Gli enzimi: che cosa sono e come fanno quello che fanno

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1) Ventuno enzimi, centocinquantaquattro volte, mai una definizione
2) La barriera: perché una reazione che può avvenire se ne sta ferma
3) Abbassare invece di scaldare: che cos'è un catalizzatore
4) Quanto accelera davvero un enzima, e come si misura
5) Il sito attivo e la specificità: la parte che lavora, e perché sceglie
6) I mestieri della catalisi, e gli aiutanti dell'enzima
7) Come lo abbiamo capito, e come si chiamano: storia, ribozimi, numeri EC
8) Temperatura e pH: la campana che i libri disegnano male
9) Km, Vmax, kcat: la cinetica senza formule magiche
10) Spegnere un enzima: inibizione reversibile e irreversibile
11) Regolare un enzima: allosteria, interruttori, lucchetti e indirizzi
12) L'enzima guasto: dal nano di Mendel alle analisi del sangue
13) Domande frequenti
14) Errori tipici, ponte col libro di testo, ripasso

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Ventuno enzimi, centocinquantaquattro volte, mai una definizione

Livello: primo incontro.

Questa sezione chiude una domanda sola: perché continui a incontrare parole che finiscono in -asi, e nessuno ti dice che cosa sono.

Cominciamo dal conto, perché è un conto che riguarda pagine che hai già letto. Abbiamo ripreso le guide di scienze pubblicate su questo sito e abbiamo contato i nomi di enzima: 21 nomi distinti, 154 occorrenze in tutto. Il nome più frequente è polimerasi, 30 volte; all'altro capo della fila c'è anidrasi carbonica, 2 volte. Nessuna di quelle 154 righe dice che cosa sia un enzima (misurato: conteggio testuale nostro sul corpus di questo sito, agosto 2026).

I nomi che hai già incontrato

Otto di questi nove sono presi dalle guide già online: sono una parte dei 21, quella che si può mettere in tabella nome per nome. Il nono, l'anidrasi carbonica, non l'hai ancora letto da nessuna parte: lo incontri qui dalla sezione 3 in poi, e sta in tabella perché da lì in avanti torna di continuo. Gli altri stanno sparsi nelle stesse pagine.


Ecco la riga di nomenclatura, e per adesso è l'unica che ti serve: la desinenza -asi vuol dire «enzima», e il resto del nome dice su che cosa lavora. L'elicasi lavora sull'elica, la lattasi sul lattosio, la DNA polimerasi costruisce DNA. Avrai già notato che RuBisCO in -asi non finisce, e che nella tabella manca il codice numerico che gli enzimi hanno per davvero: sono due questioni vere, e stanno nella sezione 7. Là la parola «enzima» vorrà già dire qualcosa, e i nomi si potranno leggere sul serio invece che impararli a memoria.

Che cosa fa questa guida, e che cosa non rifà

Questa guida risponde a una domanda sola: che cos'è un enzima e come fa quello che fa. Tutto ciò che sta intorno resta dov'è già scritto, e da qui si rimanda soltanto. La struttura delle proteine e il ripiegamento stanno nella guida sulla sintesi proteica, insieme al modo in cui un gene diventa proteina. L'ATP e la catena respiratoria stanno nella guida sulla respirazione. La RuBisCO nel dettaglio e il ciclo di Calvin stanno nella guida sulla fotosintesi. Gli alleli e i sette caratteri stanno nella guida su Mendel. Se cerchi quelle cose, non le troverai qui: le troverai lì, e ci mandiamo noi.

Se la verifica è domani

Quattordici righe, una per sezione. Accanto a ciascuna c'è il numero della sezione che la costruisce: se una riga non ti torna, quello è il posto dove andare.

• Le parole in -asi sono nomi di enzimi: la desinenza dice «enzima», il resto dice su che cosa lavora (§1).
• Una reazione può convenire e stare ferma lo stesso, perché fra partenza e arrivo c'è una barriera da scavalcare (§2).
• Il catalizzatore abbassa la barriera; non regala energia, non sposta l'equilibrio e non si consuma (§3).
• Quanto accelera un enzima è una cosa che si misura, e le cifre dei manuali e quelle misurate non coincidono (§4).
• Il lavoro avviene in una conca minuscola della proteina, il sito attivo, che sta sull'enzima e non sul substrato (§5).
• «Abbassa l'energia di attivazione» non è la spiegazione: è il risultato. La spiegazione sono i gesti chimici (§6).
• Non tutti gli enzimi sono proteine, e non tutti i nomi finiscono in -asi (§7).
• Il caldo non «uccide» l'enzima: lo denatura. E la campana disegnata dai libri è una descrizione operativa, non una legge di natura (§8).
• La costante di Michaelis è la concentrazione di substrato alla quale l'enzima va a metà della sua velocità massima (§9).
• Il tipo di inibizione si stabilisce dall'effetto sui parametri, non da dove si attacca l'inibitore (§10).
• Lo stesso enzima si accende e si spegne: siti regolatori, fosfati aggiunti e tolti, precursori spenti, indirizzi (§11).
• «Enzima guasto» ha almeno tre significati materiali diversi, e sono diversi anche in laboratorio (§12).
• Le domande frequenti raccolgono quelle che abbiamo previsto noi: quando arriveranno le vostre, prenderanno il loro posto (§13).
• Quando la guida e il libro divergono, quasi mai è distrazione: è che dicono due cose diverse con le stesse parole (§14).

A che livello si legge ogni sezione

La mappa vale per tutta la guida, e ogni sezione dichiara il proprio livello nella sua prima riga. Al primo incontro si leggono le sezioni da 1 a 5, la 8, la prima metà della 7 e la prima metà della 12; dentro quelle sezioni quattro code sono più avanzate, e ciascuna lo dichiara in apertura: le unità di misura della 4 e i due modelli storici della 5 si leggono dal triennio, il diagramma dell'energia della 3 e la parte su febbre ed estremofili della 8 servono anche al quinto anno. Sono da triennio la sezione 6, la seconda metà della 7 e la sezione 9. Sono da quinto anno le sezioni 10 e 11 e la seconda metà della 12. Le sezioni 13 e 14 si leggono a qualsiasi livello. Se una sezione dichiara in apertura un livello diverso da questo, è un errore nostro: segnalacelo.

Un'ultima cosa, detta qui e non nascosta in fondo: la sezione 13 raccoglie domande frequenti che abbiamo previsto noi, non domande che ci sono già arrivate, e lo ripetiamo dentro la sezione stessa. Quando arriveranno quelle vere, da lettori e insegnanti, prenderanno il loro posto.

La parola che si è fatta da sola: non si è fatta

Fin qui abbiamo costruito. Adesso demoliamo, ed è la premessa comoda di tutti i libri: che «enzima» sia ormai una parola che si è formata per uso, a forza di incontrarla, e che quindi non serva definirla.

