Attività enzimatica: pH, temperatura e denaturazione

Un enzima è una proteina ripiegata in una forma precisa, e quella forma è tutto: basta alterarla un po’ perché smetta di funzionare. Per questo l’attività enzimatica dipende in modo critico dalle condizioni dell’ambiente — pH, temperatura, concentrazione di substrato — e ogni enzima ha le sue condizioni ideali, fuori dalle quali rallenta o si blocca del tutto.

Vediamo l’effetto del pH e l’esistenza di un pH ottimale, l’effetto della temperatura con il suo optimum, che cosa significa denaturazione e come incide la concentrazione di substrato.

L’effetto del pH e il pH ottimale

Il pH influenza l’attività enzimatica perché modifica lo stato di carica degli amminoacidi del sito attivo: molti gruppi che legano il substrato o partecipano alla catalisi devono trovarsi in una precisa forma protonata o deprotonata. Ogni enzima ha quindi un pH ottimale al quale lavora al meglio; allontanandosi da quel valore, sopra o sotto, l’attività cala disegnando una curva a campana. La pepsina dello stomaco, per esempio, ha l’optimum a pH molto acido (intorno a 2), mentre gli enzimi intestinali lavorano in ambiente leggermente basico: ciascuno è tarato sull’ambiente in cui opera.

attività massima al pH ottimale; sopra e sotto, l’attività cala

L’effetto della temperatura

La temperatura ha un effetto doppio e contrastante. All’inizio, salire di temperatura aumenta la velocità: le molecole si muovono più in fretta, si urtano di più e con più energia, quindi più substrato raggiunge il sito attivo nell’unità di tempo. È il comportamento di qualsiasi reazione chimica. Ma oltre una certa soglia interviene un secondo fenomeno che ribalta tutto: il calore comincia a danneggiare la struttura della proteina.

Il risultato è una temperatura ottimale: una curva che sale fino a un massimo e poi crolla bruscamente. Prima dell’optimum domina l’effetto cinetico (più veloce); dopo l’optimum domina la distruzione della proteina. Per gli enzimi umani l’optimum è tipicamente intorno ai 37 °C, la temperatura corporea.

T ↑ → velocità ↑ … fino all’optimum, poi denaturazione → crollo

La denaturazione

Il crollo dell’attività alle alte temperature ha un nome: denaturazione. È la perdita della struttura tridimensionale della proteina — il ripiegamento che forma il sito attivo si disfa — senza che si rompano i legami peptidici della catena principale. Senza la forma corretta, l’enzima non lega più il substrato e perde l’attività. La denaturazione è spesso irreversibile: l’uovo che si rapprende cuocendo è proteina denaturata che non torna più liquida. Oltre al calore, denaturano le proteine anche i pH estremi, alcuni solventi e i sali pesanti.

L’effetto della concentrazione di substrato

L’ultimo fattore è la concentrazione di substrato, già incontrata nella cinetica di Michaelis-Menten. A basse concentrazioni la velocità cresce quasi proporzionalmente al substrato; man mano che si sale, l’aumento rallenta perché sempre più enzima è occupato; oltre la saturazione la velocità non cresce più, perché tutti i siti attivi sono impegnati e si raggiunge la V_max. A differenza di pH e temperatura, un eccesso di substrato di norma non danneggia l’enzima: semplicemente smette di fare effetto.

I fattori che influenzano l’attività

La tabella riassume i principali fattori ambientali e il loro effetto sull’attività di un enzima:

Conoscere questi fattori è essenziale ovunque si usino enzimi: dalla diagnostica di laboratorio, dove vanno mantenuti in condizioni controllate, ai processi industriali che li impiegano come catalizzatori, fino alla conservazione degli alimenti, dove si gioca proprio sul rallentamento o sulla denaturazione degli enzimi.

Domande frequenti

Perché il pH influenza l’attività degli enzimi?

Perché il pH determina lo stato di carica degli amminoacidi del sito attivo, molti dei quali devono essere in una precisa forma protonata o deprotonata per legare il substrato e catalizzare la reazione. Ogni enzima ha un pH ottimale al quale lavora al meglio; allontanandosi da esso, sopra o sotto, l’attività diminuisce seguendo una curva a campana.

Qual è la temperatura ottimale di un enzima?

È la temperatura alla quale l’enzima mostra la massima attività. Salendo di temperatura la velocità aumenta fino a questo optimum; oltre, il calore denatura la proteina e l’attività crolla. Per gli enzimi umani l’optimum è tipicamente intorno ai 37 °C, la temperatura corporea, ma varia molto a seconda dell’organismo.

Che cos’è la denaturazione di un enzima?

È la perdita della struttura tridimensionale della proteina, cioè del ripiegamento che forma il sito attivo, senza rottura dei legami peptidici della catena. Senza la forma corretta l’enzima non lega più il substrato e perde l’attività. È causata da calore, pH estremi, certi solventi o metalli pesanti, ed è spesso irreversibile, come nell’uovo che si rapprende cuocendo.

La denaturazione è sempre irreversibile?

Non sempre, ma molto spesso lo è. In alcuni casi, rimuovendo l’agente denaturante in condizioni delicate, una proteina può rinaturare e recuperare la forma e l’attività. Più spesso, però, la struttura collassa in modo definitivo e la proteina aggrega: è il caso della cottura dell’uovo, che non torna mai liquido.

Come influisce la concentrazione di substrato sull’attività?

A basse concentrazioni la velocità cresce quasi proporzionalmente al substrato; salendo, l’aumento rallenta perché sempre più enzima è occupato; oltre la saturazione la velocità non cresce più e si raggiunge la V_max. A differenza di pH e temperatura, un eccesso di substrato di solito non danneggia l’enzima: semplicemente non produce ulteriore effetto.