Feb 1, 2 anni ago

Gli enzimi

Mi sembra incredibile anche a me che per parlare di che succede quando andiamo in bicicletta in salita si debbano affrontare argomenti di tutt’altra natura. Questo però solo apparentemente: in questa prima serie di articoli è necessario guardare ad un livello più elementare i processi, i singoli mattoni, gli ingranaggi. Ciò porta ad un angolo di visuale molto più ristretto che impedisce di vedere come i singoli pezzi si inseriscono nel puzzle completo.

Però chi avrà la pazienza di seguire tutto il film e non rimarrà narcotizzato alla pubblicità iniziale, si accorgerà che ogni cosa ha un senso… spero… ah ah ah

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Ok, riprendiamo allora questa caz… ehm… questa reazione. Da A e B, reagenti, si ottengono C e D, prodotti. La reazione è esoergonica, come già detto, perché l’energia chimica in C e D è minore di quella di A e B, cioè i prodotti sono più semplici dei reagenti.

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La rappresentazione di tutto questo è indicata in una figura che non mi è mai particolarmente piaciuta ma che comunque rende l’idea. Non mi è mai piaciuta perché è un grafico di tipo qualitativo: sull’asse orizzontale abbiamo la coordinata di reazione, cioè il verso della reazione che va da A e B a C e D. Non ha una unità di misura e facilmente si confonde con il tempo, come se il grafico indicasse una evoluzione temporale.

Di fatto… passa tempo da A e B a C e D, ma il grafico non indica questo e induce in sottilissimi errori che non sto a discutere. Analogamente, sull’asse verticale abbiamo l’energia, ma non c’è la scala.

Vabbè… mental pipps da ingegnere nerd. Il grafico indica che in una reazione esoergonica l’energia diminuisce dai reagenti ai prodotti. La reazione è esoergonica e spontanea, cioè può spontaneamente avvenire. Il Δ indica differenza, perciò ΔE è la differenza di energia fra inizio e fine, che negativa e viene rilasciata per “fare qualcosa”, cioè per essere trasformata in lavoro. Una reazione chimica è così spontanea se la differenza di energia fra inizio e fine reazione è negativa.

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Questa invece è la rappresentazione di una reazione endoergonica, cioè dove l’energia finale dei prodotti è maggiore di quella iniziale. La reazione non è spontanea, proprio perché va fornita energia dall’esterno, pari alla differenza fra inizio e fine, differenza che è positiva perché energia che viene assorbita dai prodotti. Una reazione chimica è così non spontanea se la differenza di energia fra inizio e fine è positiva.

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Ed ecco l’accoppiamento delle due reazioni! La reazione totale è spontanea perché la differenza di energia complessiva è negativa. Riscrivendo in maniera più precisa quanto detto precedentemente (nel libro sarà invece tutto a modo eh…)

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Adesso c’è un importante concetto da comprendere: il fatto che una reazione sia spontanea non ci fa capire però con che velocità accadrà. Difficile, vero? Ok, facciamo un esempio mooooolto pratico.

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Torniamo indietro alla combustione del metano di cui abbiamo già parlato: per far saltare per aria una casa non basta aprire il gas dei fornelli e andarsene… occorre anche che qulcuno, che so… suoni il campanello. Drin drin… KA BOOM.

La reazione di combustione del metano è fatta così:

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La reazione è spontanea, ma allora perché non basta disperdere del metano in aria per avere la reazione? Perché è necessaria la scintillina?

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Ritorniamo alla fottutissima reazione spontanea che da A e B crea C e D come prodotti. (dalla regia mi segnalano che il mio linguaggio è un po’ scurrile, ma nel nuovo libro verrà usata l’app politically correct corrector o PCC che piallerà tutte queste bestialità).

Perché non basta la presenza, o l’energia, di A e B per ottenere C e D? Il punto fondamentale è proprio che non è che basta avere A e B per avere C e D, come non basta andare in un posto dove ci sono delle donne per ottenere un rapporto sessuale occasionale: ci si deve impegnare, no? Ecco, per le reazioni chimiche è la stessa cosa (il correttore di Word mi segnala che questa frase è sessista).

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Poiché la reazione prevede una interazione, è necessario che questa interazione avvenga. In pratica… A e B devono entrare in contatto eh eh eh Sembra banale ma poi alla fine ci si scorda proprio delle cose banali, ma non solo: devono rimanere in contatto un po’ di tempo perché la trasformazione avvenga. Nella fase transitoria si forma qualcosa di intermedio, I diciamo, che poi si trasforma nei prodotti finali, C e D.

