CONCETTO
Gli enzimi sono catalizzatori biologici o sostanze chimiche che accelerano la velocità di reazione tra le sostanze senza essere consumate nella reazione. Come tali, sono vitali per tali funzioni corporee come la digestione e rendono possibili processi che normalmente non potrebbero verificarsi se non a temperature così alte che minaccerebbero il benessere del corpo. Un tipo di proteina, gli enzimi a volte lavorano in tandem con le non proteine chiamate coenzimi., Tra i processi in cui gli enzimi svolgono un ruolo vitale c’è la fermentazione, che avviene nella produzione di alcol o nella cottura del pane e svolge anche un ruolo in numerosi altri fenomeni naturali, come la purificazione delle acque reflue.
COME FUNZIONA
Aminoacidi, proteine e biochimica
Gli amminoacidi sono composti organici fatti di carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto e (in alcuni casi) zolfo legato in formazioni caratteristiche., Stringhe di 50 o più aminoacidi sono noti come proteine, grandi molecole che servono le funzioni di promuovere la crescita normale, riparare il tessuto danneggiato, contribuire al sistema immunitario del corpo e fare enzimi. Questi ultimi sono un tipo di proteina che funziona come catalizzatore, una sostanza che accelera una reazione chimica senza parteciparvi. I catalizzatori, di cui gli enzimi nei corpi di piante e animali sono un buon esempio, quindi non vengono consumati nella reazione.,
Catalizzatori
In una reazione chimica, sostanze note come reagenti interagiscono tra loro per creare nuove sostanze, chiamate prodotti. L’energia è una componente importante nella reazione chimica, perché una certa soglia, chiamata energia di attivazione, deve essere attraversata prima che si verifichi una reazione. Per aumentare la velocità con cui avviene una reazione e per accelerare l’attraversamento della soglia di energia di attivazione, è necessario fare una delle tre cose.,
Le prime due opzioni sono di aumentare la concentrazione di reagenti o la temperatura alla quale avviene la reazione. Non è sempre possibile o auspicabile, tuttavia, fare una di queste cose. Molti dei processi che avvengono nel corpo umano, per esempio, normalmente richiederebbero alte temperature-temperature, infatti, che sono troppo alte per sostenere la vita umana. Immaginate cosa accadrebbe se l’unico modo che abbiamo avuto di digerire l’amido è stato quello di riscaldarlo al punto di ebollizione all’interno dei nostri stomaci!, Fortunatamente, c’è una terza opzione: l’introduzione di un catalizzatore, una sostanza che accelera una reazione senza parteciparvi né come reagente né come prodotto. I catalizzatori quindi non vengono consumati nella reazione. Gli enzimi, che facilitano le reazioni necessarie nel nostro corpo senza aumentare le temperature o aumentare le concentrazioni di sostanze, sono un primo esempio di catalizzatore chimico.
LA SCOPERTA DELLA CATALISI.,
Molto prima che i chimici riconoscessero l’esistenza dei catalizzatori, la gente comune usava il processo chimico noto come catalisi per numerosi scopi: fare sapone, fermentare il vino per creare aceto o lievitare il pane, per esempio. All’inizio del diciannovesimo secolo, i chimici iniziarono a prendere nota di questo fenomeno. Nel 1812 il chimico russo Gottlieb Kirchhoff (1764-1833) stava studiando la conversione degli amidi in zucchero in presenza di acidi forti quando notò qualcosa di interessante.,
Quando una sospensione di amido (cioè particelle di amido sospese in acqua) è stata bollita, ha osservato Kirchhoff, non si è verificato alcun cambiamento nell’amido. Quando ha aggiunto alcune gocce di acido concentrato prima di far bollire la sospensione, tuttavia, ha ottenuto un risultato molto diverso. Questa volta, l’amido si ruppe per formare glucosio, un semplice zucchero (vedi Carboidrati), mentre l’acido—che chiaramente aveva facilitato la reazione—non subì alcun cambiamento., Nel 1835 il chimico svedese Jöns Berzelius (1779-1848) fornì un nome al processo osservato da Kirchhoff: catalisi, derivata dalle parole greche kata (“giù”) e lyein (“allentare”). Solo due anni prima, nel 1833, il fisiologo francese Anselme Payen (1795-1871) aveva isolato dal malto un materiale che accelerava la conversione dell’amido in zucchero, ad esempio nella produzione della birra.
