Immagina di essere seduto a tavola davanti a un piatto del tuo cibo preferito. Guardandolo, lo trovi invitante e appetitoso, e ne percepisci anche il profumo. Quando dai il primo morso, apprezzi il buon sapore e il suono che produce. Masticando e ingoiando il boccone, dai inizio al processo che renderà questo cibo parte di te. Tutte queste sensazioni e le funzioni ad esse correlate sono possibili grazie a particolari tipi di biomolecole che prendono il nome di recettori ed enzimi.    

Tra le numerose molecole che compongono il nostro corpo, le proteine rivestono un ampio ventaglio di funzioni diverse. Mentre siamo stati abituati a vederle come “i mattoni della vita”, occorre riconoscere anche un sottogruppo di proteine specializzate, al quale appartengono i recettori e gli enzimi.

In questo articolo vedremo cosa sono i recettori e gli enzimi, quali sono le loro caratteristiche e perché sono così importanti per garantire la vita degli organismi.

I recettori: le antenne delle nostre cellule

Come tutte le altre proteine del nostro corpo, anche i recettori sono fatti da una lunga catena di tanti mattoncini, chiamati aminoacidi. Oltre a contribuire alla forma e alla dimensione del recettore, esistono delle porzioni di aminoacidi che formano uno o più poli funzionali. Questi poli possono essere chiamati siti di legame e, come dice il nome, servono per legarsi ad altre molecole. Ma quindi un recettore può legarsi ad ogni molecola con cui entra in contatto?

La risposta è no! Solo un limitatissimo numero di molecole può legarsi a uno specifico recettore; in questo caso diremo che una molecola è affine a un dato recettore. Per semplicità, chiameremo ligandi tutte quelle molecole che hanno un’affinità per un recettore tale da potersi legare ad esso in modo reversibile o irreversibile. Possiamo vedere un recettore come una serratura, e un ligando come una chiave designata ad aprire solo quella serratura.

Perché i recettori sono le antenne delle nostre cellule? La risposta risiede nelle loro caratteristiche intrinseche:

• I recettori sono spesso situati in posizioni strategiche, che permettono a una cellula o a parte di essa di comunicare con l’ambiente esterno o con altre porzioni della stessa cellula.
• Interagendo con i loro ligandi, i recettori producono un segnale che spiega esattamente come una cellula deve comportarsi in risposta a una certa stimolazione.

Questa funzione viene detta trasduzione di segnale e permette all’organismo di adattarsi a tutto ciò che succede nell’ambiente esterno, ma non solo. Infatti, permette anche ai nostri organi di reagire alle modificazioni del nostro corpo.

Facciamo un esempio ritornando al nostro cibo preferito. Che sia un piatto di pasta fumante o una pizza o un arrosto, il cibo produce un profumo che noi percepiamo grazie al naso. Ma proviamo a entrare con una lente di ingrandimento (molto, ma molto grande!) nel nostro naso per vedere cosa succede. Vedremo che il profumo del nostro piatto di pasta entra nel naso in forma di piccolissime molecole che vengono trasportate dall’aria.

Respirando, incanaliamo l’aria profumata nelle narici, nelle quali troviamo le cosiddette cellule sensoriali. Queste, tramite dei recettori olfattivi altamente specializzati, identificano il profumo e trasformano questo stimolo in un segnale trasportabile dalla cellula sensoriale al nostro cervello, il quale sarà in grado di capire che effettivamente ci troviamo di fronte a un piatto di pasta e potrà quindi preparare il nostro corpo a ricevere il cibo tramite altri ligandi e altri recettori.

Tramite questo esempio, appare chiaro che i recettori trasducono i segnali in modo diverso. La modalità di trasduzione di segnale è spesso legata alla struttura dei diversi recettori: questi infatti possono agire in autonomia, senza il supporto di altre molecole, oppure in funzione dell’interazione con enzimi o ioni. Attenzione però a non confondere queste molecole di supporto con i ligandi!

