Il ruolo cruciale degli enzimi negli ecosistemi e nelle biotecnologie

Interazioni negli ecosistemi

Gli ecosistemi sono costituiti da un complesso di interazioni fra i viventi e l'ambiente. Gli scambi di materia ed energia fra la componente biotica e quella abiotica sono alla base del corretto funzionamento di ogni ecosistema, che richiede il verificarsi di almeno tre condizioni:

- la presenza di una sorgente di energia (quella solare) che renda possibile la sintesi di molecole organiche nelle quali l'energia viene trasferita;

- il trasferimento dell'energia da organismi produttori autotrofi a organismi consumatori eterotrofi;

- l'intervento di microrganismi decompositori che, attraverso i cicli biogeochimici della materia, demoliscono le sostanze organiche rendendole nuovamente disponibili, sotto forma di sostanze inorganiche più semplici.

Le attività metabolico-energetiche sono raggruppabili in due processi: la produzione di energia e il suo impiego. L'energia è ricavata dall'ambiente ed è utilizzata dalle cellule per svolgere diverse funzioni: la costruzione di componenti strutturali, la sintesi di macromolecole indispensabili (enzimi, acidi nucleici, polisaccaridi, proteine ecc.), L'accrescimento e la riproduzione, il movimento. L'energia che tutti i viventi ricavano dall'ambiente può essere trasformata, ma non è mai né creata né distrutta.

Ruolo degli enzimi

Le reazioni biochimiche che si svolgono nelle cellule non potrebbero avvenire alla velocità necessaria, senza la presenza di particolari proteine catalizzatrici: gli enzimi.

Gli enzimi sono catalizzatori biologici; essi sono proteine globulari formate da una o più catene , semplici o coniugate, come lipoproteine, glicoproteine, metalloproteine. Gli enzimi sono collocati in specifici posti della cellula: nel citoplasma, nei mitocondri o dovunque sia richiesto il loro intervento. Negli organismi pluricellulari, spesso gli enzimi sono secreti in forma inattiva,in una sede,e trasformati in quella attiva,in un'altra, dove esplicano la loro azione. In questo caso si parla di zimogeni e proenzimi. Nelle biotecnologie microbiche gli enzimi sono impiegati, come biocatalizzatori molecolari, insieme a biocatalizzatori cellulari. L'intervento degli enzimi è in grado di trasformare una sostanza (substrato) in un'altra (prodotto), attraverso un meccanismo che. coinvolge la formazione temporanea di un complesso intermedio: il complesso enzima-substrato (ES).

Caratteristiche degli enzimi

Gli enzimi presentano caratteristiche e proprietà particolari.

-Rimangono inalterati al termine della reazione. Quindi possono essere immediatamente riutilizzati.

- Sono efficaci in piccolissime concentrazioni.

- Non modificano l'equilibrio chimico di una reazione,ma riescono ad aumentarne la velocità.

-sono dotati di una specificità di substrato di grado variabile.

- Il meccanismo d'azione degli enzimi si basa sulla presenza sulla loro superficie di un sito attivo: una regione specifica dove si inserisce il substrato, si realizza la catalisi e si forma il prodotto. La formazione di un complesso intermedio temporaneo enzima-substrato permette all'enzima di svolgere la propria azione catabolica e al substrato di essere modificato.

E + S/ES /E + P

dove: E = enzima

S = substrato

ES = complesso enzima-substrato

P = prodotti di reazione.

Funzionamento degli enzimi

Alla fine della reazione, l'enzima resta inalterato ed è pronto a svolgere nuovamente la propria azione. I gruppi amminici specifici, vengono a trovarsi vicini costituendo una sorta di tasca in cui va a collocarsi il substrato. Per poter combaciare con le caratteristiche spaziali del sito attivo, il substrato deve avere una struttura assolutamente complementare (teoria chiave-serratura). In realtà in molti casi il sito attivo enzimatico subisce modifiche, assumendo la forma complementare,solo una volta che il legame si è realizzato (teoria dell'adattamento indotto).

Cofattori e isoenzimi

Gli enzimi richiedono spesso l'intervento di altre molecole non proteiche, per poter svolgere efficacemente la loro azione catalitica. Tali molecole sono definite cofattori, oppure coenzimi se si tratta di molecole organiche. In questo caso l'enzima, nel suo complesso biologicamente attivo, è indicato come oloenzima, mentre la parte proteica priva del coenzima è detta apoenzima. I coenzimi agiscono soprattutto come trasportatori di elettroni, gruppi chimici e atomi. Essi subiscono nel corso della reazione una trasformazione che non permette loro di essere utilizzati come tali, devono quindi subire una modificazione uguale e contraria.

- Gli isoenzimi sono enzimi che catalizzano la stessa reazione, ma che presentano una diversa struttura molecolare. Questa caratteristica permette una loro specifica individuazione con opportune tecniche analitiche. Un esempio è fornito dell'enzima lattico deidrogenasi (LDH) che trasforma l'acido lattico in acido piruvico e che possiede 5 isoforme. Ciascuno di questi isoenzimi (H4, H3M, H2M2, HM3, M4), pur catalizzando la medesima reazione, è presente in concentrazione diversa in vari organi.

- La velocità delle reazioni enzimatiche dipende da vari fattori ed è valutata in base alla quantità di prodotto che si forma nell'unità di tempo (mol/s). Un altro modo per esprimere la velocità è il numero di turnover: esso indica il numero di molecole di substrato che un enzima è in grado di accettare per secondo.

- L'attività degli enzimi è espressa in Unità Internazionali (UI), Cioè in quantità di enzima che catalizza la trasformazione in prodotto di una micromole di substrato in 1 minuto a condizioni standard, cioè a 25 C e con pH ottimale per l'enzima.