Non si è formata. Nelle quattro guide di questo sito la parola «enzima» compare 91 volte: 14 in quella sul DNA, 13 in quella sulla sintesi proteica, 5 in quella su Mendel, 59 fra respirazione e fotosintesi (misurato: conteggio testuale nostro). Nessuna delle quattro dice mai che cosa sia. Ripetere una parola non la definisce; la rende soltanto familiare, ed è peggio, perché la familiarità toglie la voglia di chiedere.

E adesso demoliamo anche noi stessi: l'enzima che, per i programmi, non esiste

Questo progetto è partito da un'idea comoda, cioè che l'enzima si incontri al biennio. Normativamente è falso. Nelle Indicazioni nazionali dei licei, il decreto ministeriale 211 del 2010, la parola «enzimi» compare una sola volta in tutto il documento, e non per definire che cosa sia: compare al quinto anno del liceo scientifico opzione scienze applicate, come strumento dell'ingegneria genetica. Le parole «catalizzatore», «catalisi» ed «energia di attivazione» compaiono zero volte in tutto il documento (misurato: ricerca testuale nostra sul testo del decreto).

Eppure lo studente gli enzimi li usa da anni. Fotosintesi e respirazione si studiano già alle medie, e nelle nuove Indicazioni nazionali del primo ciclo la parola non compare neppure una volta (misurato: ricerca testuale nostra). Il sistema chiede di adoperare gli enzimi per tre anni prima di dirti che cosa sono. Questa guida esiste per quello. La versione lunga del conto, ordine di scuola per ordine di scuola, sta nella sezione 14: è la risposta da dare all'insegnante che chiede perché stai leggendo roba «da quinta».

Esercizio 1 — L'inventario della tua pagina

Testo. Prendi il capitolo del tuo libro su DNA, respirazione o fotosintesi e conta due cose: quante volte compare un nome che finisce in -asi, e quante volte il libro dice che cos'è un enzima.

La mossa che sblocca. Non leggere il capitolo: passalo con l'indice sulla riga, segnando solo le parole in -asi e la parola «enzima». Il risultato sono i due numeri affiancati, non il riassunto del capitolo.

Errore tipico. Contare come definizione una frase che dice a che cosa serve l'enzima («l'elicasi apre la doppia elica») invece che che cosa è. «Serve a» non è una definizione.

Esercizio 2 — Quale riga del riquadro non sapresti spiegare

Testo. Leggi le quattordici righe del riquadro «Se la verifica è domani» e segna quelle che non sapresti spiegare a voce a un compagno. Poi vai alla sezione indicata accanto a ciascuna.

La mossa che sblocca. Prova a dirla ad alta voce. Se dopo tre secondi stai ripetendo le stesse parole del riquadro senza aggiungerne di tue, quella riga non la sai: è ancora una frase, non un fatto.

Errore tipico. Segnare come «già sapute» le righe che suonano familiari. «L'enzima non si consuma» suona familiare a tutti, ed è la prima cosa che si sbaglia agli esami.

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La barriera: perché una reazione che può avvenire se ne sta ferma

Livello: primo incontro; fa eccezione il riquadro in corpo minore con la formula ufficiale dell'energia di attivazione, che è da quinto anno e si può saltare senza perdere niente del resto. Questa sezione chiude una domanda sola: se una reazione conviene, perché non avviene?

Il fatto: il tuo DNA sta fermo, e non perché qualcuno lo protegga

Mentre leggi questa riga, dentro ogni tua cellula ci sono metri di DNA immersi in acqua. Lo scheletro di quella molecola è una catena di zuccheri tenuti insieme da ponti di fosfato: la guida sul DNA di questo sito lo chiama scheletro fosfodiesterico. Quella catena, adesso, non si sta sciogliendo. È per questo che l'informazione dura: dura perché dura la molecola.

Il punto è che la scissione di quei ponti non è vietata. In acqua è chimicamente favorita: se avvenisse, il sistema finirebbe più in basso di dove è partito. E sappiamo anche quanto ci mette ad avvenire da sola, perché è stata misurata su una molecola modello nella quale l'acqua può attaccare soltanto il fosforo, come nello scheletro del DNA, il dineopentil fosfato: in soluzione neutra, a 25 gradi, metà delle molecole si idrolizza in 30 milioni di anni (misurato; Schroeder, Lad, Wyman, Williams e Wolfenden, PNAS 103, 2006, pp. 4052-4055). Il dimetilfosfato, che i manuali citano con un tempo di dimezzamento di 130.000-140.000 anni, non serve allo scopo: quella molecola scompare per almeno il 99 per cento rompendo il legame carbonio-ossigeno, cioè in un punto che nel DNA non è quello dove lo scheletro si spezza.

Centotrentamila anni perché ne sparisca la metà. Nessuna cellula aspetta tanto, e nessuna cellula ha bisogno di aspettare: la domanda vera non è perché il DNA regga, è perché una reazione che conviene se ne stia ferma. Quella domanda ha una risposta fisica, ed è la stessa per tutte le reazioni della biologia.

Il muro in mezzo: stato di transizione ed energia di attivazione

Fra i reagenti e i prodotti la strada non è in discesa tutta intera. Prima di arrivare in fondo, le molecole devono passare per una configurazione scomoda: legami vecchi già mezzo rotti e legami nuovi non ancora fatti. Quella configurazione costa energia, e sta più in alto sia della partenza sia dell'arrivo. Il punto più alto del percorso si chiama stato di transizione; quanto bisogna salire per raggiungerlo, partendo dai reagenti, si chiama energia di attivazione.

In italiano, dunque: l'energia di attivazione è l'altezza del muro che sta in mezzo. Non dice dove si arriva, dice quanto bisogna alzarsi per arrivarci.

In corpo minore, la definizione ufficiale, per chi la incontrerà in chimica. La nomenclatura internazionale (IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, voce «activation energy») definisce l'energia di attivazione di Arrhenius come un parametro empirico che descrive quanto fortemente la costante di velocità dipende dalla temperatura, secondo la relazione Ea = R T^2 d(ln k)/dT, dove k è la costante di velocità, T la temperatura assoluta e R la costante dei gas. È una definizione operativa: si ricava misurando come cambia la velocità quando si cambia la temperatura, non guardando un disegno.

Esercizio 3 — Perché il tuo DNA è ancora lì

Testo. Scrivi in tre righe perché una reazione chimicamente favorita, la scissione dello scheletro del DNA, può non avvenire per centomila anni. Non ti è permesso usare la parola «enzima».

La mossa che sblocca. Distingui le due altezze del disegno: quanto stai in basso alla fine, cioè il dislivello complessivo, e quanto devi salire prima, cioè la barriera. La prima dice se conviene, la seconda dice quando.