Proviamo ad entrare nel dettaglio:

• Recettori accoppiati a proteine G: Questi recettori sono inclusi nella membrana cellulare e, quando interagiscono con il loro ligando all’esterno della cellula, danno inizio alla trasduzione del segnale attivando la cosiddetta proteina G che si trova sul lato interno della membrana cellulare. I recettori sensoriali appartengono a questo gruppo, assieme ad altri recettori per ormoni per ormoni (come l’adrenalina) o neurotrasmettitori (come l’acetilcolina).
• Recettori con attività enzimatica intrinseca: Analogamente ai precedenti, anche questi recettori attraversano la membrana cellulare, solo che, anziché essere accoppiati a proteine G, il recettore legato al suo ligando induce una modifica del lato della proteina che si trova internamente alla cellula, che espone quindi un sito attivo dotato di attività enzimatica (entreremo nel merito di questa funzione nel prossimo capitolo). Un esempio molto importante è il recettore dell’insulina.
• Canali ionici: Quando questi particolari recettori di membrana interagiscono con il loro ligando, aprono un canale che permette agli ioni di entrare o di uscire da una cellula. Gli ioni sono elementi (come il sodio o il potassio) o piccolissime molecole (come l’acetato o il nitrato) dotati di carica elettrica positiva o negativa. Molto spesso, i ligandi di questi recettori sono neurotrasmettitori (come per esempio l’acetilcolina o il GABA) e, attivandosi, permettono il transito degli impulsi nervosi lungo i nervi.
• Recettori nucleari: A differenza di tutti i precedenti, questi recettori non si trovano nella membrana cellulare, ma sono interamente all’interno della cellula. Attivati dal loro ligando, questi recettori migrano all’interno del nucleo e modificano il comportamento della cellula andando ad agire direttamente sul DNA. Appartengono a questo gruppo i recettori di alcuni ormoni (come il testosterone e gli estrogeni) e vitamine (come la vitamina D).

Non fatevi intimorire dai termini complicati: nel nostro viaggio attraverso la salute umana, diventeranno tutti molto familiari.

Perché è importante conoscere i recettori? Molte malattie possono essere legate al malfunzionamento di alcuni recettori per diversi motivi. In alcuni casi, il ligando di un determinato recettore diventa talmente abbondante che iperattiva il proprio recettore. In altri casi, i recettori vengono in contatto con ligandi che, anziché attivarli, li bloccano, inibendone la funzione. Diremo che un ligando è agonista se attiva il proprio recettore, antagonista se lo inibisce. E’ comunque giusto precisare che non sempre l’attivazione di un recettore è positiva, così come non sempre l’inibizione è negativa, nel contesto del mantenimento della salute.

Nell’ambito dell’ipertensione, ovvero un aumento della pressione sanguigna, una delle terapie farmacologiche d’elezione prevede l’utilizzo di una specifica classe di farmaci chiamati beta-bloccanti (alcune farmaci sono il propranololo e il metoprololo). Questi farmaci sono dei ligandi antagonisti di una classe di recettori dell’adrenalina presenti nelle cellule del cuore, detti recettori beta-adrenergici. Visto che l’attivazione eccessiva di questi recettori provoca sintomi come tachicardia e aumento della pressione sanguigna, i beta-bloccanti contribuiscono a normalizzare il battito cardiaco e la pressione andando a bloccare questa classe specifica di recettori.

Inoltre, molte sostanze possono influire l’attività cerebrale andando ad agire su alcuni recettori. Molte di queste molecole includono sostanze d’abuso, come per esempio la nicotina, la cocaina e le metamfetamine.

Gli enzimi: ottimizzatori delle reazioni chimiche

Continuiamo la nostra trattazione parlando degli enzimi. Dal punto di vista puramente strutturale, possiamo notare delle similitudini con i recettori. Anche gli enzimi sono proteine e, mentre parte degli aminoacidi che li compongono ne danno la struttura, esistono alcuni aminoacidi che ne compongono dei poli funzionali. Questi, negli enzimi, vengono chiamati siti attivi.

