Scienze
Cosa sono gli enzimi e come funzionano?
Risposta veloce
Gli enzimi sono proteine che fanno da catalizzatori biologici: accelerano le reazioni chimiche degli esseri viventi senza consumarsi. Ognuno si adatta al suo substrato, come una chiave alla serratura.
In una frase
Gli enzimi sono proteine che accelerano le reazioni chimiche degli esseri viventi ed escono da ogni reazione senza cambiare, pronti a lavorare di nuovo.
Spiegazione
Il tuo corpo compie migliaia di reazioni chimiche ogni secondo: digerire il cibo, costruire muscoli, copiare il DNA. Alla temperatura del corpo la maggior parte di queste reazioni sarebbe troppo lenta per tenerti in vita. Ci pensano gli enzimi. Sono catalizzatori biologici: sostanze che accelerano una reazione senza consumarsi.
pane
formaggio
lente
Quasi tutti gli enzimi sono proteine: lunghe catene di amminoacidi ripiegate in una forma tridimensionale ben precisa. Sulla loro superficie c'è una piccola tasca, il sito attivo. La molecola su cui l'enzima agisce è il substrato. Quando il substrato entra nel sito attivo si forma il complesso enzima-substrato, avviene la reazione e vengono liberati i prodotti. L'enzima è di nuovo libero per il substrato successivo.
È il modello chiave-serratura: si lega solo un substrato con la forma giusta, come solo una chiave apre una serratura. Per questo gli enzimi sono specifici: l'amilasi scompone l'amido ma non tocca le proteine. Un modello più moderno, l'adattamento indotto, spiega che il sito attivo cambia leggermente forma quando il substrato si lega, come un guanto che si adatta alla mano.
Come accelerano le reazioni? Ogni reazione ha bisogno di una quantità minima di energia per partire: l'energia di attivazione. Tenendo il substrato nella posizione giusta e mettendo in tensione i suoi legami, l'enzima offre una strada più facile, con un'energia di attivazione più bassa. Più molecole hanno abbastanza energia per reagire, e la reazione va più veloce.
Tre fattori cambiano la velocità di un enzima:
- La temperatura. Scaldando, la reazione all'inizio accelera, perché le molecole si muovono di più e si urtano più spesso. Oltre la temperatura ottimale (circa 37 °C per molti enzimi umani) si rompono i legami che ne tengono la forma: il sito attivo si deforma, il substrato non entra più e l'enzima si denatura.
- Il pH. Ogni enzima ha un pH ottimale. La pepsina dello stomaco, molto acido, lavora meglio a pH 2; l'amilasi della saliva a pH 7. Troppo lontano dall'ottimo l'enzima si denatura (vedi acidi e basi).
- La concentrazione del substrato. Più substrato vuol dire più urti e la velocità sale, finché tutti i siti attivi sono occupati. A quel punto la velocità resta costante.
Gli enzimi lavorano nel tuo apparato digerente, dentro ognuna delle tue cellule e perfino in cucina: gli enzimi del lievito e della farina aiutano l'impasto del pane a lievitare, e la chimosina del caglio fa coagulare il latte per fare il formaggio. Il Parmigiano Reggiano, per esempio, si fa con caglio di vitello.
Esempi
| Enzima | Dove si produce | Che cosa fa | pH ottimale |
|---|---|---|---|
| Amilasi | ghiandole salivari, pancreas | amido → maltosio (uno zucchero) | circa 7 |
| Pepsina (una proteasi) | stomaco | proteine → catene più corte (peptidi) | circa 2 |
| Tripsina (una proteasi) | pancreas | proteine → peptidi | circa 8 |
| Lipasi | pancreas | grassi → acidi grassi + glicerolo | circa 8 |
| Catalasi | quasi tutte le cellule, molta nel fegato | acqua ossigenata → acqua + ossigeno | circa 7 |
| Chimosina (caglio) | stomaco dei vitelli; oggi prodotta soprattutto da microrganismi | fa coagulare le proteine del latte | leggermente acido |
Esempio svolto: in un esperimento, la catalasi del fegato produce 36 cm³ di ossigeno in 90 secondi. La velocità media di reazione è 36 : 90 = 0,4 cm³ di ossigeno al secondo.
Errori comuni
- «Il calore uccide gli enzimi.» Gli enzimi sono molecole, non esseri viventi. Si denaturano: cambiano forma e il sito attivo non si adatta più al substrato.
- «Gli enzimi si consumano nella reazione.» Ne escono intatti e vengono riutilizzati. È proprio questo che li rende catalizzatori.
- «Più caldo, più veloce.» Solo fino alla temperatura ottimale. Oltre, la velocità crolla perché l'enzima si denatura.
- «Tutti gli enzimi preferiscono 37 °C e pH 7.» La pepsina preferisce pH 2, e gli enzimi dei batteri delle sorgenti calde funzionano sopra i 70 °C.
Passo dopo passo
Passo dopo passo
- UrtoIl substrato si muove e urta l'enzima.
- LegameSe la forma è giusta, entra nel sito attivo e forma il complesso enzima-substrato.
- ReazioneL'enzima abbassa l'energia di attivazione, così i legami si rompono (o si formano) rapidamente.
- RilascioI prodotti hanno un'altra forma e lasciano il sito attivo.
- RipetizioneL'enzima, intatto, è pronto per la molecola di substrato successiva.
