungono da riducente. È importante ricordare che la cessione di
equivalenti riducenti da parte del NADH alla catena mitocondriale di trasporto degli elettroni, è la tappa
iniziale e fondamentale per la produzione di energia chimica nella cellula.

Riboflavina e FMN, FAD. Dalla riboflavina (vitamina B2) derivano altri due importanti coenzimi: il Flavin
monunucleotide (FMN) e il flavin adenina dinucleotide: il primo deriva dalla fosforilazione ATPdipendente
della riboflavina, mentre il secondo si forma per addizione di una molecola di AMP. Al pari dei
coenzimi NAD e NADP, FMN e FAD partecipano come co-substrati a numerose reazioni di ossidoriduzione,
venendo trasformati nelle corrispondenti forme ridotte, FMNH2 e FADH2. In alcune reazioni possono
anche legare un solo elettrone (FMNH e FADH).

A differenza dei coenzimi nicotinammidici, essi sono spesso legati alla proteina di cui coadiuvano l’attività
catalitica, funzionando quindi da gruppo prostetico di flavoproteine. Sono coinvolti in diverse reazioni di
natura catabolica appartenenti al ciclo di Krebs, alla catena respiratoria e al metabolismo degli acidi grassi.
Nonostante il loro diffuso utilizzo nel metabolismo cellulare, il deficit di riboflavina, raro da osservare in
forma isolata, non determina stati patologici gravi: i sintomi prevalenti sono stomatite, glossite e
fotofobia.
Acido pantotenico e coenzima A. L’acido pantotenico è costituito dalla combinazione di acido pantoico
con la β-alanina. Il suo ruolo metabolico è legato alla formazione di Coenzima A e della proteina
trasportatrice degli acili. Entrambe le molecole formano legami tioestere con radicali acilici, che vengono
successivamente immessi nel ciclo di Krebs, nel processo della β-ossidazione degli acidi grassi, nella sintesi
di acidi grassi e colesterolo o nell’acilazione di proteine o altre molecole.
L’acido pantotenico è presente in numerosi alimenti di natura animale e vegetale e la sua carenza è
praticamente inesistente.
Acido folico. I folati sono una serie di sostanze chimiche di cui l’acido pteroilglutammico rappresenta la
forma più semplice; pur essendo sintetizzati da piante (verdure in foglia) e da batteri, sono riscontrabili
con discreta frequenza carenze primarie subcliniche o manifeste (anemia megaloblastica) oppure
deficienze secondarie associate a patologie intestinali, ematologiche e neoplastiche; il fabbisogno di folati

aumenta poi sensibilmente nel corso della gravidanza. Il ruolo fondamentale di questa vitamina
nell’organismo umano è correlato all’attività dei coenzimi tetraidrofolato (THF) e diidrofolato, che
partecipano a reazioni di trasferimento di gruppi monocarboniosi (metile e formile). Queste reazioni sono
particolarmente importanti nella sintesi degli anelli purinici e quindi nella sintesi del DNA.
Vitamina B6. Con il termine Vitamina B6 si indicano tre composti intercovertibili: la piridossina, il
piridossale e la piridossammina.
Dalla vitamina B6 derivano i coenzimi piridossale fosfato e piridossaminafosfato, coinvolti in numerose
reazioni biochimiche implicate soprattutto nel metabolismo degli aminoacidi. Tra queste le più importanti
sono le reazioni di transamminazione, attraverso le quali viene allontanato il gruppo amminico dagli
amminoacidi, rendendo disponibile lo scheletro carbonioso per la gluconeogenesi. La vitamina B6 è ben
rappresentata in numerosi alimenti e la sua deficienza è quindi rara.

Biotina. La biotina è una vitamina idrosolubile costituita da un anello biciclico. È presente soprattutto nel
fegato, nel tuorlo d’uovo e nel lievito. La sua essenzialità per l’organismo umano dipende dal suo ruolo di
gruppo prostetico in reazioni di carbossilazione catalizzate da enzimi, tra cui l’acetil-CoA carbossilasi e la
piruvato carbossilasi. Tutti catalizzano il trasferimento di CO 2 dal coenzima al substrato, con consumo di
ATP. La reazione catalizzata dall’acetil-CoA carbossilasi avviene nel citosol, ed è la tappa inlimitante per la
sintesi degli acidi grassi. La piruvato carbossilasi è invece un enzima mitocondriale che catalizza la
trasformazione di piruvato in ossalacetato, tappa fondamentale per la gluconeogenesi.
La carenza spontanea di biotina è molto rara. Può associarsi a cambiamenti della personalità, parestesie e
iperestesie, anoressia e dermatite.

Vitamina B12 La vitamina B12 è una vitamina idrosolubile, dalla struttura molto complessa e contenente
cobalto. È necessaria in piccole quantità all’organismo umano e presenta un meccanismo di assorbimento
intestinale peculiare, in quanto deve complessarsi ad una proteina secreta dalle cellule parietali dello
stomaco (fattore intrinseco di Castle). Il suo ruolo biologico è legato all’attività coenzimatica in due
reazioni: la metilazione dell’omocisteina a metionina (relazione con i folati); e la trasformazione del
metilmalonil-CoA a succinato (metabolismo degli acidi grassi e di alcuni aminoacidi).
La sua carenza (generalmente secondaria a malassorbimento) può determinare anemia perniciosa e
neuropatia.

