Proteasi: che cosa sono gli enzimi proteolitici e quali funzioni hanno

Le proteasi rappresentano elementi fondamentali per i processi vitali di tutti gli organismi animali, vegetali, batterici e virali. La loro funzione principale è quella di scomporre le proteine alimentari in aminoacidi. Tuttavia, le proteasi, note anche come enzimi proteolitici o peptidasi, non hanno soltanto un ruolo importante nella digestione degli alimenti, ma svolgono anche una funzione essenziale in altri processi fondamentali per il metabolismo e la sopravvivenza dell’organismo, come la coagulazione del sangue, il ricambio e la formazione delle cellule e la difesa dell’organismo da agenti patogeni virali e tossine.

Come agiscono le proteasi

Le proteine sono catene più o meno lunghe, composte da aminoacidi. Si tratta di molecole organiche formate da un atomo di carbonio centrale legato a un gruppo amminico, un gruppo carbossilico, un atomo di idrogeno e un componente che varia a seconda dello specifico aminoacido. All’interno di una proteina, più amminoacidi sono legati tra loro dai cosiddetti legami peptidici, che si creano in seguito a una reazione biochimica che unisce il gruppo amminico di un aminoacido al gruppo carbossilico di quello vicino. Queste catene di aminoacidi combinati, chiamati anche peptidi, formano le proteine.

Le proteasi, che sono esse stesse proteine, possono catalizzare, cioè facilitare, la rottura del legame peptidico: agiscono come vere e proprie forbici che isolano i singoli aminoacidi che compongono la proteina.

La struttura molecolare di ogni enzima prevede che al suo interno sia presente un sito attivo, a livello del quale avvengono le reazioni. La sostanza su cui lavora un enzima è definita substrato. Perché la reazione enzimatica possa avvenire, il sito attivo e il substrato devono combaciare perfettamente.

Le proteasi, come tutti gli enzimi, hanno bisogno delle giuste condizioni per funzionare. In caso contrario, si altera la forma del sito attivo e il substrato non può legarsi a esso. La maggior parte degli enzimi nel corpo umano lavora al meglio a circa 37°C, mentre a temperature più basse agisce molto più lentamente o si disattiva. Quando la temperatura si alza, invece, l’attività enzimatica aumenta, ma superata una determinata soglia, le proteasi smettono di funzionare. Una febbre molto alta, quindi, può interrompere l’attività dalle proteasi.

Allo stesso modo, gli enzimi funzionano soltanto in corrispondenza di determinati valori di pH, che sono specifici per ogni enzima e dipendono anche dalla parte del corpo in cui questo agisce. Per esempio, le proteasi che si trovano nell’intestino lavorano con pH basici, mentre le proteasi presenti nello stomaco hanno bisogno di pH acidi. In caso di alterazioni del pH, come un ambiente gastrico poco acido o un intestino tenue troppo acido, le proteasi digestive non riescono a funzionare in modo ottimale.

Proteasi e alimentazione: quale collegamento?

Il meccanismo di scomposizione (degradazione) delle proteine ad opera delle proteasi permette all’organismo di avere a disposizione gli aminoacidi necessari per costruire altre proteine specifiche di cui ha bisogno, come ormoni e molte altre molecole indispensabili per i processi fisiologici. Alcuni aminoacidi, definiti essenziali, non sono infatti sintetizzati dall’organismo, ma possono essere assunti solo con l’alimentazione.

Gli aminoacidi in eccesso rispetto alle necessità del corpo umano non possono essere accumulati nell’organismo, ma subiscono, sembra grazie alle proteasi, un processo specifico di ossidazione, con lo scopo di produrre energia e glucosio. Questo surplus di aminoacidi può verificarsi per esempio quando l’alimentazione è molto ricca di proteine.

Le proteasi non si trovano solo nel corpo umano e degli animali, ma anche negli organismi vegetali e, in particolare, in alcuni alimenti, come per esempio:

• la papaya che contiene papaina
• l’ananas, che è ricco di bromelina
• il fico, che contiene ficina.

Per questo motivo, alcuni integratori alimentari contengono estratti da questi frutti come fonte di enzimi per favorire la digestione.

Come si classificano le proteasi?

A seconda di quale sia l’aminoacido responsabile dell’attività di degradazione, si individuano sei diversi gruppi di proteasi:

• proteasi a serina
• proteasi a treonina
• proteasi a cisteina
• proteasi ad aspartato
• proteasi a glutammato
• metalloproteasi

Un’ulteriore classificazione divide gli enzimi proteolici in base al pH necessario per la loro efficienza, e si hanno quindi proteasi acide, alcaline e neutre.