Come calcolare la velocità: se misuri la quantità di prodotto (o di substrato consumato) in un certo tempo, velocità = quantità : tempo, per esempio in cm³/s. Se misuri solo quanto tempo impiega la reazione a finire, usa velocità = 1 : tempo, in s⁻¹. Meno tempo significa velocità maggiore.
Esercizi
Enzimi: verifica che cosa sai
Prova ogni esercizio, poi controlla la risposta.
- Come si chiama la molecola su cui agisce un enzima?
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Il substrato - Quale enzima scompone l'amido, e in che cosa?
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L'amilasi, che lo trasforma in maltosio (uno zucchero). - Quale gruppo di enzimi scompone le proteine, e qual è il prodotto finale?
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Le proteasi; alla fine le proteine diventano amminoacidi. - In quali due prodotti la lipasi scompone i grassi?
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Acidi grassi e glicerolo - Perché l'amilasi non può digerire le proteine?
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Le proteine non entrano nel suo sito attivo: gli enzimi sono specifici. - Che cosa significa «denaturato»?
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La forma dell'enzima, compreso il sito attivo, è cambiata: il substrato non si adatta più e l'enzima smette di funzionare. - Un enzima ha l'ottimo a 37 °C. Confronta la sua velocità a 20 °C, 37 °C e 60 °C.
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A 20 °C più lenta (meno urti); a 37 °C la più alta; a 60 °C molto lenta o nulla (denaturato). - Il pH ottimale della pepsina sarà circa 2, 7 o 11?
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Lavora nell'acido dello stomaco: circa 2. - Un enzima produce 30 cm³ di gas in 60 s. Qual è la velocità media?
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30 : 60 = 0,5 cm³/s - L'amilasi digerisce tutto l'amido in una provetta in 120 s. Calcola la velocità con 1 : tempo.
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1 : 120 = 0,0083 s⁻¹ (con 2 cifre significative) - A una temperatura più alta la stessa reazione dura 40 s. Quante volte è più veloce?
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120 : 40 = 3 volte più veloce - Si forma gas a 0,25 cm³/s per 2 minuti. Quanto gas si ottiene?
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2 minuti = 120 s; 0,25 · 120 = 30 cm³ - Una provetta con l'enzima bollito non dà prodotto. Che cosa dimostra questo controllo?
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Bollire denatura l'enzima, quindi dimostra che è l'enzima a causare la reazione. - Aggiungere altro substrato non fa più aumentare la velocità. Perché?
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Tutti i siti attivi sono già occupati: ora è la quantità di enzima a limitare la velocità.
Problemi
Gli enzimi nella vita di tutti i giorni
Prova ogni esercizio, poi controlla la risposta.
- Un detersivo agli enzimi lava bene a 40 °C, ma male a 90 °C. Perché?
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A 90 °C le sue proteasi e lipasi si denaturano e smettono di sciogliere le macchie di cibo e di grasso. - Una gelatina fatta con ananas fresco non si rapprende, con ananas sciroppato in scatola sì. Perché?
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L'ananas fresco contiene una proteasi che scompone la gelatina (una proteina). Quello in scatola è stato scaldato, e così la proteasi si è denaturata. - Del fegato in acqua ossigenata produce 48 cm³ di ossigeno in 4 minuti. Scrivi la velocità in cm³/min e in cm³/s.
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48 : 4 = 12 cm³/min; 48 : 240 = 0,2 cm³/s - Il caglio fa coagulare il latte in 8 minuti a 35 °C e in 20 minuti a 25 °C. Calcola le due velocità (1 : tempo) e confrontale.
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1 : 8 = 0,125 min⁻¹ e 1 : 20 = 0,05 min⁻¹: a 35 °C è 2,5 volte più veloce. - L'impasto del pane lievita in una cucina calda, ma quasi per niente in frigorifero. Spiega perché.
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Gli enzimi del lievito lavorano più in fretta al caldo e producono più anidride carbonica. Al freddo rallentano, ma non si denaturano, quindi l'impasto riprende a lievitare quando si scalda.
Domande frequenti
Gli enzimi sono proteine?
Quasi tutti sì. Esistono alcune molecole di RNA, chiamate ribozimi, che catalizzano reazioni, ma a scuola «enzima» significa proteina.
Gli enzimi: cosa sono e a cosa servono?
Sono proteine che accelerano le reazioni chimiche nelle cellule. Servono a digerire il cibo, a produrre energia, a copiare il DNA e a svolgere quasi tutte le reazioni della vita.
Come fanno gli enzimi ad abbassare l'energia di attivazione?
Il sito attivo tiene il substrato nella posizione migliore e mette in tensione i suoi legami, offrendo una strada più facile. Serve meno energia per far partire la reazione, così reagiscono più molecole ogni secondo.
Gli enzimi digestivi fanno dimagrire?
Non ci sono buone prove scientifiche che facciano perdere peso. Il pancreas e l'intestino producono già gli enzimi digestivi; i farmaci a base di enzimi li prescrive il medico per malattie precise. Anche quando e come prenderli lo indicano il medico o il foglietto illustrativo.
Che cosa sono gli enzimi cardiaci ed epatici negli esami del sangue?
Le cellule del cuore e del fegato contengono enzimi, e una parte passa nel sangue quando quelle cellule si danneggiano. Per questo i medici li misurano come indizio; solo un medico può interpretare un risultato.
Come funzionano gli enzimi di restrizione?
Sono enzimi dei batteri che tagliano il DNA in punti precisi, come forbici molecolari. In laboratorio si usano nell'ingegneria genetica.
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Gli enzimi
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Acidi e basi
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Velocità di reazione
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