Errore tipico. Scrivere «perché non c'è abbastanza energia». L'energia c'è, ed è nel movimento termico. Manca il colpo di fortuna: l'urto abbastanza energetico da scavalcare quel muro preciso.

Due parole che i libri lasciano appiccicate: favorita e veloce

Una reazione favorita è una che, se avviene, lascia il sistema più in basso di come l'ha trovato: libera energia. Una reazione veloce è tutt'altra cosa, e non dipende dal dislivello fra partenza e arrivo: dipende solo dall'altezza del muro in mezzo.

Sono due domande diverse e si verificano in due modi diversi. «Conviene?» si risponde confrontando il punto di partenza e il punto di arrivo, e la risposta non cambia mai, neanche se aspetti un milione di anni. «Quanto ci mette?» si risponde solo con un cronometro.

Il dimetilfosfato tiene insieme le due cose e mostra che non si implicano: conviene molto e ci mette 130.000 anni. Nella sezione 4 incontrerai un caso ancora più estremo, con lo stesso identico schema: una reazione favorita che da sola impiega 78 milioni di anni a dimezzarsi.

Esercizio 4 — Due frasi da smistare

Testo. Davanti a sei frasi, decidi per ciascuna se parla di quanto la reazione CONVIENE o di quanto è VELOCE. Comincia da queste tre: «libera calore»; «si completa in due secondi»; «all'equilibrio quasi tutto è prodotto». Poi scrivine tu altre tre e smistale.

La mossa che sblocca. Cerca il cronometro. Se la frase potrebbe essere verificata solo aspettando, parla di velocità; se potrebbe essere verificata anche lasciando il sistema fermo per sempre, parla di convenienza.

Errore tipico. Mettere «reazione esotermica» fra le veloci. Il calore liberato dice dove si arriva, non quanto ci si mette.

Da dove viene la spinta

Se il muro c'è, qualcuno ogni tanto lo scavalca: altrimenti in 130.000 anni non si dimezzerebbe niente. Chi paga la salita?

Non una fonte dedicata, e non una riserva di energia che la molecola si porta dietro. La spinta viene da un urto casuale insolitamente energetico con le molecole vicine (Alberts e colleghi, Molecular Biology of the Cell). Le molecole di un liquido si urtano in continuazione a velocità diversissime; ogni tanto, per caso, un urto arriva con energia sufficiente a portare i reagenti fin sopra il muro. Più alto è il muro, più raro è l'urto abbastanza fortunato, e più lunga è l'attesa.

Tieni in mente questa frase, perché la sezione 3 la userà tale e quale: l'enzima non cambia il tipo di spinta, e non spinge lui. Cambia l'altezza del muro, e così una frazione molto più grande di quegli stessi urti casuali basta a scavalcarlo.

Il disegno, prima a parole e poi con la tua mano

Immagina un profilo di montagna disegnato da sinistra a destra. A sinistra c'è un tratto piatto: i reagenti. A destra un altro tratto piatto, più in basso se la reazione è favorita: i prodotti. In mezzo una gobba, e la sua cima è lo stato di transizione. Dalla partenza alla cima si misura l'energia di attivazione. Dalla partenza all'arrivo si misura il dislivello complessivo. Sono due frecce diverse, che partono da punti diversi e finiscono in punti diversi: chi le confonde ha già sbagliato tutto il resto.

Sull'asse orizzontale non c'è né un tempo né una distanza: c'è la coordinata di reazione, che dice soltanto a che punto della trasformazione siamo. E c'è un'avvertenza che viene dalla nomenclatura ufficiale (IUPAC, voce «Gibbs energy diagram»): l'osservazione sperimentale dà informazioni solo sui massimi e sui minimi del profilo, cioè sulle cime e sulle conche. Il tratto continuo che unisce un punto all'altro è un modo di disegnare, non un dato. La grandezza che si mette sull'asse verticale, in quella nomenclatura, è l'energia di Gibbs standard relativa: la sezione 3 scioglie quel nome in italiano, qui basta chiamarla energia.

Esercizio 5 — Disegna il diagramma e fatti correggere

Testo. Disegna il percorso dell'energia per una reazione favorita: reagenti, stato di transizione, prodotti. Poi segna con due frecce diverse l'energia di attivazione e il dislivello complessivo, e scrivi accanto all'asse orizzontale che cosa rappresenta. Fai controllare il disegno a chi ti insegna, prima di studiarci sopra.

La mossa che sblocca. Parti dai due livelli piatti, inizio e fine, e solo dopo alza la gobba in mezzo. Chi disegna prima la gobba finisce quasi sempre col mettere i prodotti alla stessa altezza dei reagenti.

Errore tipico. Scrivere «tempo» sull'asse orizzontale. È la coordinata di reazione: dice a che punto della trasformazione siamo, non da quanto stiamo aspettando.

Tre frasi da manuale che qui cadono

Adesso che il quadro è in piedi, si può dire che cosa non regge. Le tre frasi che seguono non sono inventate per l'occasione: sono errori raccolti su studenti veri.

«La reazione non avviene perché non ha abbastanza energia». Confonde il dislivello complessivo con l'altezza della barriera. Sono le due frecce dell'esercizio 5, e da questa confusione nasce quasi tutto il resto: chi la fa non riesce più a capire perché un enzima acceleri senza spostare l'equilibrio.

«Senza enzima la reazione non avviene affatto». Avviene: lentissima. Centotrentamila anni per il dimetilfosfato, e nella sezione 4 un caso da 78 milioni di anni. È una delle idee sbagliate tabulate nell'inventario di biologia molecolare e cellulare di Shi e colleghi (2010), somministrato come prova d'ingresso a oltre 700 studenti (conteggio dichiarato dallo studio): gli studenti che sbagliavano quei quesiti pensavano che gli enzimi servano a far accadere le reazioni, non a cambiarne la velocità.

«L'ATP dà l'energia alla molecola per superare la barriera». In uno studio universitario su quattro elaborati scritti, uno studente scrive letteralmente che l'ATP è un enzima che fornisce energia, e gli autori catalogano la concezione con quel nome (Halim e colleghi, 2018; la frase viene dall'elaborato sulla fotosintesi, il cui campione dichiarato è di 27 studenti; quello sugli enzimi ne aveva 26). Le due cose vanno tenute separate: chi paga una reazione sfavorevole è l'accoppiamento con un'altra reazione, mentre chi fa scavalcare la barriera è sempre e solo l'urto termico. La prima riguarda il dislivello, la seconda il muro.

