La maggior parte delle reazioni chimiche non avviene spontaneamente. In un laboratorio o in un processo industriale, le reazioni chimiche possono avvenire applicando alte temperature, alte pressioni, valori estremi di pH, mantenendo alte concentrazioni delle molecole reagenti o mediante l’uso di catalizzatori inorganici. Se queste condizioni drastiche non fossero applicate, si formerebbe molto poco del prodotto chimico. D’altra parte, nelle cellule e negli organismi, molte reazioni chimiche avvengono simultaneamente, a concentrazioni estremamente basse, a temperature normali e nelle condizioni acquose molto miti, quasi neutre, che troviamo nelle cellule.

È la presenza di enzimi nelle cellule e negli organismi che consente a queste reazioni di avvenire a velocità incredibili, in modo ordinato, producendo prodotti che l’organismo richiede, quando sono necessari. A volte le reazioni avvengono anche se le molecole che reagiscono sono presenti in concentrazioni molto basse. Sono questi catalizzatori biologici a permetterle.Sito attivo In una reazione catalizzata da un enzima, la sostanza di partenza è chiamata substrato e ciò in cui viene convertita è il prodotto. Un enzima funziona legandosi alla molecola del substrato in una tasca appositamente formata nell’enzima. Questo punto di legame è chiamato sito attivo.  Qui, poiché l’enzima e il substrato formano un complesso enzima-substrato, il substrato viene elevato a uno stato di transizione. Questo complesso ha la più breve delle esistenze prima che la molecola del substrato si formi in un’altra molecola o si scomponga in altre, grazie a processi chimici catalitici del sito attivo. Quindi il prodotto o i prodotti vengono rilasciati, insieme all’enzima invariato, disponibile per il riutilizzo.

Gli enzimi sono strutturalmente grandi molecole proteiche globulari. Il sito attivo occupa una parte relativamente piccola del volume totale dell’enzima.

Specificità enzimatica e modello di adattamento indotto del sito attivo. Gli enzimi sono altamente specifici nella loro azione a causa del modo in cui si legano con il loro substrato nel sito attivo, che è una tasca o fessura nella proteina. Nel sito attivo, la disposizione di alcune molecole di amminoacidi della proteina corrisponde a determinati raggruppamenti della molecola del substrato, consentendo la formazione del complesso enzima-substrato. Mentre si forma, sembra che venga indotto un leggero cambiamento di forma nella molecola dell’enzima. È questo cambiamento di forma che è importante per elevare la molecola del substrato allo stato di transizione in cui è in grado di reagire. Nel frattempo, altre molecole di amminoacidi del sito attivo determinano lo specifico meccanismo di reazione catalitica, magari rompendo particolari legami nella molecola del substrato e formandone altri. Di conseguenza, ciascun enzima catalizza una singola reazione chimica o un gruppo di reazioni strettamente correlate. (ipotesi di adattamento indotto( Fig. 05. 16).

Definizione di “catalizzatore“. Intendiamo per catalizzatore una sostanza che accelera la velocità di una reazione chimica senza consumarsi durante la trasformazione. Chimicamente è in grado di abbassare la soglia dell’energia di attivazione, che da inizio alla reazione, e di accelerare la reazione stessa, ma rimanendo invariato alla fine del processo. Strutturalmente si presenta come una proteina globulare, formata da lunghe catene polipeptidiche ripiegate in forme 3D. Ogni enzima ha una forma molto precisa che conferisce a ciascuno la capacità di catalizzare una specifica reazione. La forma tridimensionale di un enzima è fondamentale per il modo in cui funziona. Le forma dell’enzima e del substrato sono complementari, in modo che si inseriscano perfettamente come una chiave in una serratura(Fig.05.17).

L’“ipotesi della serratura e della chiave” è un modo per spiegare come ogni enzima possa essere così specifico. Per sbloccare una porta è necessaria solo una chiave speciale. Catalizzare una reazione richiede un enzima speciale. Proprio come una sola chiave entra perfettamente nella serratura, solo un substrato entra perfettamente nel sito. Se tale forma viene distrutta o danneggiata, non può più svolgere il suo lavoro e si dice che sia denaturata. Temperature estreme, metalli pesanti e, in alcuni casi, cambiamenti di pH possono causare cambiamenti permanenti.

Gli enzimi controllano il metabolismo. C’è una vasta gamma di reazioni chimiche che avvengono nelle cellule e negli organismi. Queste reazioni del metabolismo possono avvenire solo in presenza di specifici enzimi. Se un enzima non è presente, la reazione che catalizza non può avvenire. Alcuni enzimi vengono esportati dalle cellule, come gli enzimi digestivi. Enzimi come questi sono parcellizzati e secreti e lavorano esternamente. Si chiamano enzimi extracellulari. Tuttavia, moltissimi enzimi rimangono all’interno delle cellule e vi lavorano. Questi sono gli enzimi intracellulari. Si trovano all’interno degli organelli e nelle membrane degli organelli, nel mezzo fluido (citosol) attorno agli organelli e nella membrana plasmatica. Molti enzimi sono sempre presenti nelle cellule e negli organismi, ma alcuni enzimi vengono prodotti solo in particolari condizioni, in certi stadi o quando è presente una particolare molecola di substrato. Producendo alcuni enzimi e non altri, le cellule possono controllare quali reazioni chimiche avvengono nel citoplasma. Più avanti in questo capitolo vedremo come la sintesi proteica (e quindi la produzione di enzimi) è controllata dal nucleo cellulare. Esempi di enzimi sono: le ossidoreduttasi, che catalizzano reazioni redox; le transferasi, che catalizzano

reazioni di trasferimento di gruppi tra due substrati; le idrolasi, che catalizzano reazioni di idrolisi; le liasi, che catalizzano reazioni di addizione di doppi legami; le isomerasi, che catalizzano reazioni di isomerizzazione; le ligasi che catalizzano reazioni di sintesi.

Fattori che influenzano gli enzimi

La struttura tridimensionale degli enzimi e la loro struttura chimica fa sì che la loro attività dipenda da

temperatura, pH, concentrazione del substrato. Ciascun enzima raggiunge il picco di attività in corrispondenza di un particolare valore di pH (esempio la pepsina nello stomaco). Anche la temperatura aumentando facilita la reazione, perché aumenta la energia cinetica delle molecole. Ma anche qui la temperatura deve essere ottimale (non troppo alta) perché l’enzima potrebbe perdere le sue funzioni.

I coenzimi

Talvolta, poiché si manifesti l’attività dell’enzima è necessario che partecipino altre molecole non proteiche:

–i coenzimi, composti organici di piccole dimensioni rispetto agli enzimi, che interagiscono con l’enzima stesso formando un legame transitorio; in genere sono principi attivi delle vitamine;

-i gruppi prostetici, legati da legami covalenti all’enzima;

-i cofattori, ioni inorganici come lo zinco e il ferro.

Nelle reazioni metaboliche di ossido-riduzione i coenzimi sono i principali trasportatori di elettroni e di energia e intermediari universali degli scambi energetici cellulari.

Un esempio è il NAD, (nicotinaammideadenindinucleotide), coenzima che deriva dalla vitamina B₃.

Grazie alla sua capacità di trasportare energia ed elettroni è un efficiente trasportatore nelle reazioni redox, nonché un intermediario universale negli scambi cellulari. Ha 2 forme chimicamente distinte: la forma ossidata NAD⁺ e la forma ridotta NADH. La reazione di riduzione NAD⁺+2H—–NADH+ H⁺ equivale al trasferimento di 2 atomi di idrogeno(2H⁺) e 2 e.(Fig.05.19).