Ma allora abbiamo ben due problemi!

· Come si fa a passare dall’intermedio, A e B appiccicati, ai prodotti finali C e D?

· Come si fa a far avvicinare A e B tanto da farli interagire?

Devo a questo punto fare una digressione su cosa siano i fulminini, che di solito rappresentano calore a temperatura più o meno elevata. Il problema è che… il concetto è davvero tosto. Il calore è una manifestazione dell’elettromagnetismo, è una forma di luce.

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Avete mai visto una candela bruciare, con la fiamma che è bianca vicino allo stoppino e più rossa al bordo? Avete mai sentito parlare di calor bianco? Più la fiamma è bianca, più la sua temperatura è elevata. Il calore è perciò… luce ed il colore indica proprio la temperatura che, diminuendo, rende la luce da bianca a rossa e poi quando la luce non è più visibile ai nostri occhi diventa infrarossa, sotto il rosso. Quello che noi intendiamo per il tipico “caldo” è proprio luce infrarossa.

Luce o, come la chiamano quelli seri radiazione perché si irradia cioè si propaga anche nel vuoto a differenza del suono che ha bisogno di un mezzo, ad esempio l’aria. Ma… allora gli X-Wind Fighers quando cabrano in picchiata sulla Morte Nera come mai, pur essendo nello spazio, fanno sentire il rombo dei loro motori? Vabbè… è una cazzata, ma sai che palle vedere le battaglie spaziali come un film muto…

Il calore è una radiazione, pertanto, ed è una forma di energia perché… può fare qualcosa. Ad esempio può far bollire l’acqua, no? Alcuni scienziati con la barba bianca, quelli che di panca non tirano un cazzo, hanno capito molto tempo fa che una radiazione è composta da ben due forme di energia: una elettrica e una magnetica, che si propagano nello spazio come delle onde. Non importa cosa voglia dire, dai, ma è questo il motivo perché si parla di onde elettromagnetiche.

Il problema è che altri scienziati, sempre con la barba bianca ma sempre che non tirano un cazzo di panca, hanno capito che la radiazione elettromagnetica è costituita, invece, da delle particelle che si chiamano fotoni.

Ora, chi ha ragione? L’incredibile risposta è che hanno ragione tutti e due, una radiazione elettromagnetica può essere vista come un’onda o come un treno di particelle. Se vi sembra strano, benvenuti nel mondo assurdo della Meccanica Quantistica, una scienza complicatissima. Non vi preoccupate, e non pensiate che io sappia chissà che cosa più di voi.

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Perciò i fulminini sono una rappresentazione del calore, più o meno intenso diciamo, che se si potessero analizzare con un microscopio che non esiste e mai esisterà vedremmo roba tipo un-treno-di-palline-ma-anche-delle-onde. Questo treno di palline ha la capacità di colpire le sostanze con una forza più o meno elevata: la forza dell’impatto è proprio l’energia della radiazione, a cui è associata una temperatura, un numero.

Possiamo sintetizzare questa ultima affermazione dicendo che “il calore è l’energia associata ad una radiazione elettromagnetica, di cui la temperatura ne è la misura”. Questa è la frase che si trovava nel sussidiario di mia figlia quando faceva la 4° elementare e che io avrei dovuto spiegargli. Le dissi: “Elena, questa non la studi, è troppo difficile. Se poi la maestra ha da ridire digli che ci parlo io”.

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Bene. Detto questo torniamo alla nostra reazione chimica e al primo problema. Perché si formi dall’intermedio I i prodotti finali C e D è necessario che i costituenti delle due sostanze si redistribuiscano in qualche modo. Questi costituenti sono atomi, e a questo punto dovremmo fare un pippone enorme sulla struttura della materia, ma non ne abbiamo il tempo né la voglia. Tutte cose interessantissime, ma così non andiamo avanti ma indietro, fino a prima di Noè.

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Supponiamo di avere le sostanze A e B in un contenitore, mescolate o sciolte in qualcosa o che siano anche gas, e di scaldarle: i treni di palline associati alla radiazione, cioè al calore, colpiscono la sostanza intermedia (vedremo dopo come si fa ad arrivarci), e vengono in qualche maniera in parte assorbite assorbite.

L’energia della sostanza intermedia aumenta, energia che si ritrova in ogni singolo atomo che inizia a vibrare, a muoversi. Se l’energia esterna è sufficientemente elevata… gli atomi si distaccano e… puff, si forma la sostanza finale.