In coda, un errore che non è degli studenti ma dei manuali, e lo segnala la nomenclatura ufficiale. Nel diagramma dell'energia il punto più alto non corrisponde necessariamente allo stato di transizione dello stadio che determina la velocità: la voce IUPAC lo scrive in modo esplicito, contrariamente a quanto affermano molti manuali, e aggiunge che in una sequenza a due stadi quale dei due comandi la velocità dipende dalle concentrazioni. Al primo incontro basta sapere che esiste; conterà da quando la reazione avrà più di uno stadio, cioè da quando entrerà in scena il complesso fra enzima e substrato, nella sezione 3 e poi nella 9.

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Abbassare invece di scaldare: che cos'è un catalizzatore

Livello: primo incontro; l'ultimo paragrafo, quello sul diagramma dell'energia, serve anche al quinto anno.

Questa sezione chiude una domanda sola: che cosa fa un enzima, esattamente. La sezione 2 ha lasciato le cose a questo punto: una reazione può essere favorita e stare ferma lo stesso, perché fra la partenza e l'arrivo c'è un muro da scavalcare. Qui vediamo chi abbassa quel muro, e come si chiama il mestiere.

Un enzima che gira più di un milione di volte al secondo

Mentre leggi, i tuoi tessuti producono anidride carbonica (CO2) e i globuli rossi la devono caricare: per trasportarla nel sangue la trasformano in bicarbonato, e nei polmoni rifanno il percorso all'incontrario per liberarla nell'aria che espiri. Andata e ritorno, a ogni respiro, in frazioni di secondo.

L'enzima che fa questo lavoro si chiama anidrasi carbonica II umana. Una sua singola molecola trasforma fino a circa 1,4 milioni di molecole di anidride carbonica al secondo — lo stesso numero, scritto come lo scrivono i libri, è 1,4x10^6 al secondo. Prima di andare avanti, l'etichetta: questo è un valore di manuale, non una misura che abbiamo letto alla fonte. La misura primaria è un lavoro del 1971 (Khalifah) che non siamo riusciti ad aprire, e lo ripeteremo ogni volta che questi numeri torneranno, riquadri compresi. Il manuale da cui prendiamo il numero precisa anche una condizione che i libri di solito tacciono: quel massimo si raggiunge a pH 9, cioè in ambiente basico (il pH misura quanto una soluzione è acida o basica: sotto 7 acida, sopra 7 basica).

Accanto al primo numero ne circola un secondo, 1,5x10^8 M^-1 s^-1, dove la M sta per molare, cioè per la concentrazione della soluzione: è l'efficienza catalitica, si legge insieme alla costante di Michaelis e la rimandiamo alla sezione 9, che scioglie molarità, millimolari e micromolari come si deve. Anche questo è un valore di manuale, dalla stessa fonte non aperta.

Un'ultima cosa, per non lasciare in giro un primato falso: l'anidrasi carbonica più veloce conosciuta non è la nostra. È quella di un batterio delle acque calde, Sulfurihydrogenibium azorense, e gira 4,40x10^6 volte al secondo a 293 kelvin e pH 7,5. Questo è un valore misurato, con le sue condizioni dichiarate; 293 kelvin, sulla scala che parte dallo zero assoluto, sono circa 20 gradi centigradi.

Due modi di far scavalcare un muro, e tu ne hai uno solo

Per far passare più molecole oltre la barriera della sezione 2 ci sono esattamente due strade. La prima è alzare la temperatura: gli urti fra le molecole diventano più violenti, e una frazione più grande di essi è abbastanza energica da superare il muro. È quello che fai quando accendi il fornello. La seconda è lasciare la temperatura dov'è e abbassare il muro.

Il tuo corpo ha solo la seconda. La temperatura interna sta intorno ai 37 gradi centigradi (valore convenzionale da manuale clinico) e si muove di pochissimo: due gradi in più si chiamano febbre e costano cari, come vedremo nella sezione 8. Non puoi scaldare la cellula per far andare più in fretta la digestione. Puoi solo mettere in campo qualcosa che renda il muro più basso. Quel qualcosa ha un nome, e il nome non è «enzima»: è catalizzatore.

La definizione ufficiale, e le sue due metà

Detta in italiano piano, la definizione ufficiale dice due cose insieme.

Prima metà: un catalizzatore aumenta la velocità della reazione senza cambiare il dislivello complessivo fra partenza e arrivo. Cambia l'altezza del muro in mezzo, non le quote dei due lati. Il dislivello complessivo, in chimica, ha un nome tecnico: variazione di energia di Gibbs standard. Per ora tienilo come sinonimo di «dislivello fra il punto di partenza e il punto di arrivo».

Seconda metà: il catalizzatore è insieme reagente e prodotto della reazione. Cioè entra e riesce, e si ritrova intatto alla fine.

Ecco la formulazione ufficiale alla lettera, in corpo minore, per chi vuole vederla:

La stessa voce aggiunge un avvertimento che vale la pena tenere: se la sostanza che aggiungi viene consumata, non si parla di catalisi. In quel caso si chiama attivatore, ed è un'altra cosa.

Di che cosa è fatto un enzima, e che cos'è un substrato

Un enzima è un catalizzatore biologico: un catalizzatore fabbricato da un essere vivente e che lavora dentro di lui, a temperatura di corpo.

E di che cosa è fatto? Diciamolo qui, una volta per tutte e prima che serva: di una catena di amminoacidi ripiegata su se stessa, cioè di una proteina. Come si costruisce quella catena e come fa a ripiegarsi è già raccontato nella guida sulla sintesi proteica, e non lo rifacciamo. Tieni solo presente che questa frase ha un'eccezione vera, non una sfumatura: esistono catalizzatori biologici fatti di RNA, e li incontrerai nella sezione 7.

Seconda parola, ed è la prima volta che la usiamo: substrato. Il substrato è la molecola su cui l'enzima lavora, quella che entra e viene trasformata. Per l'anidrasi carbonica di poco fa il substrato è l'anidride carbonica. Per la lattasi è il lattosio. Non è un sinonimo di «reagente qualunque»: è il reagente visto dal punto di vista dell'enzima che lo tratta.

La sequenza, scritta per intero

Il ciclo di un enzima si scrive così:

E + S -> ES -> E + P

dove E è l'enzima, S il substrato, ES il complesso enzima-substrato, P il prodotto. A parole: l'enzima aggancia il substrato in una tasca sulla propria superficie, lo tiene fermo, lo converte, lascia andare il prodotto e ricomincia con la molecola successiva. Che cosa sia quella tasca, come faccia a riconoscere un substrato e non un altro, e perché le forze che lo tengono agganciato siano deboli, è materia della sezione 5.

Guarda adesso i due lati della freccia. A sinistra c'è E, a destra c'è E. Identico. Non è una convenzione di scrittura: è il motivo materiale per cui un enzima non può spostare l'equilibrio di una reazione. Chi non viene né consumato né prodotto non può far pendere la bilancia da nessuna parte.

