In ogni istante dell'esistenza di un essere vivente, migliaia di molecole diverse necessarie alla sua vita vengono sintetizzate solo in presenza di altre molecole, altrettanto essenziali, dette enzimi. Negli organismi viventi i composti chimici si trasformano continuamente grazie a un insieme di processi chiamato metabolismo. Le molecole complesse del cibo, cariche di energia, si trasformano in molecole più semplici, meglio utilizzabili per liberare l'energia contenuta.
Questo processo metabolico avviene attraverso almeno 30 trasformazioni, ciascuna attivata da un enzima specifico. Quindi, in tutte le forme di vita, dai batteri agli elefanti, ogni trasformazione metabolica avviene perché un enzima la rende possibile.
Perché gli Enzimi Sono Necessari?
Se una reazione chimica può avvenire per conto proprio, perché deve essere attivata da un enzima? A cosa serve un enzima, se la frantumazione della grossa molecola di amido in molecole semplici di glucosio è comunque una reazione energeticamente possibile? Il problema nasce dalla stabilità della molecola di amido a 37 °C.
In effetti, se lasciamo l'amido a questa temperatura senza l'amilasi, la reazione di frantumazione per avvenire richiederebbe alcuni secoli: troppo tempo perché l'organismo possa avere il nutrimento necessario alla sua sopravvivenza! Alternativamente, la frantumazione può avvenire rapidamente se scaldiamo l'amido a temperature superiori a 100 °C, in condizioni cioè in cui la molecola diventa instabile e quindi pronta a trasformarsi. Ma queste sono condizioni di cottura di un cibo e quindi incompatibili con la vita. Perché la reazione possa avvenire efficientemente e in fretta a 37 °C, cioè alla temperatura di molti organismi, è necessario rendere instabile la molecola anche a 37 °C.
Struttura e Funzione degli Enzimi
Gli enzimi sono per lo più proteine, cioè sono collane di aminoacidi che si ripiegano su loro stesse formando gomitoli irregolari, con 'nicchie' e 'spunzoni' sulla superficie. Le proteine enzimatiche sono capaci di accogliere in una nicchia, chiamata sito attivo, le molecole di cui attivano la trasformazione. In altre parole, attraverso il loro sito attivo gli enzimi sono capaci di riconoscere in modo specifico singole molecole e di renderle più fragili, facendo così avvenire velocemente, alla bassa temperatura del corpo, una trasformazione altrimenti lentissima.
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Il numero di molecole che un enzima è in grado di trasformare in un minuto è detto turn over, termine inglese che vuol dire appunto "trasformazione"; gli enzimi più veloci hanno un numero di turn over fino a 36.000 molecole al minuto.
Il Sito Attivo e il Modello Chiave-Serratura
Ciascun enzima ha il proprio sito attivo. Questo è ciò che è noto come il principio “Lock and Key” (chiave-serratura). Poiché ogni enzima ha una sola struttura tridimensionale ha anche un proprio sito attivo (the lock o serratura) e reagirà solo con un substrato di forma corrispondente (the key o la chiave).
Altrettanto importante quanto la forma fisica di questo sito attivo, è la quantità e il tipo di siti leganti disponibili lungo la sua superficie. Come sappiamo, il sito attivo è composto da lunghe catene di residui di aminoacidi. Bene, gli amminoacidi che formano queste catene a loro volta hanno i propri gruppi laterali di aminoacidi che spuntano fuori, chiamati gruppi 'R'. In questo modo, una volta che il substrato è posizionato perfettamente nel Sito Attivo (e ha formato i legami necessari con i gruppi 'R' richiesti) l'enzima dà una leggera spinta sul substrato agendo chimicamente. Ad esempio, un leggero cambiamento del pH può essere tutto ciò che serve.
Come gli Enzimi Accelerano le Reazioni
Gli enzimi svolgono il ruolo di catalizzatori in quasi tutte le reazioni biochimiche. Velocizzano queste reazioni abbassando l’attivazione di energia richiesta dal substrato per reagire. Un esempio: la capacità del corpo di digerire e scomporre il cibo in una risorsa di nutrienti che il corpo stesso può realmente assorbire, dipende dagli enzimi. Senza la loro presenza questo processo avverrebbe così lentamente che moriremmo molto velocemente di malnutrizione, a prescindere da quanto cibo ingeriamo.
Grafico che mostra il contributo di un enzima a una reazione. Nelle cellule, le biomolecole non reagiscono spontaneamente perché stabili e le reazioni a cui andrebbero incontro hanno un'energia di attivazione così alta da renderle quasi improbabili. Gli enzimi rendono possibili le reazioni in ambito biologico, facendole avvenire in un arco di tempo brevissimo, dell'ordine dei millesecondi, perché abbassano l'energia di attivazione.