Ok, così è una descrizione chimica che non farebbe funzionare manco il Piccolo Chimico, però alla fine il senso è questo. Certo, ci sarebbe da chiedersi perché quando gli atomi si riconfigurano… cazzo proprio C devono dare, ma lascio a voi l’approfondimento eh eh eh perché ci sono dei motivi per cui nasce proprio C e non qualcosa di casuale.

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Però non è che il calore agisce solo quando le due sostanze sono a contatto. Nel disegno le due sostanze quando applico energia ad una temperatura crescente: i treni di palline colpiscono le sostanze e ne aumentano la velocità di spostamento, perciò un eventuale urto sarà più “intenso”, così come far scontrare due treni a 10 km/h è una cosa e a 100 km/h un’altra.

In questo caso stiamo parlando di sostanze gassose, se queste fossero immerse in un liquido il calore farebbe agitare maggiormente le stesse e le molecole del liquido, che urterebbero le sostanze trasferendo a loro volta energia, come in un enorme biliardo molecolare. Ma il calore agisce anche sui solidi, dove le molecole e gli atomi sono intrappolati in un reticolo più o meno regolare: in questo caso l’energia che viene ad accumularsi fa vibrare maggiormente gli atomi e le molecole nel reticolo.

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Riprendiamo la solita reazione del metano con l’ossigeno… abbiamo detto che non basta la presenza dei reagenti perch avvenga: metano e ossigeno dell’aria stanno lì buonini buonini. È necessario avvicinare in qualche modo le molecole, facendole urtare con più forza ad esempio, perciò è necessario arrivare ad una temperatura tale per cui avviene una prima reazione.

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Accendete un fiammifero: localmente in quel piccolo volume di aria più metano viene fornita energia per la trasformazione in anidride carbonica ed acqua del metano e dell’ossigeno, cioè così:

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Abbiamo così dai reagenti i prodotti. Però ci siamo scordati di una cosa: in questa reazione la rottura dei legami del metano produce energia sotto forma di calore, cioè di radiazione elettromagnetica. Cioè così:

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L’energia rilasciata viene assorbita da altre molecole di metano e di ossigeno e la reazione si ripete, e si ripete, e si ripete. Toh… abbiamo creato una bella esplosione!

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Se volessimo descrivere tutto questo con il solito grafico con la coordinata di reazione, avremmo questa rappresentazione qua:

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Cioè: è vero che la reazione può avvenire spontaneamente perché l’energia finale dei prodotti è inferiore a quella dei reagenti, ed energia viene rilasciata nell’ambiente, ma è anche vero che perché la reazione avvenga è necessario che qualcosa faccia interagire per un po’ di tempo le sostanze, cioè è necessario che “qualcuno faccia qualcosa”, è necessario un lavoro di attivazione, cioè è necessario fornire una energia di attivazione. Energia che in questo caso è data dalla scintilla del campanello premuto dal visitatore (ricordatevi il Drin Drin KA-BOOM).

Più l’energia di attivazione è elevata, più la reazione avverrà lentamente, tanto lentamente da non avvenire di fatto (in altre parole, per il metano la probabilità di una autocombustione a temperatura ambiente è praticamente nulla).

Immaginatevi quel grafico come una collina in discesa, ma con un piccolo picco iniziale: se io porto le palline sul picco e le lascio, sicuramente queste vanno giù, ma devo portarcele!

Esiste un altro modo per favorire la reazione di inizio articolo, oltre riscaldarla.

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Et voilà… se io riduco lo spazio in cui le sostanze possono muoversi aumenterà la probabilità di farle urtare fra di se per farle interagire. Per comprimere le sostanze devo esercitare una forza, perché le particelle urteranno maggiormente contro il tappo del recipiente, opponendosi alla compressione. Perciò la compressione non è gratis: è necessario fare qualcosa di meccanico per ottenerla, pertanto è necessario fornire una energia sotto forma di lavoro meccanico.

Una macchina a benzina ha bisogno di una scintilla, data dalle candele, per accendere la benzina nella camera di combustione, un motore Diesel ha bisogno di una pressione dentro la camera di scoppio per poter incendiare il carburante Diesel, ed infatti è un motore senza candele.

Ora che vi siete sciroppati tutto questo casino su come accelerare le reazioni chimiche… che c’entra tutto questo con la Biochimica degli esseri viventi?

Nulla.

Serve però per far capire la soluzione data dall’evoluzione, la genialità del tutto.