Dal punto di vista funzionale, però, gli enzimi sono molto diversi dai recettori. Mentre i recettori partecipano alla trasduzione del segnale, gli enzimi facilitano un gran numero di reazioni chimiche all’interno delle nostre cellule. Diciamo “facilitano” perché, senza enzimi, le reazioni chimiche possono comunque avvenire, ma i tempi di reazione saranno estremamente dilatati. Da qui capiamo subito che gli enzimi accelerano determinate reazioni chimiche: questa funzione viene detta catalisi enzimatica.

Alcune reazioni, come per esempio la digestione degli alimenti, hanno bisogno degli enzimi per essere ottimizzate. Questo non vuol dire che, senza enzimi, la digestione non possa avvenire, ma sarebbe così lenta da portarci alla morte per denutrizione.

Come funzionano gli enzimi? Essi facilitano le reazioni chimiche accogliendo i substrati (ovvero gli attori della reazione) nel proprio sito attivo. Tramite delle modifiche strutturali del sito attivo, i reagenti sono facilitati nella loro interazione e possono trasformarsi nei prodotti della reazione. Riconoscere un enzima è abbastanza semplice: secondo il modo convenzionale di nomenclatura, salvo qualche eccezione, gli enzimi hanno il nome formato dal loro substrato di elezione unito alla desinenza -asi. Per esempio, la saccarasi scinde il saccarosio (il normale zucchero da cucina) nelle sue due componenti: glucosio e fruttosio; la lattasi digerisce il lattosio in glucosio e galattosio.

La digestione del cibo è l’esempio più efficace per capire il funzionamento degli enzimi. Per ogni nutriente più complesso, come le proteine, i grassi e i carboidrati, esistono uno o più enzimi che li scindono in molecole più semplici e, quindi, assorbibili. Oltre alle già citate saccarasi e amilasi, possiamo includere nel gruppo le proteasi e le lipasi, che digeriscono rispettivamente le proteine e i grassi (lipidi).

Abbiamo visto come gli enzimi siano cruciali per la digestione, ma queste molecole hanno molte altre funzioni: praticamente ogni reazione chimica che avviene all’interno delle nostre cellule ha bisogno di uno o più enzimi per procedere a una velocità utile per la vita. Pensate a tutte le attività che le nostre cellule svolgono costantemente:

• Costruire e demolire molecole: Gli enzimi sono coinvolti nella sintesi di nuove molecole complesse (come proteine, grassi, DNA) a partire da molecole più semplici, e anche nella loro demolizione quando non servono più o devono essere riciclate.
• Produrre energia: La trasformazione dei nutrienti che mangiamo in energia utilizzabile dalle cellule è un processo complesso che dipende da una lunga serie di reazioni catalizzate da enzimi specifici.
• Trasmettere segnali: Alcuni enzimi sono coinvolti nelle vie di trasduzione di segnale nelle cellule, modificando altre proteine o producendo molecole che agiscono come “messaggeri”.
• Proteggere dalle sostanze dannose: Gli enzimi del fegato, ad esempio, aiutano a detossificare il nostro corpo trasformando sostanze tossiche in composti meno pericolosi ed eliminabili.
• Copiare il DNA: Durante la divisione cellulare, enzimi specializzati come le DNA polimerasi sono responsabili della copia accurata del nostro materiale genetico.