Il famoso chimico francese Louis Pasteur (1822-1895), che aveva ragione su tante cose, chiamò questi catalizzatori fermenti e li pronunciò organismi separati., Nel 1897, tuttavia, il biochimico tedesco Eduard Buchner (1860-1917) isolò i catalizzatori che provocano la fermentazione dell’alcol e determinò che erano sostanze chimiche, non organismi. A quel tempo, il fisiologo tedesco Willy Kahne aveva suggerito il nome enzima per questi catalizzatori nei sistemi viventi.
Substrati e siti attivi
Ogni tipo di enzima è orientato a interagire chimicamente con una sola particolare sostanza o tipo di sostanza, chiamato substrato., Le due parti si incastrano, secondo una teoria ampiamente accettata introdotta nel 1890 dal chimico tedesco Emil Fischer (1852-1919), come una chiave si inserisce in una serratura. Ogni tipo di enzima ha una specifica forma tridimensionale che gli consente di adattarsi al substrato, che ha una forma complementare.
Il legame tra enzimi e substrati è così forte che gli enzimi spesso prendono il nome dal substrato coinvolto, semplicemente aggiungendo ase al nome del substrato., Ad esempio, la lattasi è l’enzima che catalizza la digestione del lattosio, o zucchero del latte, e l’ureasi catalizza la degradazione chimica dell’urea, una sostanza nelle urine. Gli enzimi legano i loro reagenti o substrati a pieghe e fessure speciali, denominati siti attivi, nella struttura del substrato. Poiché sono necessarie numerose interazioni nel loro lavoro di catalisi, gli enzimi devono avere molti siti attivi, e quindi sono molto grandi, con cifre di massa atomica fino a un milione di amu., (Un’unità di massa atomica, o amu, è approssimativamente uguale alla massa di un protone, una particella carica positivamente nel nucleo di un atomo.)
Supponiamo che una molecola di substrato, come un amido, debba essere spezzata ai fini della digestione in un corpo vivente. L’energia necessaria per rompere il substrato è abbastanza grande, più grande di quella disponibile nel corpo. Un enzima con la forma molecolare corretta arriva sulla scena e si attacca alla molecola del substrato, formando un legame chimico al suo interno., La formazione di questi legami provoca la rottura di altri legami all’interno della molecola del substrato, dopo di che l’enzima, terminato il suo lavoro, passa a un’altra molecola di substrato non catalizzata.
Coenzimi
Tutti gli enzimi appartengono alla famiglia delle proteine, ma molti di loro non sono in grado di partecipare a una reazione catalitica fino a quando non si collegano con un componente non proteico chiamato coenzima. Questa può essere una molecola di medie dimensioni chiamata gruppo protesico, oppure può essere uno ion metallico (un atomo con una carica elettrica netta), nel qual caso è noto come cofattore., Molto spesso, però, i coenzimi sono composti interamente o parzialmente di vitamine. Sebbene alcuni enzimi siano attaccati molto strettamente ai loro coenzimi, altri possono essere separati facilmente; in entrambi i casi, la separazione disattiva quasi sempre entrambi i partner.
Il primo coenzima fu scoperto dal biochimico inglese Sir Arthur Harden (1865-1940) intorno alla fine del diciannovesimo secolo. Ispirato da Buchner, che nel 1897 aveva rilevato un enzima attivo nel succo di lievito che aveva chiamato zymase, Harden utilizzato un estratto di lievito nella maggior parte dei suoi studi., Ben presto scoprì che anche dopo la bollitura, che presumibilmente distrusse gli enzimi nel lievito, tale lievito disattivato poteva essere riattivato. Questa scoperta ha portato Harden alla realizzazione che un enzima di lievito apparentemente consiste di due parti: una grande porzione molecolare che non poteva sopravvivere all’ebollizione ed era quasi certamente una proteina e una porzione più piccola che era sopravvissuta e probabilmente non era una proteina. Harden, che in seguito condivise il premio Nobel per la chimica del 1929 per questa ricerca, definì la non proteina un coferment, ma altri iniziarono a chiamarla coenzima.,
APPLICAZIONI REALI
Il corpo, il cibo e la digestione
Gli enzimi consentono le molte reazioni chimiche che si verificano in qualsiasi secondo all’interno del corpo di una pianta o di un animale. Un esempio di enzima è il citocromo, che aiuta il sistema respiratorio catalizzando la combinazione di ossigeno con idrogeno all’interno delle cellule. Altri enzimi facilitano la conversione del cibo in energia e rendono possibile una varietà di altre funzioni biologiche necessarie. Gli enzimi nel corpo umano svolgono una delle tre funzioni di base., Il più grande di tutti i tipi di enzimi, a volte chiamati enzimi metabolici, aiuta in una vasta gamma di processi corporei di base, dalla respirazione al pensiero. Alcuni di questi enzimi sono dedicati al mantenimento del sistema immunitario, che ci protegge dalle malattie, e altri sono coinvolti nel controllo degli effetti delle tossine, come il fumo di tabacco, convertendoli in forme che il corpo può espellere più facilmente.