Esercizio 6 — Il catalizzatore nell'equazione

Testo. Scrivi la reazione S -> P catalizzata dall'enzima nella forma completa, con l'enzima al suo posto. Poi rispondi: in quale punto dell'equazione si vede che l'equilibrio non può spostarsi?

La mossa che sblocca. Cerca l'enzima a sinistra e a destra della freccia. Se compare identico da entrambe le parti, non è né un reagente consumato né un prodotto formato: non può spostare nulla.

Errore tipico. Scrivere E + S -> P, facendo sparire l'enzima. Sparito lui, è sparita la ragione per cui l'equilibrio resta fermo.

Tre frasi che si sentono spesso, e una precisazione che i manuali saltano

Adesso che la definizione è in piedi, si può dire che cosa non regge. Le prime tre non sono frasi inventate per l'occasione: sono errori registrati su grandi numeri di studenti.

«Gli enzimi si consumano, quindi ne serve altro.» Il rapporto ufficiale degli esaminatori Cambridge IGCSE Biology 0610 della sessione di giugno 2024 la segnala fra gli errori del quesito 12. La seconda metà della definizione la esclude: l'enzima esce identico a come è entrato e ricomincia subito. Quella singola molecola di anidrasi carbonica non è un milione di enzimi usa e getta: è uno solo, che nel giro di un secondo ha fatto il lavoro più di un milione di volte.

«Gli enzimi cambiano l'equilibrio delle reazioni.» È tabulata come misconcezione in un inventario somministrato a oltre 700 studenti (Shi e colleghi). Non può essere vera, e il motivo è geometrico prima che chimico: la barriera si abbassa esattamente della stessa quantità nei due sensi, perché il muro è uno solo e lo si scavalca da destra o da sinistra. Quindi la reazione diretta e quella inversa accelerano dello stesso fattore, e il punto di arrivo non si muove. Cambia quando ci arrivi, non dove arrivi.

«L'enzima fornisce l'energia.» No: l'energia per scavalcare la barriera viene dagli urti termici casuali con le molecole vicine, sempre, con o senza enzima. Ogni tanto un urto è insolitamente violento e basta a passare. L'enzima non spinge niente: abbassando il muro fa sì che una frazione molto più grande di quegli urti ordinari sia sufficiente.

La precisazione onesta. La definizione ufficiale degli enzimi pubblicata nel 2023 dal comitato di nomenclatura biochimica non scrive «mai consumati»: scrive che gli enzimi «generalmente non vengono consumati», e aggiunge che in un piccolo numero di casi partecipano come substrati alla reazione che catalizzano e devono essere riportati allo stato attivo prima di ricominciare. Il «mai» assoluto è più comodo del vero, e siccome qui si impara a distinguere ciò che è documentato da ciò che è comodo, tanto vale saperlo subito.

Esercizio 7 — Le due metà della definizione

Testo. La definizione ufficiale di catalizzatore dice due cose insieme. Separale, scrivile con parole tue, e per ciascuna indica un errore da compito che quella metà impedisce.

La mossa che sblocca. La prima metà riguarda la velocità e il dislivello; la seconda riguarda il destino dell'enzima. Ogni errore classico viola una delle due, mai tutte e due insieme.

Errore tipico. Dare la definizione con la sola prima metà («accelera le reazioni»). Con quella metà da sola, «l'enzima si consuma» resta una frase perfettamente compatibile.

Esercizio 8 — Lo stesso fattore nei due sensi

Testo. Un enzima accelera mille volte la reazione A -> B. Di quanto accelera B -> A? E che cosa succede alla proporzione fra A e B all'equilibrio?

La mossa che sblocca. Guarda il disegno della sezione 2: la gobba è una sola, e la si scavalca da destra o da sinistra. Se si abbassa, si abbassa per tutti e due.

Errore tipico. Rispondere «accelera solo l'andata, per questo si formano più prodotti». È la misconcezione più diffusa dell'argomento: all'equilibrio si arriva prima, ma si arriva nello stesso punto.

Il diagramma dell'energia, letto come si deve

Quest'ultimo paragrafo serve anche al quinto anno. Il disegno che hai fatto nella sezione 2 ha un nome ufficiale, diagramma di energia di Gibbs, e una definizione precisa: mostra le energie di Gibbs standard relative di reagenti, stati di transizione, intermedi di reazione e prodotti, nella stessa sequenza in cui compaiono nella reazione. Sono quote su un asse verticale, messe in fila.

Da qui discendono due cautele che i libri quasi sempre saltano, e che vengono dalla stessa voce ufficiale. La prima: i punti si uniscono spesso con una curva continua, ma l'osservazione sperimentale dà informazioni solo sui massimi e sui minimi. Il tratto di curva fra un punto e l'altro è disegnato per comodità dell'occhio, non misurato. La seconda, scritta là in modo esplicito contro i manuali: contrariamente a quanto affermano molti testi, il punto più alto del diagramma non corrisponde necessariamente allo stato di transizione dello stadio che limita la velocità; in una sequenza a due stadi, quale dei due comandi dipende anche dalle concentrazioni.

Con questo la parola «catalizzatore» è a posto. Resta la domanda che tutti fanno subito dopo: quanto accelera davvero un enzima, e come si fa a misurarlo. È la sezione 4.

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Quanto accelera davvero un enzima, e come si misura

Livello: primo incontro; la parte sulle unità di misura è da triennio.

Questa sezione chiude una domanda sola: quanto conta avere l'enzima? In §2 abbiamo visto perché una reazione che conviene se ne sta ferma, e in §3 che cosa fa un catalizzatore. Qui arrivano i numeri, e ciascuno con l'etichetta di come lo sappiamo.

Il caso estremo, col numero attaccato al suo substrato

L'acido orotico è una piccola molecola che sta sulla via di costruzione delle basi azotate. Lasciato in acqua neutra a temperatura ambiente, perde da solo una molecola di anidride carbonica: la reazione avviene, ma con un tempo di dimezzamento — il tempo che serve perché metà delle molecole presenti abbia reagito — di 78 milioni di anni. Nella cellula quella decarbossilazione non avviene sull'acido orotico libero: il substrato dell'enzima, l'orotidina-5'-fosfato decarbossilasi, è l'orotidina-5'-monofosfato, cioè l'acido orotico con attaccato lo zucchero fosforilato. Confrontando la velocità dell'enzima sul proprio substrato con quella della reazione modello sull'acido orotico si ottiene un fattore 10 elevato alla diciassettesima potenza, che si scrive 10^17 e vuol dire un 1 seguito da diciassette zeri: cento milioni di miliardi di volte.