Infine, le proteasi possono essere classificate in base a dove compiono il taglio:

• endopeptidasi, sono proteasi che tagliano le proteine rompendo i legami tra gli aminoacidi presenti all’interno della proteina
• esopeptidasi, che agiscono staccando gli aminoacidi dalle estremità delle proteine.

Quali funzioni hanno le proteasi?

La funzione principale delle proteasi è, come abbiamo visto, quella di scindere le proteine in aminoacidi.

Nello stomaco e nell’intestino tenue avviene la gran parte della digestione delle proteine grazie ad alcune proteasi prodotte principalmente a livello del pancreas e dello stomaco: le grandi catene proteiche vengono smontate pezzo per pezzo, così da ottenere alla fine aminoacidi liberi che possono essere assorbiti nel sangue e trasportati a varie cellule del corpo per un’ulteriore scomposizione.

La mucosa gastrica, in particolare, produce un enzima proteolitico, la pepsina. L’ambiente dello stomaco è particolarmente congeniale a questa proteasi, che si attiva e svolge il suo lavoro in modo efficiente con pH particolarmente acidi.

Le proteine contenute nel chimo, cioè il materiale parzialmente digerito dopo il passaggio nello stomaco, una volta nel duodeno subiscono l’attacco di altre proteasi, come la chimotripsina, la tripsina, l’elastasi e l’aminopeptidasi, che le riducono a singoli aminoacidi assorbibili dalla mucosa intestinale.

Come già accennato, le proteasi però non agiscono solo nell’ambito del sistema digestivo, ma svolgono anche altre funzioni. Per esempio, un processo tenuto sotto controllo in modo specifico da alcune proteasi, in particolare dalla trombina, è la coagulazione del sangue in caso di danno ai vasi sanguigni o ai tessuti. Una volta attivata, questa proteasi spezza il fibrinogeno, una grande proteina del sangue, in frammenti che a loro volta si riuniscono formando una rete fibrosa (coagulo) che consente di ostacolare e fermare il sanguinamento.

Gli enzimi proteolitici sono essenziali anche per il funzionamento del sistema immunitario in risposta ad agenti patogeni come virus e batteri. Le proteasi possono infatti frammentare e distruggere le proteine contenute nelle membrane cellulari di questi microrganismi nocivi. 

Inoltre, le proteasi intervengono in processi cellulari importanti per:

• regolare l’attività di altre proteine
• creare nuove molecole proteiche
• contribuire all’elaborazione delle informazioni cellulari
• generare e amplificare i segnali molecolari, responsabili dell’attivazione delle molecole biologiche affinché, a loro volta, svolgano funzioni e attività necessarie alla vita dell’organismo, tra cui:
  • la replicazione e la trascrizione del DNA
  • la proliferazione e la differenziazione cellulare
  • il rimodellamento dei tessuti
  • l’angiogenesi, cioè la formazione di nuovi vasi sanguigni
  • la neurogenesi
  • l’ovulazione
  • la fertilità
  • l’infiammazione
  • l’immunità
  • la senescenza e la morte delle cellule.

Inibitore della proteasi: un farmaco che inattiva gli enzimi

Alterazioni della funzione delle proteasi sembrano essere coinvolte nello sviluppo di diverse patologie, tra cui le malattie infiammatorie e cardiovascolari. Ecco perché molte proteasi sono al centro dell’attenzione dei ricercatori e sono in corso molti studi clinici per valutarle come potenziali bersagli di trattamenti farmacologici.

Inoltre, molti microrganismi infettivi hanno bisogno di enzimi proteolitici per svolgere il loro ciclo replicativo oppure utilizzano le proteasi per aumentare la propria virulenza. Per questo, da alcuni decenni, vengono impiegati in medicina farmaci antiretrovirali inibitori delle proteasi contro agenti patogeni come il virus HIV (responsabile dell’Aids), che agisce attaccando le cellule umane e replicandosi all’interno di esse tramite specifici enzimi proteolitici.

La terapia antivirale mirata al blocco delle proteasi è anche alla base di nuovi farmaci impiegati per trattare l’infezione da SARS-CoV-2. Questo coronavirus, infatti, può replicarsi e infettare nuove cellule dell’organismo grazie all’azione della sua proteasi principale, chiamata MPRO, dall’inglese main protease, che permette al virus di costruire le proteine necessarie alla riproduzione delle cellule virali.