Considerando la vastità di reazioni chimiche che avvengono nel nostro corpo, non sorprende che esistano moltissimi tipi diversi di enzimi, ognuno specializzato per catalizzare una specifica reazione o un gruppo di reazioni simili. Per semplificare un po’, possiamo classificare gli enzimi in sei grandi categorie in base al tipo di reazione che catalizzano:

• Ossidoreduttasi: Questi enzimi sono coinvolti nelle reazioni di ossidazione e riduzione, cioè nel trasferimento di elettroni tra molecole. Un esempio è la lattato deidrogenasi, importante nel metabolismo del glucosio.
• Transferasi: Questi enzimi trasferiscono uno specifico gruppo chimico da una molecola all’altra. Un esempio è la glicogeno fosforilasi, che aggiunge fosforo al glicogeno.
• Idrolasi: Questi enzimi utilizzano l’acqua per rompere un legame chimico, un po’ come una forbice che usa l’acqua per tagliare. Gli enzimi digestivi come la lipasi e la proteasi rientrano in questa categoria.
• Liasi: Questi enzimi rompono legami chimici forti senza usare l’acqua e spesso formano un doppio legame.
• Isomerasi: Questi enzimi riorganizzano gli atomi all’interno di una molecola, trasformandola in un suo isomero (una molecola con la stessa formula chimica ma una disposizione spaziale diversa).
• Ligasi: Questi enzimi uniscono due molecole, formando un nuovo legame chimico, spesso con l’aiuto di energia fornita dall’ATP. Un esempio è la DNA ligasi, fondamentale per la riparazione del DNA.

La conoscenza degli enzimi e del loro funzionamento ha avuto un impatto enorme sulla medicina e sullo sviluppo di farmaci. Leggendo le vostre analisi del sangue, sarete sicuramente incappati in parametri come le transaminasi, come la alanina aminotransferasi (ALT) e la aspartato aminotransferasi (AST). La conoscenza dell’attività di questi enzimi è in grado di dirci molto sul nostro stato di salute e le loro alterazioni rispetto ai parametri di riferimento può essere un campanello d’allarme in quanto indice di qualcosa che non va. Per esempio, le transaminasi appena menzionate sono indici del funzionamento del fegato e una loro alterazione può dirci che il nostro fegato è in sofferenza.

Al pari dei farmaci agonisti e antagonisti per i recettori, esistono molti farmaci che agiscono interferendo con l’attività di specifici enzimi nel nostro corpo o in agenti patogeni (come batteri o virus). Possiamo individuare due strategie principali:

• Inibizione enzimatica: Alcuni farmaci sono progettati per bloccare l’attività di un enzima che è iperattivo o che svolge un ruolo chiave in una malattia. Ad esempio, molti farmaci antinfiammatori non steroidei (FANS), come l’aspirina e l’ibuprofene, agiscono inibendo gli enzimi cicloossigenasi, che sono coinvolti nella produzione di molecole che causano infiammazione, dolore e febbre. Alcuni farmaci antivirali bloccano enzimi specifici di un virus, impedendogli di replicarsi all’interno delle nostre cellule.
• Attivazione enzimatica: In alcuni casi, un farmaco può essere progettato per aumentare l’attività di un enzima che è insufficiente o mal funzionante. Questa strategia è meno comune dell’inibizione, ma può essere utile in alcune condizioni, tra cui le malattie congenite che portano alla mancata sintesi di alcuni enzimi.

Oltre a bloccare o attivare gli enzimi, la ricerca farmacologica si concentra anche sullo sviluppo di farmaci che sono essi stessi enzimi. Questi enzimi terapeutici possono essere utilizzati per:

• Rompere coaguli di sangue in caso di infarto o ictus (farmaci trombolitici).
• Aiutare la digestione in persone con carenze enzimatiche (integratori di lattasi, lipasi, ecc.).
• Trattare alcune forme di cancro convertendo un profarmaco (una forma inattiva del farmaco) nella sua forma attiva direttamente nel sito del tumore.

Questa panoramica sui recettori e sugli enzimi sarà importante per la nostra esplorazione della salute.

Bibliografia

David L Nelson, Michael M Cox. I principi di Biochimica di Lehninger, Settima edizione. 2018

Luc Poirier, Sheldon W Tobe. Contemporary Use of β-Blockers: Clinical Relevance of Subclassification. Canadian Journal of Cardiology, 30(5):S9-S15. 2014

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