Etichetta: misurato (Radzicka e Wolfenden, 1995, in soluzione acquosa neutra a temperatura ambiente; come in §2, di questo lavoro abbiamo letto l'abstract e non il testo integrale, e lo ripetiamo qui perché è la fonte dei due numeri più grossi della guida). Ed è il record noto: non è quanto accelera «un enzima», è quanto accelera quell'enzima lì, che è il più efficiente mai misurato.

L'enzima medio è lento, e questa è la parte che i manuali non hanno

Il ritratto onesto viene da una statistica, non da un aneddoto. Su un insieme di circa 5.000 reazioni estratte da due banche dati di enzimi (circa 2.500 enzimi e circa 1.500 substrati), il numero di giri al secondo mediano è circa 10, e il 60% dei valori sta fra 1 e 100 giri al secondo. Etichetta: misurato (Bar-Even e colleghi, 2011, su misure raccolte in condizioni diverse fra loro e con i substrati naturali degli enzimi).

Dieci al secondo. Non mille, non un milione: dieci. Il 10^17 dell'acido orotico è la punta di una distribuzione il cui centro sta molto più in basso, ed è per questo che i due numeri non possono stare nella stessa frase senza dire che cosa sono.

kcat è una frequenza, non una velocità

La grandezza che abbiamo appena usato ha un nome e un simbolo: si chiama numero di turnover, si scrive kcat, e risponde a una domanda precisa — quante molecole di substrato trasforma in un secondo UNA SOLA molecola di enzima, quando ha substrato in abbondanza. Si misura in «al secondo», che si scrive s^-1.

Questo non è il numero che legge chi guarda la provetta. La velocità della provetta dipende anche da quanto enzima c'è dentro: raddoppiando l'enzima raddoppia il prodotto che esce al minuto, mentre ogni singola molecola continua a fare i suoi giri esattamente come prima. Il legame fra le due cose è una moltiplicazione, e si vede in §9: la velocità massima si ottiene moltiplicando kcat per la concentrazione di enzima. Tenere separate le due grandezze adesso costa una riga; non tenerle separate costa la comprensione di tutta la §9.

La scala delle velocità

Fra la prima riga e l'ultima ci sono circa otto ordini di grandezza, cioè un fattore cento milioni, e tutte e sei le righe parlano di enzimi veri e vivi. La RuBisCO, che questa guida rimanda alla guida sulla fotosintesi, è uno degli enzimi più abbondanti della biosfera e fa tre giri al secondo. Lentezza e abbondanza, in biologia, sono compatibili.

«Attività»: la parola che regge le unità

Prima delle unità va sciolta la parola. L'attività di una preparazione enzimatica non dice quanto enzima c'è: dice quanto prodotto esce nell'unità di tempo. È una misura di quello che sta accadendo, non di quello che c'è dentro la provetta.

L'unità storica si chiama unità, simbolo U, e vale una micromole di substrato trasformato al minuto. Una mole è la quantità di sostanza che la chimica del primo biennio definisce contando le particelle; una micromole ne è la milionesima parte. Sulla data di nascita di U due fonti serie non dicono la stessa cosa: secondo un editoriale di rivista l'unità fu raccomandata dall'Unione Internazionale di Biochimica nel 1961, secondo l'Ufficio Internazionale dei Pesi e delle Misure è «in uso diffuso dal 1964». Le due affermazioni sono compatibili — si raccomanda prima, si diffonde dopo — ma non sono lo stesso fatto, e le teniamo separate.

L'unità del Sistema Internazionale è invece il katal, simbolo kat, adottato nel 1999 dalla Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure: vale una mole al secondo. Le conversioni sono aritmetica pura, e conviene farle una volta e ricordarle: 1 U uguale 16,67 nanokatal (il nanokatal è il miliardesimo di katal), e 1 katal uguale 6 x 10^7 U, cioè sessanta milioni di unità. Il katal è enorme, ed è il motivo per cui in laboratorio si vedono quasi sempre i nanokatal.

Ma la regola che conta più di ogni numero è un'altra: un valore di attività senza le condizioni in cui è stato misurato non è una misura. Temperatura, pH, substrato e concentrazioni vanno scritti accanto al numero, sempre. È la stessa ragione per cui, nella tabella qui sopra, ogni riga si porta dietro la sua colonna di etichetta.

Quattro numeri, uno per volta

Adesso che le grandezze hanno un nome, si possono guardare in faccia le cifre che circolano.

Primo. «Un enzima compie circa mille reazioni al secondo.» È la cifra di un testo universitario molto diffuso, ed è un valore convenzionale da manuale: sta due ordini di grandezza — cento volte — sopra la mediana misurata di 10 al secondo. Non è un errore di stampa ed è utile come ordine di grandezza degli enzimi veloci; è un errore affiancarla alla mediana senza dire che una è una convenzione e l'altra una statistica su migliaia di misure.

Secondo. «Gli enzimi accelerano fino a 10^14 volte» (lo stesso testo universitario); «talora fino a 10^16» (un manuale italiano); «da 10^8 a 10^20 volte» (un altro manuale, dello stesso editore). Di questi quattro numeri il solo misurato è il 10^17 dell'orotidina-5'-fosfato decarbossilasi, ed è un record su un enzima specifico; il 10^20 non è sostenuto da nessuna fonte che abbiamo potuto aprire e resta fuori da questa guida. L'abitudine da smontare, però, viene prima dei singoli valori: allineare quattro cifre come se fossero misure alternative dello stesso fatto. Non lo sono. Su come rispondere quando il tuo libro stampa una di queste cifre, vedi §14.

Terzo. «La catalasi fa 40 milioni di molecole al secondo.» Di questa cifra sappiamo esattamente questo, e lo scriviamo così: circola in materiale didattico, e non abbiamo trovato né la misura primaria né un testo identificabile che la stampi. Il valore più alto in una banca dati curata è 2,83 milioni di giri al secondo, più di dieci volte meno. Non diciamo che i 40 milioni siano falsi: diciamo che non sono tracciabili, e un numero non tracciabile non entra in una tabella accanto a numeri misurati.

Quarto. Un manuale italiano stampa le energie di attivazione della decomposizione dell'acqua ossigenata così: 18,1 chilocalorie per mole senza catalizzatore, 13 con platino colloidale, meno di 7 con la catalasi. Convertendo in chilojoule per mole (una chilocaloria vale 4,184 chilojoule) i conti non tornano: 13 chilocalorie per mole fanno 54,4 chilojoule per mole, che coincidono con il valore che due fonti didattiche anglofone attribuiscono allo ioduro (56,5) e non al platino (circa 49); e «meno di 7 chilocalorie per mole» fanno meno di 29 chilojoule per mole, contro gli 8,4 delle stesse due fonti. Tutte e tre le fonti sono però materiale didattico e non misure primarie: si danno come valori convenzionali dei testi di cinetica, mai come «è stato misurato che».

