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. La parola enzima deriva dal greco en (=dentro) e zume (=lievito) e fu utilizzata per la prima volta nel 1878 dal fisiologo tedesco Wilhelm Kühne quando descrisse la capacità del lievito di produrre alcol a partire da zuccheri. Gli enzimi sono catalizzatori biologici delle reazioni biochimiche che avvengono all'interno e all'esterno della cellula.
Definizione e Caratteristiche degli Enzimi
Gli enzimi sono catalizzatori biologici, ossia molecole (principalmente proteine) che accelerano moltissimo la velocità delle reazioni chimiche negli organismi viventi. Scomponendo questa definizione: biologici significa che sono presenti naturalmente negli esseri viventi. Mentre un catalizzatore accelera la velocità delle reazioni chimiche e non vengono consumati o "esauriti", ma rimangono inalterati. Pertanto, gli enzimi possono essere riutilizzati per accelerare molte altre reazioni. I ribozimi (enzimi dell'acido ribonucleico), scoperti negli anni '80, sono molecole di RNA con capacità enzimatiche. Sono esempi di acidi nucleici (RNA) che funzionano come enzimi.
Come accennato, la maggior parte degli enzimi sono rappresentati da molecole di natura proteica, soprattutto proteine globulari idrosolubili. Possono essere costituiti da una singola catena polipeptidica o da più catene, generalmente unite tramite legami deboli. Inoltre, alcuni enzimi sono proteine semplici, mentre altri sono costituiti da proteine complesse o coniugate (es: lipoproteine, glicoproteine, metalloproteine). Gli enzimi si localizzano in aree specifiche della cellula in base alla loro funzione. Ad esempio, gli enzimi necessari per le reazioni della glicolisi saranno localizzati nel citoplasma.
Inoltre, avrai notato durante lo studio di altre vie metaboliche, come la glicolisi, che quasi tutti i nomi degli enzimi terminano in -asi. Gli enzimi prendono il nome dal substrato o dalla reazione chimica che catalizzano. Difatti, gli enzimi catalizzano reazioni che coinvolgono vari substrati, come il lattosio (enzima: lattasi) e l'amido (enzima: amilasi), e reazioni chimiche come le reazioni di ossidazione/riduzione. La glucosio ossidasi (talvolta scritta nella forma più breve GOx o GOD) può svolgere anche attività antibatteriche. La troviamo nel miele, che funge da conservante naturale (contribuisce alla distruzione di microbi). Alcuni enzimi hanno anche funzione strutturale, come nel caso della ATPasi miosinica, presente nelle miofibrille del tessuto muscolare, e che consente la contrazione muscolare in presenza di ATP.
Come Funzionano gli 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.
Leggi anche: Leggi l'Articolo Completo sugli Enzimi
Il Ruolo degli Enzimi nel Metabolismo
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 Sito Attivo 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. 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 Complesso Enzima-Substrato
La struttura degli enzimi Come tutte le proteine globulari, gli enzimi hanno una struttura sferica, con catene polipeptidiche ripiegate a determinarne la conformazione strutturale. La sequenza di amminoacidi (la struttura primaria) è attorcigliata e ripiegata per formare una struttura terziaria (tridimensionale). Essendo proteine globulari, gli enzimi sono altamente funzionali. Una particolare area funzionale dell'enzima è chiamata sito attivo. Si tratta di una leggera depressione sulla superficie dell'enzima. Il sito attivo presenta un piccolo numero di amminoacidi che possono formare legami temporanei con altre molecole. In genere, su ogni enzima è presente un solo sito attivo. La molecola che può legarsi al sito attivo è chiamata substrato. Un complesso enzima-substrato si forma quando il substrato si lega temporaneamente al sito attivo.
Come si forma il complesso enzima-substratoDi seguito sono riportati i passi della formazione di un complesso enzima-substrato:
- Un substrato si lega al sito attivo e forma un complesso enzima-substrato. L'interazione del substrato con il sito attivo richiede un orientamento e una velocità specifici.
- Il substrato si converte in prodotti. Questa reazione è catalizzata dall'enzima, che forma un complesso enzima-prodotto.
- I prodotti si staccano dall'enzima. L'enzima è libero e può essere riutilizzato.
- Substrato: la molecola che si lega all'enzima e della quale l'enzima catalizza la trasformazione in prodotto.
- Sito attivo: area situata sulla superficie di un enzima specifica per il legame del substrato che verrà convertito in prodotto.