Vitamina C. L’acido ascorbico o vitamina C è una vitamina idrosolubile la cui carenza è associata alla
comparsa dello scorbuto, caratterizzato da petecchie ed ecchimosi, gengive sanguinanti, ipercheratosi e
secchezza della cute, dolori articolari e manifestazioni neuropsichiatriche quali isteria, depressione e
ipocondria. Il principale ruolo biochimico dell’ascorbato è quello di partecipare alla riduzione di metalli,
come il ferro ed il rame, che sono poi utilizzati in reazioni di idrossilazione cui partecipa l’ossigeno
molecolare. Esempio tipico è l’idrossilazione dei residui di prolina facenti parte della catena
amminoacidica del collagene. Altri ruoli riguardano il metabolismo del ferro e l’eliminazione di radicali
liberi: quando assunto con i cibi, esso contribuisce alla riduzione del Fe(III) a Fe(II), facilitandone
l’assorbimento intestinale; partecipa poi all’eliminazione dei radicali liberi che si formano nell’organismo,
contribuendo al reintegro dei radicali della vitamina E.
Le vitamine liposolubili
Sono molecole idrofobe riconducibili chimicamente all’iosprene; comprendono la vitamina A, la D, la E e la
K. Poichè non vengono sintetizzate dall’organismo, devono essere apportate con la dieta.
Sono assimilate efficacemente solo quando l’assorbimento lipidico è normale e sono veicolate nel sangue
legate alle lipoproteine o a proteine di trasporto specifiche. Una dieta carente in vitamine liposolubili o il
malassorbimento lipidico possono dar luogo a manifestazioni diverse, correlate ai ruoli svolti
fisiologicamente da ciascuna di esse: vanno dai deficit visivi (vitamina A) al rachitismo (vitamina D), dai
disturbi neurologici (vitamina E) ai deficit della coagulazione (vitamina K).
A differenza delle vitamine idrosolubili, quelle liposolubili possono accumularsi in eccesso nel tessuto
adiposo e, se in sovrabbondanza, divenire tossiche.
Vitamina A. Con il termine di vitamina A si indicano tutti i retinoidi che mostrano l’attività biologica del
retinolo. Nei vegetali esiste un pigmento giallo definito β-carotene che è una provitamina, ovvero può
essere trasformato, anche se poco efficacemente, in vitamina A. Le funzioni fondamentali della vitamina A
sono la visione e la differenziazione cellulare.

Nei bastoncelli, fotorecettori della retina, il cis-retinale è trasformato in rodopsina. L’interazione tra
questa molecola e i fotoni della luce rappresenta la reazione chimica fondamentale per la visone. L’acido
retinico invece è in grado di legarsi a recettori specifici e determinare profonde modifiche all’espressione
genica cellulare, influenzando la differenziazione cellulare.
La deficienza di questa vitamina si manifesta con un’iniziale emeralopia (deficit della visione notturna) che
poi diviene xeroftalmia e cheratomalacia.

Vitamina D. La vitamina D è una sostanza liposolubile che esplica un ruolo importante nel metabolismo
del calcio, facilitandone l’assorbimento a livello intestinale. La sua mancanza si associa ad insufficiente
deposizione di calcio nelle ossa, con rachitismo nei bambini ed osteomalacia negli adulti. Ha due sorgenti:
quella alimentare e la sintesi endogena. Può infatti essere sintetizzata a livello cutaneo, in seguito
all’esposizione solare che determina la trasformazione del 7-deidrocolesterolo in vitamina D3.
Vitamina E. Con il termine di vitamina E si indica un insieme di sostanze chimicamente simili e definite
anche tocoferoli. Sono molecole diffuse in natura ed abbondanti soprattutto negli oli di semi vegetali. La
carenza di vitamina E è quindi un evento raro. La funzione principale di queste molecole è quella di agire
da antiossidanti e, data la loro lipofilia, di proteggere le membrane biologiche dal danno correlato alla
produzione di radicali liberi. In particolar modo la vitamina E previene la perossidazione degli acidi grassi
insaturi presenti nelle membrane. È bene ricordare che l’acido ascorbico (vitamina C) e l’enzima
glutatione perossidasi partecipano alla rigenerazione della vitamina E.

Vitamina K. La vitamina K è una vitamina liposolubile presente in molte verdure e sintetizzata anche dalla
flora batterica intestinale. Esplica funzioni importanti nel nostro organismo, tra cui la principale è correlata
al sistema della coagulazione del sangue. Molti tra i fattori proteici coinvolti in questo processo (fattore II,
X, IX e VII) sono proenzimi che vengono attivati tramite proteolisi parziale e la cui azione è calcio
dipendente. Questa particolarità è conferita da modificazioni post-traduzionali che dipendono dalla
presenza di vitamina K. Mentre la carenza primaria di vitamina K è un fenomeno raro, è da ricordare il
fatto che terapie antibiotiche, riducendo sensibilmente la flora batterica, possono ridurne la disponibilità
per l’organismo.
Riepilogo
I coenzimi sono molecole organiche che svolgono un ruolo fondamentale nel consentire l’attività catalitica
di molti enzimi. A differenza di questi ultimi, spesso partecipano alle reazioni chimiche in qualità di
cosubstrati e vengono quindi chimicamente modificati nel corso delle reazioni stesse.
Molti coenzimi derivano dalle vitamine del gruppo B, idrosolubili, e, come queste, sono essenziali per
l’uomo, ovvero non possono essere sintetizzati dal nostro organismo, ma devono essere apportati con la
dieta. Tra i numerosi coenzimi ricordiamo il NAD (e NADP) ed il FAD (e FMN), che svolgono un’azione
fondamentale nelle reazioni di ossidoriduzione e nel trasporto degli equivalenti riducenti da esse derivati
verso la catena respiratoria mitocondriale. Essi derivano rispettivamente da Niacina (vitamina B 3 ) e
Riboflavina (vitamina B 2 ). Vitamina A, D, E e K sono le vitamine liposolubili. La prima ha un ruolo
essenziale nella visione. La vitamina D, derivato del colesterolo, esplica un’azione importante nel controllo
dell’omeostasi delle ossa.