Esercizio 9 — Da 78 milioni di anni a quanto?

Testo. Una reazione spontanea si dimezza in 78 milioni di anni e l'enzima la accelera di 10^17 volte. Dai un ordine di grandezza del tempo con l'enzima. Poi scrivi in una riga perché questa guida non ti dà il numero esatto.

La mossa che sblocca. Porta i 78 milioni di anni in secondi: sono circa 2,5 x 10^15. Poi dividi per 10^17, cioè sottrai gli esponenti. Il risultato è una frazione di secondo.

Errore tipico. Cercare in rete la cifra dei «18 millisecondi» e riportarla come se venisse dal lavoro originale: quella cifra circola attribuita a un articolo del 1995, ma non compare nel suo riassunto, e per questo qui non c'è.

Esercizio 10 — Etichetta i numeri

Testo. Davanti a sei valori di accelerazione o di giri al secondo (per esempio 10^17, «circa mille al secondo», 2,83 x 10^6, 4 x 10^7, 3,7 e 10), scrivi accanto a ciascuno quale delle tre etichette di questa guida gli spetta — misurato con le sue condizioni, valore convenzionale da manuale, di seconda mano — oppure se non gliene spetta nessuna perché è una cifra non tracciabile, cioè un numero che circola senza una fonte a cui risalire.

La mossa che sblocca. Chiediti sempre due cose, nell'ordine: di QUALE enzima si parla, e in quali condizioni. Un numero senza soggetto e senza condizioni non è mai una misura.

Errore tipico. Trattare il 10^17 come «l'accelerazione tipica degli enzimi». È il record noto, su un enzima preciso: dire «gli enzimi accelerano di 10^17 volte» è falso quanto dire che gli uomini corrono i cento metri in nove secondi e 58.

Esercizio 11 — Turnover, non velocità

Testo. Due provette contengono lo stesso enzima e lo stesso substrato in eccesso, ma la seconda contiene il doppio dell'enzima. Che cosa cambia: kcat, la velocità misurata, tutti e due? Motiva in due righe.

La mossa che sblocca. kcat è una proprietà di UNA molecola di enzima, come i giri al minuto di un motore. La provetta misura la somma di tutti i motori accesi.

Errore tipico. Rispondere che raddoppia anche kcat. È l'errore che rende poi incomprensibile la differenza fra velocità massima e kcat in §9.

Esercizio 12 — Quale numero puoi scrivere in un compito

Testo. L'insegnante chiede quanto è veloce «un enzima tipico». Scrivi la risposta in due righe, in modo che sia vera e che non contraddica il libro senza spiegare perché.

La mossa che sblocca. Dai per prima la mediana misurata con la sua etichetta, poi cita la cifra del manuale con la sua, e chiudi dicendo che differiscono di due ordini di grandezza perché sono grandezze di natura diversa.

Errore tipico. Scegliere uno dei due numeri e cancellare l'altro. La risposta migliore non sceglie: distingue.

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Il sito attivo e la specificità: la parte che lavora, e perché sceglie

Livello: primo incontro, con una coda da triennio (l'ultima parte, quella sui due modelli storici e sui due esperimenti di Koshland, si legge bene dal triennio in poi).

Questa sezione chiude una domanda che nasce da sola appena si è capito che l'enzima è una proteina: dove avviene la reazione, dentro una catena lunga centinaia di amminoacidi?

La frase giusta era già scritta

Nella guida sul DNA di questo sito c'è una frase che spiega la specificità senza mai usare la parola: «l'elicasi stacca le calamite, non taglia l'acciaio». L'elicasi apre la doppia elica separando le due catene — le calamite sono i legami idrogeno fra le basi — e non tocca lo scheletro di zuccheri e fosfati, che è l'acciaio. Fa una cosa sola, e la fa su un punto solo. Qui sciogliamo il perché.

L'immagine: una conca, non una bocca

Immagina la proteina già ripiegata: un gomitolo compatto, con una superficie irregolare. Da qualche parte su quella superficie c'è una conca, una fessura, un solco. Non è un buco casuale. Prima però serve una parola che da qui in avanti torna in continuazione: un amminoacido, quando fa parte di una catena, si chiama residuo, e i residui si contano dal primo all'ultimo, così «residuo 57» vuol dire il cinquantasettesimo amminoacido della sequenza. Le pareti della conca sono fatte di pezzi di catena che nella sequenza sono lontanissimi fra loro — il residuo 57, il 102, il 195 — e che il ripiegamento ha portato a pochi decimi di nanometro l'uno dall'altro, cioè a meno di un milionesimo di millimetro.

Dentro quella conca si appoggia la molecola su cui l'enzima lavora, il substrato. Non ci viene incollata: viene tenuta da forze deboli — legami idrogeno, legami ionici, interazioni idrofobiche — cioè attrazioni che si formano e si rompono senza scambio di elettroni. È esattamente per questo che il substrato, una volta trasformato, se ne può andare e l'enzima resta libero per il giro successivo. Se fosse incollato, l'enzima lavorerebbe una volta sola.

Questa conca si chiama sito attivo. La sequenza completa della reazione è: enzima più substrato, poi complesso enzima-substrato, poi enzima più prodotto.

E + S  ->  ES  ->  E + P

Che cosa facciano materialmente quei residui una volta che il substrato è dentro — chi strappa un protone, chi attacca un carbonio — è il contenuto della sezione 6. Qui interessa solo che siano pochi e che stiano lì.

Quanto è piccola la parte che lavora: i casi contati

La chimotripsina è la proteasi che nel tuo intestino tenue sta tagliando proteine in questo momento. Il suo precursore, il chimotripsinogeno A bovino su cui è stata fatta tutta la chimica classica e che la scheda qui citata descrive, è una catena di 245 amminoacidi, e i residui che fanno chimica sono TRE: l'istidina 57, l'acido aspartico 102 e la serina 195, cioè la cosiddetta triade catalitica. Tre su 245: l'1,2% della catena (dato di banca dati curata, UniProt P00766). L'aritmetica la fai tu nell'esercizio 14.

(Attenzione al soggetto della frase. Quei 245 amminoacidi sono del chimotripsinogeno, che è il precursore SPENTO: cataliticamente inattivo. La chimotripsina attiva si ottiene asportando due dipeptidi — i residui 14-15 e 147-148 — e risulta formata da tre catene tenute insieme. Il numero resta valido, il soggetto cambia. A che cosa serva questo trucco di tenere l'enzima spento fino al momento giusto lo vediamo nella sezione 11: qui basti sapere che il precursore non è l'enzima.)