Una seconda categoria di enzimi è nella dieta e consiste di enzimi negli alimenti crudi che aiutano nel processo di digestione di tali alimenti., Includono proteasi, che implementano la digestione delle proteine; lipasi, che aiutano a digerire lipidi o grassi; e amilasi, che consentono di digerire i carboidrati. Tali enzimi mettono in moto il processo digestivo anche quando il cibo è ancora in bocca. Mentre questi enzimi si muovono con il cibo nella parte superiore dello stomaco, continuano ad aiutare con la digestione.
Il terzo gruppo di enzimi è anche coinvolto nella digestione, ma questi enzimi sono già nel corpo., Le ghiandole digestive secernono succhi contenenti enzimi che scompongono chimicamente i nutrienti in molecole più piccole che sono più facilmente assorbite dal corpo. L’amilasi nella saliva inizia il processo di scomposizione dei carboidrati complessi in zuccheri semplici. Mentre il cibo è ancora in bocca, lo stomaco inizia a produrre pepsina, che, come la proteasi, aiuta a digerire le proteine.
Successivamente, quando il cibo entra nell’intestino tenue, il pancreas secerne il succo pancreatico—che contiene tre enzimi che abbattono carboidrati, grassi e proteine—nel duodeno, che fa parte dell’intestino tenue., Gli enzimi del cibo finiscono tra i nutrienti circolati nel corpo attraverso il plasma, un liquido acquoso in cui i globuli rossi sono sospesi. Questi enzimi nel sangue assistono il corpo in tutto, dalla crescita alla protezione contro le infezioni.
Un enzima digestivo che dovrebbe essere nel corpo, ma non è sempre presente, è la lattasi. Come abbiamo notato in precedenza, la lattasi lavora sul lattosio, il principale carboidrato nel latte, per implementare la sua digestione. Se una persona manca di questo enzima, il consumo di latticini può causare diarrea, gonfiore e crampi., Si dice che una tale persona sia “intollerante al lattosio” e se deve consumare prodotti caseari, deve essere in forme che contengono lattasi. Per questo motivo, il latte Lactaid viene venduto nella sezione specialità lattiero-casearia dei principali supermercati, mentre molti negozi di alimenti naturali vendono compresse lactaid.
Fermentazione
La fermentazione, nel suo senso più ampio, è un processo che coinvolge enzimi in cui un composto ricco di energia viene scomposto in sostanze più semplici., A volte viene anche identificato come un processo in cui grandi molecole organiche (quelle contenenti idrogeno e carbonio) vengono scomposte in molecole più semplici come risultato dell’azione di microrganismi che lavorano anaerobicamente o in assenza di ossigeno. Il tipo più familiare di fermentazione è la conversione di zuccheri e amidi in alcol da parte di enzimi nel lievito. Per distinguere questa reazione da altri tipi di fermentazione, il processo è talvolta definito fermentazione alcolica o etanolica.
Ad un certo punto della preistoria umana, gli esseri umani hanno scoperto che gli alimenti si rovinano o vanno male., Eppure agli albori della storia—cioè nell’antico Sumero e in Egitto-la gente ha scoperto che a volte il “deterioramento” (cioè la fermentazione) dei prodotti poteva avere risultati benefici. Quindi la fermentazione dei succhi di frutta, ad esempio, ha portato alla formazione di forme primitive di vino. Nel corso dei secoli successivi, le persone hanno imparato a fare sia le bevande alcoliche che il pane attraverso l’uso controllato della fermentazione.