La struttura tridimensionale degli enzimi è determinata dalla loro struttura primaria (sequenza degli aminoacidi). Questa sequenza è determinata da geni specifici. Nella sintesi proteica, questi geni richiedono enzimi costituiti da proteine per produrre proteine (alcune delle quali sono enzimi!). Come hanno potuto i geni iniziare a produrre proteine migliaia di anni fa se avevano bisogno di proteine per farlo? Gli scienziati, ad oggi, sono riusciti a comprendere solo in parte questo affascinante mistero della biologia. Secondo te, chi è arrivato prima: il gene o l'enzima?
Leggi anche: Approfondimento sugli Enzimi Digestivi
Fattori che Influenzano l'Azione degli Enzimi
L'attività enzimatica può essere regolata in modo passivo da diversi fattori come:
- La concentrazione di substrato.
- Il pH.
- La temperatura.
- Presenza di cofattori.
Cofattore: piccola molecola di natura non proteica o ione metallico in grado di associarsi all'enzima determinandone un cambiamento nell'attività enzimatica (nella maggior parte dei casi, perdità di funzionalità). Tuttavia, è di fondamentale importanza che gli enzimi siano attivi e nella giusta posizione per catalizzare le reazioni biochimiche. Essi subiscono anche una regolazione attiva. Quest'ultima avviene tramite l'interazione con altre molecole in grado di interagire con gli enzimi e determinarne un aumento o diminuzione dell'attività.
Gli Enzimi Digestivi
Gli enzimi digestivi aiutano l'apparato digerente a scomporre i cibi introdotti mediante l'alimentazione, rendendoli facilmente assimilabili dall’organismo. Gli enzimi digestivi assunti mediante integratori sarebbero in grado di facilitare il processo digestivo in caso di intolleranze. Oltre a venire impiegati in presenza di problemi digestivi (dolori addominali, flatulenza) e in caso di intolleranze alimentari, vengono utilizzati anche dagli sportivi che seguono un'alimentazione ad alto contenuto proteico. Gli integratori a base di enzimi sono controindicati nei soggetti con ipersensibilità a uno qualsiasi dei componenti del prodotto. 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.
Gli enzimi operano combinandosi con una sostanza specifica per trasformarla in una sostanza diversa; esempi classici sono dati dagli enzimi digestivi presenti nella saliva, nello stomaco, nel pancreas e nell'intestino tenue, che esplicano una funzione essenziale nella digestione e contribuiscono a scindere gli alimenti nei costituenti di base, che possono quindi essere assorbiti e utilizzati dall'organismo, elaborati da altri enzimi o espulsi come rifiuti. Ogni enzima ha un ruolo specifico: quello che scinde i grassi, per esempio, non agisce sulle proteine o sui carboidrati. Gli enzimi sono essenziali per il benessere dell'organismo. La carenza, anche di un singolo enzima, può provocare gravi disturbi.
Enzimi nell'Industria Alimentare
Innumerevoli processi di trasformazione degli alimenti (desiderati o no) sono catalizzati da enzimi. Basti pensare ai prodotti da forno a lievitazione naturale: il processo fermentativo non avverrebbe senza gli enzimi prodotti da lieviti e batteri. 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. Gli enzimi che si trovano in commercio sono disponibili in forma liquida o essiccata (granulare e in polvere).
Leggi anche: Come Funzionano le Punture di Enzimi per Dimagrire?
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.
Esempi di Utilizzo degli Enzimi nell'Industria Alimentare
- Sciroppi ad alto contenuto di fruttosio (HFCS): Vengono prodotti 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. Poiché il potere dolcificante del glucosio è piuttosto basso (75, fatto 100 quello del saccarosio), per rendere lo sciroppo più dolce si procede a un secondo attacco enzimatico, questa volta con l’enzima glucosio isomerasi, che catalizza la trasformazione di glucosio in fruttosio, un monosaccaride con potere dolcificante 150. Negli sciroppi ad alto contenuto di fruttosio (HFCS, High Fructose Corn Syrup) la percentuale di fruttosio supera il 50%.
- 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. In questo modo latte e derivati possono essere assunti anche dagli intolleranti al lattosio. Nella produzione di latte delattosato l’Italia vanta un primato: il processo è stato sviluppato nel 1975 dalla Centrale del latte di Milano. All’epoca si utilizzava l’enzima immobilizzato su una resina attraverso la quale si faceva passare il latte.
- Prodotti da forno: L’utilizzo di enzimi nel settore dei prodotti da forno è cresciuto enormemente negli ultimi anni poiché permette di migliorare il risultato senza dovere dichiarare queste sostanze in etichetta. Questo perché gli enzimi, venendo distrutti dal processo di cottura, nei prodotti da forno finiti non svolgono più alcuna funzione e sono perciò considerati coadiuvanti tecnologici, per i quali non c’è obbligo di inserimento nell’elenco degli ingredienti. Rimpiazzare gli additivi con gli enzimi, quindi, si traduce in un’etichetta pulita.