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Componenti degli Enzimi
- Proteine: Sono costituite da catene di aminoacidi.
- Co-enzimi: Molecole organiche (comunemente derivate da vitamine) che si legano liberamente agli enzimi e li aiutano nella loro funzione.
- Sito attivo: La forma fisica di un sito attivo che si adatta perfettamente al substrato.
Importanza degli Enzimi per le Piante
La risposta a questo riguarda alcuni enzimi con la capacità di aumentare il tasso di decomposizione della materia organica. Questo è forse il beneficio più evidente e produttivo che gli enzimi possono fornire alle piante. Le vostre piante hanno bisogno di nutrienti. Di questo potete esserne certi!
Tuttavia non è solo quella bottiglia di liquido che può essere una fonte di nutrienti per la pianta. Oltre a produrre nutrienti dalla decomposizione delle radici morte, gli zuccheri naturali vengono rilasciati anche nei terreni coltivati. Questi zuccheri provengono principalmente dalla decomposizione della pectina tra le pareti cellulari delle radici morte e per fare ciò hanno bisogno di enzimi molto particolari.
Una rapida scomposizione e la successiva conversione della sostanza organica morta e in decomposizione di na parte della radice, permetterà di ridurre significativamente nelle piante il rischio di contrarre una malattia. Le radici morte e la materia organica in decomposizione sono le fonti di nutrimento che molti agenti patogeni useranno per avere un punto d'acceso alla tua painta. Di solito inizieranno con questo materiale decomposto per accumulare energia e poi continueranno attaccando la pianta che in altre condizioni sarebbe rimasta sana.
Con l'aumento della proliferazione di batteri utili al terreno coltivato, sarà anche possibile raccogliere i frutti del conseguente aumento della crescita e dello sviluppo delle radici. La rapida scomposizione e rimozione del materiale in decomposizione mantiene sano e pulito tutto ciò che è contenuto nel tuo vaso. Non solo, ma questo significa che nessuno spazio viene inutilmente assorbito con la materia organica morta e in decomposizione. Con una quantità inferiore di materia fisica nel vaso ci si può aspettare un livello proporzionalmente più elevato di aerazione, ancora una volta favorendo una zona della radice sana e fertile.
Classificazione e Nomenclatura degli Enzimi
Gli enzimi sono catalizzatori biologici di natura proteica, senza i quali la vita non potrebbe esistere. Il nome degli enzimi deriva dal substrato o da una parola o una frase che ne descrive l'attività, aggiungendo il suffisso -asi. Per ovviare alle possibili ambiguità, il sistema internazionale di nomenclatura e classificazione degli enzimi prevede sei classi, a loro volta suddivise in sottoclassi.
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In base a questo sistema ufficiale, ogni enzima è indicato da un nome sistematico che descrive la reazione catalizzata e da una serie di quattro numeri, il primo dei quali indica la classe, il secondo la sottoclasse.
Ecco le sei classi principali di enzimi:
- Ossidoreduttasi: Catalizzano reazioni di ossidoriduzione.
- Transferasi: Catalizzano il trasferimento di gruppi funzionali da una molecola a un'altra.
- Idrolasi: Catalizzano l'idrolisi di molecole.
- Liasi: Catalizzano la rottura di legami chimici senza idrolisi o ossidazione.
- Isomerasi: Catalizzano l'isomerizzazione di molecole.
- Ligasi: Catalizzano la formazione di legami chimici con consumo di ATP.
Regolazione dell'Attività Enzimatica
L'attività enzimatica può essere influenzata da altre molecole. Esistono, infatti, sostanze in grado di inibirla e anche molecole in grado di attivare un enzima, aumentandone l'attività (molti farmaci e sostanze tossiche sono inibitori o attivatori enzimatici). Un esempio tipico sono i gas nervini, che inibiscono un enzima, l'acetilcolinesterasi, che non rimuove più l’acetilcolina, una sostanza che permette la trasmissione degli impulsi dal sistema nervoso al muscolo.
La regolazione allosterica si basa sul cambiamento conformazionale dell'enzima: cambiamenti anche minimi nell'arrangiamento dei residui amminoacidici nella struttura tridimensionale della proteina possono influenzare notevolmente la velocità della reazione, aumentandola o diminuendola. I cambiamenti conformazionali sono indotti da piccole molecole, dette modulatori allosterici, che generalmente si legano in siti diversi dal sito attivo.
Le sostanze che in modo specifico rallentano o bloccano una reazione sono dette inibitori. Molti farmaci sono inibitori di vie enzimatiche.