BEVANDE ALCOLICHE.,
In fermentazione, l’amido viene convertito in zuccheri semplici, come il saccarosio e il glucosio, e attraverso una complessa sequenza di circa 12 reazioni, questi zuccheri vengono poi convertiti in alcol etilico (il tipo di alcol che può essere consumato, al contrario di alcool metilico e altre forme tossiche) e anidride carbonica. Numerosi enzimi sono necessari per eseguire questa sequenza di reazioni,la più importante è la zymase, che si trova nelle cellule di lievito. Questi enzimi sono sensibili alle condizioni ambientali, in modo tale che quando la concentrazione di alcol raggiunge circa il 14%, vengono disattivati., Per questo motivo, nessun prodotto di fermentazione (come il vino) può avere una concentrazione alcolica superiore a circa il 14%. Le bevande alcoliche più forti, come il whisky, sono il risultato di un altro processo, la distillazione.
Le bevande alcoliche che possono essere prodotte dalla fermentazione variano ampiamente, a seconda principalmente di due fattori: la pianta che viene fermentata e gli enzimi utilizzati per la fermentazione., A seconda dei materiali a loro disposizione, vari popoli hanno usato uva, bacche, mais, riso, grano, miele, patate, orzo, luppolo, succo di cactus, radici di manioca e altri materiali vegetali per la fermentazione per produrre vini, birre e altre bevande fermentate. Il prodotto naturale utilizzato nella produzione della bevanda di solito determina il nome del prodotto sintetico. Così, per esempio, il vino fatto con riso—una tradizione antica in Giappone-è conosciuto come sake, mentre una bevanda fermentata a base di orzo, luppolo o zucchero di malto ha un nome molto familiare agli americani: birra., L’uva produce vino, ma il” vino ” ottenuto dal miele è noto come idromele.
ALTRI ALIMENTI.
Naturalmente, l’alcol etilico non è l’unico prodotto utile della fermentazione o anche della fermentazione con lievito; così, anche, sono prodotti da forno, come il pane. L’anidride carbonica generata durante la fermentazione è una componente importante di tali articoli. Quando la pastella per il pane viene mescolata, viene aggiunta una piccola quantità di zucchero e lievito., Il pane poi sale, che è più di un semplice modo di dire: in realtà sbuffa come risultato della fermentazione dello zucchero da parte degli enzimi nel lievito, che provoca la formazione di anidride carbonica. L’anidride carbonica conferisce alla pastella voluminosità e consistenza che mancherebbero senza il processo di fermentazione. Un’altra applicazione alimentare della fermentazione è la produzione di un tipo di cibo trasformato da una varietà cruda e naturale., La conversione delle olive crude nelle olive vendute nei negozi, dei cetrioli in sottaceti e del cavolo in crauti utilizza un particolare batterio che aiuta in un tipo di fermentazione.
APPLICAZIONI INDUSTRIALI.
C’è anche una ricerca in corso sulla creazione di prodotti commestibili dalla fermentazione del petrolio. Mentre questo può sembrare un po ‘ inverosimile, è meno difficile da comprendere alimentando auto con un prodotto ecologico di fermentazionenoto come gasohol., Gasohol ha iniziato a fare notizia nel 1970, quando un embargo petrolifero e conseguente aumento dei prezzi del gas, combinato con crescenti preoccupazioni ambientali, sollevato la necessità di un tipo di combustibile che avrebbe usato meno petrolio. Una miscela di circa il 90% di benzina e il 10% di alcol, gasohol brucia in modo più pulito che la benzina da sola e fornisce un metodo promettente per l’utilizzo di risorse rinnovabili (materiale vegetale) per estendere la disponibilità di una risorsa non rinnovabile (petrolio). Inoltre, l’alcol necessario per questo prodotto può essere ottenuto dalla fermentazione di rifiuti agricoli e urbani.,
Le applicazioni della fermentazione coprono un ampio spettro, dai farmaci che entrano nel corpo delle persone alla pulizia delle acque contenenti rifiuti umani. Alcuni antibiotici e altri farmaci sono preparati per fermentazione: ad esempio, il cortisone, utilizzato nel trattamento dell’artrite, può essere prodotto fermentando uno steroide vegetale noto come diosgenina. Nel trattamento delle acque reflue, anaerobiche o non dipendenti dall’ossigeno, i batteri vengono utilizzati per fermentare il materiale organico. Pertanto, i rifiuti solidi vengono convertiti in anidride carbonica, acqua e sali minerali.
DOVE PER SAPERNE DI PIÙ
Asimov, Isaac., Le sostanze chimiche della vita: enzimi, vitamine, ormoni. New York: Abelard-Schulman, 1954.