- Detersivi: Esistono detergenti enzimatici che sono in grado di idrolizzare le molecole alimentari (proteine, lipidi, amido) facilitandone la rimozione. Servono anche per eliminare i biofilm, ossia formazioni di colonie batteriche racchiuse in matrici polisaccaridiche extracellulari prodotte dai batteri stessi, che aderiscono alle superfici e sono molto difficili da rimuovere.
Enzimi e Surgelazione
SURGELATI: gli enzimi continuano ad agire anche a temperature negative (seppure molto più lentamente). Reazioni di degradazione degli alimenti catalizzate da enzimi - come ossidazioni, imbrunimento, idrolisi delle proteine, irrancidimento dei grassi, formazione di composti indesiderati - possono perciò avere luogo anche nei surgelati. Allo scopo di inattivare gli enzimi prima della surgelazione i vegetali vengono sottoposti a blanching, un trattamento che consiste in una veloce scottatura mediante vapore o immersione in acqua calda.
Enzimi e Gelatina
GELATINA: ananas, papaia, kiwi e fichi sono ricchi di proteasi e ciò ne rende impossibile l’utilizzo con gelatine proteiche perché gli enzimi di questi frutti provocherebbero l’idrolisi delle proteine, impedendo così la formazione della tipica struttura del gel.
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. Ad esempio, per chi soffre di insufficienze enzimatiche digestive, i supplementi di enzimi possono aiutare a migliorare la digestione e l'assorbimento dei nutrienti essenziali, riducendo sintomi come gonfiore, gas e disagio. 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.
La Scoperta degli Enzimi
L'attività degli enzimi è stata sfruttata dall'uomo fin dall'antichità, ad esempio nella produzione di formaggi, dove l'enzima renina (un'enzima presente nello stomaco dei ruminanti) si era già rivelato un elemento fondamentale. Tuttavia, l'identificazione, isolamento e studio degli enzimi per consentire una comprensione più dettagliata della struttura e delle funzioni di queste molecole ha richiesto molti anni e molti passaggi. Infatti, il fisiologo tedesco Wilhelm Kuhne nel 1978 fu il primo a coniare il termine enzimi (dal greco: nel lievito), ipotizzando che queste molecole fossero presenti soltanto nei lieviti, come osservato precedentemente da Louis Pasteur. Studi successivi a queste prime osservazioni portarono all'identificazione di diversi enzimi e alla dimostrazione della natura proteica di queste molecole, scoperta che valse il premio Nobel ai ricercatori che caratterizzarono gli enzimi in esame. La scoperta e caratterizzazione degli enzimi diete un contributo sostanziale nello sviluppo delle scienze biologiche.
Tabella Riassuntiva degli Enzimi e le Loro Funzioni
| Enzima | Funzione | Esempio di Utilizzo |
|---|---|---|
| Amilasi | Idrolizza l'amido in zuccheri più semplici | Produzione di sciroppi ad alto contenuto di fruttosio |
| Lattasi | Scinde il lattosio in glucosio e galattosio | Produzione di latte delattosato |
| Proteasi | Idrolizza le proteine | Detergenti enzimatici |
| Lipasi | Idrolizza i trigliceridi | Produzione di pane e lievitati dolci |
| Invertasi (E1103) | Scinde il saccarosio in glucosio e fruttosio | Additivo alimentare |
| Lisozima (E1105) | Inibisce la crescita di clostridi | Produzione di formaggi stagionati |
Enzimi - Punti Chiave
- Gli enzimi sono catalizzatori biologici delle reazioni biochimiche che avvengono all'interno e all'esterno della cellula.
- La maggior parte degli enzimi sono rappresentati da molecole di natura proteica, soprattutto proteine globulari idrosolubili.
- In genere, su ogni enzima è presente un solo sito attivo. La molecola che può legarsi al sito attivo è chiamata substrato. Un complesso enzima-substrato si forma quando il substrato si lega temporaneamente al sito attivo.
- Le interazioni tra enzima e substrato si sviluppano su tre passi principali: a) Il substrato si lega al sito attivo; b) Il substrato viene convertito in prodotto; c) Il prodotto lascia l'enzima e l'enzima è pronto per accettare un nuovo substrato.
- Gli enzimi si localizzano in aree specifiche della cellula in base alla loro funzione.