In biologia, uno dei fattori che definisce un essere vivente da un oggetto inanimato è la capacità dell’organismo di effettuare reazioni chimiche cruciali per la sua sopravvivenza. Anche gli organismi unicellulari sono capaci di centinaia di reazioni chimiche all’interno delle loro pareti cellulari. Immaginate l’infinita quantità di reazioni che un grande organismo come un essere umano svolge. Nessuna di queste reazioni è possibile senza enzimi.
Gli enzimi sono catalizzatori o assistenti biologici. Gli enzimi sono costituiti da vari tipi di proteine che lavorano per guidare la reazione chimica necessaria per un’azione specifica o nutriente. Gli enzimi possono avviare una reazione o accelerarla. Le sostanze chimiche che vengono trasformate con l’aiuto degli enzimi sono chiamate substrati. In assenza di enzimi, queste sostanze chimiche sono chiamate reagenti.
Per illustrare la velocità e l’efficienza degli enzimi, i substrati possono essere trasformati in prodotti utilizzabili alla velocità di dieci volte al secondo. Considerando che ci sono circa 75,000 enzimi diversi nel corpo umano, queste reazioni chimiche vengono eseguite a una velocità sorprendente. D’altra parte, in assenza di enzimi, i reagenti possono impiegare centinaia di anni per convertirsi in un prodotto utilizzabile, se sono in grado di farlo. Ecco perché gli enzimi sono fondamentali nel sostentamento della vita sulla terra.
Generalmente, gli enzimi lavorano sui substrati in uno dei tre modi seguenti: orientamento del substrato, stress fisico e cambiamenti nella reattività del substrato. L’orientamento del substrato si verifica quando un enzima fa sì che le molecole del substrato si allineino tra loro e formino un legame. Quando un enzima utilizza lo stress fisico su un substrato, in effetti afferra il substrato e costringe la molecola a rompersi. Un enzima che provoca cambiamenti nella reattività del substrato altera il posizionamento degli elettroni della molecola, che influenza la capacità della molecola di legarsi con altre molecole.
Gli enzimi hanno siti attivi dove entrano in contatto con particolari substrati. Le proprietà catalitiche degli enzimi sono un processo ciclico. Una volta che un substrato è entrato in contatto con il sito attivo di un enzima, viene modificato dall’enzima per formare il prodotto finale. Una volta completato il processo, l’enzima rilascia il prodotto ed è pronto per iniziare il processo con nuovi substrati. Gli enzimi non vengono mai sprecati e vengono sempre riciclati.
L’assenza di enzimi è responsabile di molte malattie. Negli esseri umani, una tragica malattia chiamata fenilchetonuria (PKU), che provoca grave ritardo mentale e persino la morte nei neonati, è il risultato dell’assenza di un tipo di enzima. La malattia di Tay-Sachs è un risultato altrettanto tragico di una carenza enzimatica. Provoca ritardo, paralisi e spesso la morte nella prima infanzia se non trattata.
La nostra capacità di alterare gli enzimi inibendo le loro capacità di funzionamento ha portato a centinaia di farmaci salvavita. Un esempio è la penicillina, un noto antibiotico che può curare la sifilide, la polmonite e altre malattie. La penicillina agisce legandosi ai siti attivi degli enzimi dei batteri che causano malattie, distruggendo infine la capacità dei batteri di sopravvivere e riprodursi.