Enzimi: pH e temperatura

Gli enzimi sono sostanze di natura proteica che agiscono da catalizzatori negli organismi viventi e accelerano la velocità delle reazioni termodinamicamente spontanee. Senza gli enzimi la velocità di molte reazioni biochimiche sarebbero così lente che la vita non si manifesterebbe ai ritmi che conosciamo.

Processi naturali quali la:

• digestione del cibo
• conservazione e la trasformazione dell’energia chimica
• costruzione di macromolecole a partire da piccoli precursori

sono tutti supportati da enzimi.

Infatti se all’organismo manca uno specifico enzima esso va incontro a una serie notevole di problematiche: si pensi ad esempio a quanti non metabolizzano il lattosio per la mancanza dell’enzima lattasi.

La fermentazione del vino, il processo di lievitazione del pane, la cagliatura del formaggio, la fermentazione della birra sono processi noti fin dall’antichità. Solo in tempi più recenti si è scoperto che avvengono solo grazie ad enzimi particolari. Stante la loro importanza gli enzimi sono stati usati in molti campi quali la produzione di farmaci e in campo industriale.

Modalità di azione degli enzimi

Gli enzimi agiscono in modo specifico e selettivo: una minima variazione della molecola con la quale esse interagiscono può fermare infatti la loro attività catalitica a causa della presenza del sito attivo. I siti attivi sono infatti crepe o avvallamenti dovuti al folding della proteina.

Solo molecole aventi una determinata struttura e una particolare disposizione di determinati gruppi possono incunearsi in tali siti attivi. ll primo modello  messo a punto per spiegare la specificità degli enzimi è quello suggerito da Fischernel 1894, secondo il quale l’enzima e il substrato possiedono una forma esattamente complementare che ne permette un incastro  perfetto. Tale modello è spesso definito come chiave-serratura.

Gli enzimi accelerano la velocità delle reazioni rendendo la reazione da 10⁶  a 10¹² volte più veloce in quanto ne abbassano l’energia di attivazione:

pH

Ogni enzima ha un valore di pH ottimale in cui riesce ad esplicare al meglio le sue funzioni: ogni variazione di pH ne influenza notevolmente l’attività in quanto provoca una alterazione della struttura sia dell’enzima che del substrato. Al valore ottimale di pH diverso da enzima ad enzima, quest’ultimo rende la reazione più veloce rispetto a qualsiasi altro valore di pH.

Ad esempio, la pepsina, enzima proteolitico che provvede alla digestione parziale delle proteine trasformandole in peptidi, è molto attiva in ambiente acido mentre la tripsina, che catalizza il taglio proteolitico con specificità per l’arginina e la lisina, è più attiva in ambiente debolmente basico.

Un aumento o una diminuzione di pH, con conseguente variazione della concentrazione degli ioni H⁺ presenti, induce un’ alterazione della struttura dell’enzima e a volte anche del substrato a causa della formazione o della rottura di nuovi legami.

La variazione del sito attivo dell’enzima determina il fenomeno per il quale esso non può più legarsi al substrato. In un intervallo ristretto di pH le variazioni strutturali dell’enzima e del substrato possono essere reversibili. Una variazione significativa di pH può provocare l’irreversibile denaturazione dell’enzima ovvero la modifica della struttura secondaria, terziaria o quaternaria. Esso  pertanto non potrà più esercitare la sua attività determinando  l’impossibilità che la reazione avvenga in quanto l’enzima è reso inattivo.

Temperatura

La temperatura può influenzare un enzima in due modi: il primo è una diretta influenza sulla velocità della reazione mentre il secondo consiste nella denaturazione dello stesso ad elevate temperature.

Temperatura e velocità di reazione sono correlate dall’equazione di Arrhenius:

k = A e^{(- Ea/RT)}

nella quale k è la costante specifica di velocità di reazione; A è una costante caratteristica della reazione; E_a è l’energia di attivazione; R è la costante universale dei gas e T è la temperatura assoluta.

L’intervallo di temperatura entro il quale gli enzimi mostrano la loro attività è limitato dalla temperatura di solidificazione ( 0°C) e la temperatura di ebollizione dell’acqua (100 °C). Se la temperatura è troppo bassa potrebbe verificarsi che la velocità della reazione è lentissima in quanto l’enzima si trova a dover operare ad una temperatura lontana da quella ottimale. Se la temperatura è alta può verificarsi una disattivazione termica. Pertanto è necessario, nel progettare una reazione in cui è necessaria la presenza di un enzima, determinare la temperatura in cui esso può esplicare la massima attività.