Fruton, Joseph S. Un biochimico scettico. Cambridge, MA: Harvard University Press, 1992.Kornberg, Arthur. Per amore degli enzimi: l’odissea di un biochimico. Cambridge, MA: Harvard University Press, 1989.
TERMINI CHIAVE
ENERGIA DI ATTIVAZIONE:
Una soglia che deve essere superata per facilitare una reazione chimica., Ci sono tre modi per raggiungere l’energia di attivazione: aumentando la concentrazione di reagenti, aumentando la loro temperatura, o introducendo un catalizzatore, come un enzima.
SITI ATTIVI:
Pieghe e fenditure sulla superficie di un enzima che consentono il collegamento al suo particolare substrato.
AMINOACIDI:
Composti organici costituiti da carbonio, idrogeno, ossigeno, nitro gen e (in alcuni casi) zolfo legati in formazioni caratteristiche. Stringhe di aminoacidi costituiscono proteine.,
BIOCHIMICA:
L’area delle scienze bio logiche che riguardano le sostanze chimiche e i processi negli organismi.
CARBOIDRATI:
Composti naturali, costituiti da carbonio, idrogeno e ossigeno, la cui funzione primaria nel corpo è quella di fornire energia. Inclusi nel gruppo di carboidrati sono zuccheri, amidi, cellulosa e varie altre sostanze. La maggior parte dei carboidrati sono prodotti da piante verdi nel processo di fotosintesi.,
CATALISI:
L’atto o il processo di catalizzazione, o accelerare la velocità di reazione tra le sostanze.
CATALIZZATORE:
Una sostanza che accelera una reazione chimica senza parteciparvi. I catalizzatori, di cui gli enzimi sono un buon esempio, quindi non vengono consumati nella reazione.
COENZIMA:
Un componente non proteico a volte richiesto per consentire a un enzima di mettere in moto una reazione catalitica.,
ENZIMA:
Una proteina che agisce come catalizzatore, un materiale che accelera le reazioni chimiche nei corpi di piante e animali senza prendere parte a, o essere consumato da, queste reazioni.
FERMENTAZIONE:
Un processo che coinvolge enzimi in cui un composto ricco di energia è suddiviso in sostanze più semplici.
METABOLISMO:
Il processo chimico mediante il quale i nutrienti vengono scomposti e convertiti in energia o vengono utilizzati nella costruzione di nuovi tessuti o altri materiali nel corpo.,
MOLECOLA:
Un gruppo di atomi, solitamente ly ma non sempre che rappresentano più di un elemento, uniti in una struttura. I composti in genere sono costituiti da molecole.
ORGANICO:
Un tempo, i chimici usavano il termine organico solo in riferimento agli esseri viventi. Ora la parola viene applicata ai composti contenenti carbonio e idrogeno.
PROTEINE:
Grandi molecole costruite da lunghe catene di 50 o più aminoacidi. Le proteine servono le funzioni di promuovere la crescita normale, riparare il tessuto danneggiato, contribuire al sistema immunitario del corpo e produrre enzimi.,
REAGENTE:
Una sostanza che interagisce con un’altra sostanza in una reazione chimica, con conseguente formazione di una sostanza chimica o di sostanze chimiche note come prodotto.
AMIDI:
Carboidrati complessi senza sapore o odore, che sono granulari o polverosi in forma fisica.
SUBSTRATO:
Un reagente che in genere è accoppiato con un particolare enzima. Gli enzimi spesso prendono il nome dai rispettivi substrati aggiungendo il suffisso ase (ad esempio, l’enzima lattasi è accoppiato con il lattosio del substrato).,
ZUCCHERI:
Uno dei tre principali tipi di carboidrati, insieme agli amidi e alla cellulosa. Gli zuccheri possono essere definiti come uno qualsiasi dei vari carboidrati idrosolubili di varia dolcezza. Quello che pensiamo come “zucchero” (cioè zucchero da tavola) è in realtà saccarosio.
VITAMINE:
Sostanze organiche che, in quantità estremamente ridotte, sono essenziali per l’alimentazione della maggior parte degli animali e di alcune piante., In particolare, le vitamine lavorano con gli enzimi nella regolazione dei processi metabolici; tuttavia, di per sé non forniscono energia, e quindi le vitamine da sole non si qualificano come forma di nutrizione.