Mi sembra evidente che nel corpo umano, ma probabilmente anche in quello dei Klingon, degli Ewoks e dei Bantha difficilmente si può agire aumentando la temperatura di qualche centinaio di gradi, che è stabile sempre intorno ai 37°, e analogamente non è possibile comprimere le sostanze, a meno di non voler ottenere del budino rosso.

Le due strade descritte pertanto non sono praticabili. Supponiamo invece di creare, per ogni reazione, una macchinetta che crea un ambiente artificiale adatto per le interazioni dei reagenti in prodotti: qualcosa che isoli le sostanze dall’ambiente circostante, che le avvicini e le orienti, che le faccia entrare in contatto tutto il tempo che serve perché l’interazione avvenga e si creino i prodotti. Poi la macchinetta butterà fuori i prodotti finali, pronti per essere utilizzati.

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Ecco la soluzione del corpo umano: una struttura, detta enzima, che può contenere i reagenti per farli trasformar in prodotti! Il termine enzima deriva dal greco “che sta nel lievito” perché nel lievito fu identificato il primo enzima (oppure è una leggenda metropolitana ma su wikipedia è scritto così).

Un enzima è di fatto quello che in chimica viene definito catalizzatore: una sostanza che aumenta la velocità di una reazione chimica che, per quanto spontanea, non potrebbe avvenire, ma che non fa parte della reazione.

Guardate il riquadro in alto a sinistra e quello in basso a destra coprendo con le mani gli altri due: da A a B passiamo a C e D, ma l’enzima non ha contribuito per niente alla reazione se la osserviamo all’inizio e alla fine!

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L’enzima, come tutti i catalizzatori, fa diminuire l’energia di attivazione. L’enzima crea un ambiente protetto, diciamo, e non è necessario aumentare la temperatura del corpo o la pressione, aumentando l’efficienza delle interazioni in modo tale da aumentare la velocità della reazione di migliaia se non milioni di volte. Senza l’enzima la reazione non potrebbe avvenire!

Vi ricordate della fosforilazione del glucosio appena entra nella cellula? Ecco come la reazione avviene:

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Il glucosio viene fosforilato grazie al lavoro dell’ATP che fornisce il gruppo fosfato, come visto, ma perché glucosio ed ATP possano interagire con efficienza è necessario creare un ambiente protetto dove questa interazione possa avvenire, e questo ambiente protetto è fornito da un enzima, l’esochinasi, che ha la capacità di accogliere il glucosio e l’ATP.

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Nel disegno l’esochinasi del lievito: la freccia indica il punto di ingresso del gucosio, il sito attivo: quando il glucosio è entrato all’interno l’esochinasi si chiude, permette l’interazione, poi si riapre e fa uscire il glucosio fosforilato.

Un enzima è così una proteina che permette alla sua reazione associata di avvenire. L’Evoluzione ha così fornito a qualsiasi reazione biochimica un enzima corrispondente. Il sistema è altamente efficiente perché una molecola di enzima permette che so… la reazione per migliaia se non centinaia di migliaia di molecole di reagenti, così che il quantitativo dell’enzima è estremamente basso rispetto alle sostanze di cui catalizza la trasformazione.

Quando il livello di un enzima inizia ad abbassarsi, essendo questo una proteina, viene sintetizzato dalla cellula a partire dal DNA. È anche interessante notare come gli enzimi possono essere giganteschi rispetto alle sostanze che trattano, addirittura ci sono enzimi che sono vere e proprie catene di montaggio con più siti attivi.

Il messaggio fondamentale è che ogni reazione biochimica per avvenire ha bisogno di una sostanza che possa permetterla, e questa sostanza è un enzima. Sebbene la trattazione degli articoli debba tagliare via molti argomenti, ho preferito dilungarmi su questa parte concettuale e anche pallosa perché… tipicamente non se la caca nessuno nei corsi di Biochimica non di Chimica… ed è un peccato perché poi si sentono sfondoni megagalattici su cosa sia l’energia e così via. L’argomento comprendo che sia complesso, per voi da leggere ma anche per me da scrivere.

Nel prossimo emozionante articolo parleremo di come si crea l’ATP, introducendo il Signor NAD, dalla doppia personalità: NAD+ e NADH, e la catena di montaggio dell’ATP all’interno delle fabbriche dei mitocondri.