Enzimi nel Settore Alimentare
Gli enzimi possono essere aggiunti a vari scopi nella preparazione di cibi e bevande, e l’industria alimentare ne fa ampio uso, ad esempio per produrre sciroppi dolcificanti, amido modificato, formaggi, bevande, prodotti da forno, latticini delattosati. La produzione industriale di enzimi avviene mediante estrazione da piante, animali o microrganismi, oppure per fermentazione microbica. Quest’ultima è la via attualmente più diffusa in quanto presenta vantaggi economici, tecnici, etici e ambientali.
Relativamente all’etichettatura, non è obbligatorio riportare l’enzima in etichetta se esso è utilizzato come coadiuvante tecnologico (=sostanza che poi non si ritrova più nel prodotto finito, oppure se ne trovano residui ma senza effetti sul prodotto finito e sulla salute del consumatore). Alcuni enzimi sono autorizzati come additivi e devono perciò comparire nell’elenco degli ingredienti. Per la precisione rientrano in questa categoria solo 2 enzimi: invertasi (E1103), che scinde il saccarosio in glucosio e fruttosio, e lisozima (E1105), tipicamente impiegato nella produzione di formaggi stagionati per inibire la crescita di clostridi.
Alcuni esempi di utilizzo degli enzimi nel settore alimentare includono:
- Produzione di sciroppo di mais ad alto contenuto di fruttosio (HFCS): Viene prodotto a partire dall’amido (per lo più di mais) sottoposto a due step di attacchi enzimatici. Dapprima agiscono le idrolasi (amilasi, maltasi) che attaccano l’amido liberando glucosio, poi si utilizza l’enzima glucosio isomerasi, che catalizza la trasformazione di glucosio in fruttosio.
- Produzione di latte delattosato: Si ottiene mediante trattamento con l’enzima lattasi, una idrolasi che scinde il lattosio (lo zucchero del latte) nei due monosaccaridi che lo compongono: glucosio e galattosio.
- Panificazione: Gli enzimi vengono utilizzati per migliorare il risultato senza dovere dichiarare queste sostanze in etichetta. Nella produzione di pane, lievitati dolci & Co. si utilizzano lipasi e amilasi.
Enzimi Terapeutici
Gli enzimi sono catalizzatori biologici fondamentali per numerosi processi fisiologici, che accelerano le reazioni chimiche all'interno del corpo senza essere consumati. Nel contesto medico, gli enzimi terapeutici sono impiegati per trattare varie malattie, inclusi disordini metabolici e problemi digestivi.
La terapia enzimatica mira a reintegrare l'equilibrio dei processi biochimici per compensare la carenza naturale o indotta da condizioni patologiche. Questo approccio può significativamente migliorare la qualità della vita dei pazienti, permettendo loro di gestire meglio le loro condizioni con meno dipendenza da farmaci più invasivi.
Integratori Enzimatici
L'integrazione di enzimi nella dieta quotidiana offre una moltitudine di benefici che vanno ben oltre il semplice miglioramento della digestione. L'adozione di integratori enzimatici può rappresentare una strategia efficace per chi cerca di ottimizzare la propria salute digestiva e, di conseguenza, il benessere generale.
La somministrazione di enzimi è consigliata in diverse situazioni, sia come supporto alla digestione quotidiana che come intervento mirato per condizioni specifiche. Primariamente, l'integrazione enzimatica è raccomandata per chi soffre di disturbi digestivi cronici come gonfiore, flatulenza, indigestione o sintomi di sindrome dell'intestino irritabile (IBS). È particolarmente utile per le persone che hanno difficoltà a digerire certi tipi di alimenti, come i latticini nel caso di intolleranza al lattosio, o i cereali contenenti glutine per chi soffre di sensibilità al glutine.
Sebbene gli enzimi siano generalmente considerati sicuri e ben tollerati dalla maggior parte delle persone, è importante essere consapevoli che, come qualsiasi supplemento, possono in alcuni casi provocare effetti collaterali. Prima di assumere integratori a base di enzimi è bene richiedere il parere preventivo del medico. In gravidanza e durante l'allattamento al seno è bene evitarne l'assunzione.
Tabella Riassuntiva dei Fattori che Influenzano l'Attività Enzimatica
| Fattore | Effetto sull'Attività Enzimatica |
|---|---|
| Concentrazione del substrato | Aumento fino alla saturazione dei siti attivi |
| pH | Ottimale in un intervallo specifico; valori estremi possono denaturare l'enzima |
| Temperatura | Aumento fino a un punto ottimale; temperature elevate possono denaturare l'enzima |
| Cofattori | Necessari per l'attività di alcuni enzimi; la loro assenza può inibire l'attività |
| Inibitori | Riduzione o blocco dell'attività enzimatica |