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COMMENTI RECENTI

  1. 02/02/2015
    Applausi! Scritto in maniera molto fruibile e divertente! Davvero complimenti!
  2. 05/02/2015
    Come sempre IronPaolo rende argomenti tecnici e noiosi in divertenti approfondimenti…grazie
  3. 07/02/2015
    ciao paolo!
    finalmente una spiegazione soddisfacente e comprensibile di come questi catalizzatori biologici funzionino. grazie, internet senza i tuoi articoli sarebbe molto meno interessante.
    avrei anche una domanda non propriamente attinente all’articolo: perché un’alzata massimale esaurisce e cuoce molto di piú di quanto i sistemi energetici non ci dicano? stiamo parlando di uno sforzo massimale o sovramassimale della durata di una manciata di secondi e da cui non si recupera neanche dopo 15min altrimenti uno potrebbe fare lo stesso personale molte volte in un giorno, eppure solitamente i riferimenti dicono che già dopo soli 3min si é recuperato circa il 92%, allora quanto ci vorrebbe per coprire quell’8% rimasto? http://www.brianmac.co.uk/energy.htm
    Pero’ ad esempio se interpreto correttamente questo estratto http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/43580
    dice che dopo ben 15 minuti di recupero le riserve di fosfocreatina passano solo dal 4% al 68%, interpreto male oppure é realmente cosí?
    sapresti spiegarmi tutto questo come solo tu sai fare?
    un’ultima cosa, ma quando ti deciderai a fare un piccolo investimento per farti tradurre DCSS in inglese da un madrelingua? ne venderesti davvero tanti…
    ahhh… finita la tesi potrai finalmente dedicarti a DCSS2, giusto?
    • 10/02/2015
      Ciao, il problema è che così tu consideri il movimento correlato solo alla “periferia”, cioè al muscolo. E solo al suo metabolismo, cioè al carburante utilizzato.
      Immaginati una macchina. Questa va perchè c’è una benzina e un serbatoio, ma se il pilota è stordito, anche con il serbatoio pieno sarà difficile guidare… Così quando fai un massimale. Consumi e reintegri a livello del muscolo, ma poi hai tutto l’impatto su come usarli questi muscoli. Non riesci a rifare il massimale per un problema di sistema nervoso, non di reintegro dei substrati energetici!
      • 12/02/2015
        Innanzitutto grazie per la risposta. Cerco di cogliere l’occasione per approfondire la questione sperando di leggere presto un tuo articolo in merito, purtroppo sono domande che non ho saputo porti nelle occasioni in cui sono venuto ad ascoltarti.
        Oserei dire che nessuno vada oltre al concetto di sistemi energetici nel considerare il condizionamento fisico e pur essendo consapevole che il nostro organismo non sia fatto a compartimenti mi chiedo quali siano le capacità di recupero del SNC e dell’SNP, di come questo si relazioni alla durata ed intensità dello sforzo, se siano le riserve di glucosio a dover essere prese in considerazione in questo caso e se si possano tracciare, analogamente ai sistemi energetici, dei parametri di riferimento.
        bene, credo sia meglio mi fermi con le domande, spero siano tra quelle che stimolino il tuo interesse.
        • 12/02/2015
          Il problema è proprio la difficoltà della ricerca. Se cerchi una differenza fra fatica neurale e fatica periferica vedi che già su questa ti areni. Ok, ci sono studi sulla trasmissione dei segnali, ma la fatica rimane qualcosa di sfuggente. E la fatica è l’esasperazione dei vari sistemi di performance dell’organismo. Sicuramente nella fatica c’è una componente prettamente periferica, metabolica, legata alle variazioni dei vari elettroliti (poi puoi chiamarla come aumento di acidità, di lattato, di calcio o di quello che vuoi), sicuramente poi tutto questo si riflette sui treni degli impulsi elettrici, ma alla fine… perchè io non posso fare 10 massimali al giorno ancora è molto sfuggente. Chiaro, è ovvio, vero? Però una spiegazione biochimica ancora non c’è.
          • 13/02/2015
            si, non solo mi areno, faccio proprio difficoltà a trovare fonti e riferimenti validi in questo ambito, come dicevi tutti gli studi sono muscolocentrici e del concetto di fatica ed esaurimento del sistema nervoso relativamente all’allenamento ne parlano in pochi e solo in modo empirico/mistico, per questo chiedevo a te di trattare l’argomento. Tienilo presente per DCSS2…
            grazie ancora, continuero’ a dire ad Ale di rinnovarti l’invito per i prossimi WS finche’ non troveremo un momento buono per te.
            Alberto.

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