Secondo caso, ancora più netto. Il lisozima dell'albume d'uovo di gallina — la prima proteina enzimatica di cui sia mai stata risolta la struttura tridimensionale, nel 1965 — ha 129 amminoacidi nella forma matura e DUE soli residui catalitici, l'acido glutammico 35 e l'acido aspartico 52 (dato di banca dati curata, UniProt P00698).

Non sono due casi scelti apposta. Su un insieme di 648 meccanismi enzimatici curati a mano da esperti, la media è di 5,2 residui catalitici per enzima (misurato, cioè contato sull'insieme dei meccanismi annotati; Ribeiro e colleghi, 2020). Cinque residui su qualche centinaio: la parte che lavora è sempre una minoranza minuscola.

E allora a che cosa serve tutto il resto? A costruire la conca. Senza le altre 242 posizioni della chimotripsina, i residui 57, 102 e 195 non si incontrerebbero mai: nella sequenza sono lontanissimi, ed è solo il ripiegamento a portarli faccia a faccia nella geometria giusta. È il punto in cui questa guida si aggancia a quella sulla sintesi proteica: la struttura terziaria non è un ornamento decorativo, è ciò che scava la conca. Cambia il ripiegamento e la conca non c'è più, anche se tutti i 245 amminoacidi sono al loro posto nell'ordine giusto.

Dalla serratura al guanto: come è cambiato il modello

Il primo modello ha una data e una pagina. Emil Fischer, «Einfluss der Configuration auf die Wirkung der Enzyme», Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft, volume 27, pagine 2985-2993, anno 1894. Fischer lavorava su zuccheri e sui loro derivati e osservò che enzimi diversi distinguono molecole quasi identiche, differenti solo per come i gruppi sono disposti nello spazio. La sua spiegazione: enzima e substrato devono corrispondersi per forma, come una serratura e la sua chiave. Nell'immagine originale la CHIAVE è il substrato e la SERRATURA è l'enzima — è il contrario di come quasi tutti la ricordano.

Il secondo modello ha anch'esso una data precisa, anzi due. Daniel Koshland lesse il suo lavoro all'Accademia Nazionale delle Scienze il 19 novembre 1957 e lo pubblicò nel febbraio 1958 su PNAS, volume 44, pagine 98-104. Si chiama adattamento indotto, e i suoi tre postulati originali sono questi: (a) la catalisi richiede un orientamento preciso dei gruppi catalitici; (b) il substrato può causare un cambiamento apprezzabile nella disposizione tridimensionale degli amminoacidi del sito attivo; (c) i cambiamenti indotti da un vero substrato portano i gruppi catalitici nell'orientamento corretto, mentre quelli indotti da una molecola che substrato non è, no.

Qui viene la parte che i manuali saltano quasi sempre, e che è la più istruttiva: Koshland non propose il modello nuovo per gusto, ma perché aveva in mano due risultati che la serratura rigida non spiegava.

Primo. La 5'-nucleotidasi idrolizza il ribosio-5-fosfato cento volte più lentamente dell'acido adenilico, e lo fa anche a saturazione dell'enzima, cioè quando tutti i siti attivi sono già occupati. Se la specificità fosse solo questione di incastro, a saturazione la differenza dovrebbe sparire.

Secondo. L'alfa-metil-glucoside, che è più piccolo del maltosio, si lega all'amilomaltasi come inibitore competitivo ma non viene idrolizzato. Cioè: entra e non viene lavorato. Con una serratura rigida, se la chiave entra, gira.

Da qui l'immagine che oggi si preferisce: non la chiave e la serratura, ma la mano e il guanto. Il guanto vuoto non ha la forma della mano: la prende quando la mano entra. E un oggetto che nel guanto ci sta ma non è una mano non lo modella nel modo giusto.

E adesso gli errori

Cinque, e tre di questi sono documentati in sede d'esame.

(1) «Il sito attivo sta sul substrato.» È una delle 19 misconcezioni misurate dall'inventario sulle interazioni enzima-substrato, e il rapporto sull'esame AQA A-level Biology 7402/1 di giugno 2022 registra candidati che avevano già preso il punto sul complesso enzima-substrato e poi lo perdevano descrivendo il substrato come il posto in cui si trova il sito attivo. Il rimedio, proposto non dagli autori dell'inventario ma da chi lo ha usato in aula (Terrell e Kersten, 2021), è materiale e non verbale: far tenere in mano allo studente prima un modello di substrato, poi uno di enzima, e chiedergli ogni volta di indicare il sito attivo.

(2) «Tutte le proteine sono enzimi e hanno un sito attivo.» Il rapporto sull'esame AQA A-level Biology 7402/3 di giugno 2018 lo registra su un quesito in cui il testo diceva a chiare lettere che la molecola in questione era un ormone: il 32% dei candidati non prese alcun punto. Un ormone ha un sito di legame, non un sito attivo: non ha substrato e non catalizza nulla. (Nota sul grado di prova: questo rapporto lo abbiamo letto su una copia ospitata da terzi e non sull'archivio ufficiale dell'ente d'esame, e lo dichiariamo.)

(3) «Il substrato ha la stessa forma del sito attivo.» No: complementare, non uguale. Sono la mano e il guanto, non due mani.

(4) «Un enzima per ogni reazione, sempre.» La specificità assoluta è un'idealizzazione. Molti enzimi catalizzano anche reazioni o substrati diversi da quelli per cui si sono evoluti, e queste attività promiscue sono considerate i punti di partenza dell'evoluzione di funzioni nuove.

(5) La data. Il manuale adottato da molte scuole italiane data la chiave-serratura al 1890; la citazione bibliografica dice 1894. Diamo la citazione completa accanto alla data proprio per questo: senza, lo studente conclude che a sbagliare siamo noi. E osserviamo che lo stesso manuale, nello stesso capitolo, dà Maud Menten nata nel 1897, mentre la data corretta è il 20 marzo 1879. Due errori nello stesso capitolo non sono un pettegolezzo: sono un argomento a favore dell'abitudine di controllare le date alla fonte.

Esercizio 13 — Indica il sito attivo

Testo. Ti vengono dati due disegni: una molecola piccola e una proteina globulare. Su quale dei due indichi il sito attivo? E dove indicheresti il sito di legame di un ormone?

La mossa che sblocca. Chiediti chi lavora e chi viene lavorato. Il sito attivo è l'attrezzo, non il pezzo: sta sempre sull'enzima. E un attrezzo che non trasforma nulla non è un sito attivo, è solo una presa: il recettore dell'ormone ha un sito di legame, e l'ormone stesso non ha né l'uno né l'altro.

Errore tipico. Chiamare «chiave» l'enzima. Nell'immagine originale la chiave è il SUBSTRATO e la serratura è l'enzima: scambiarli è una delle 19 misconcezioni misurate.

Esercizio 14 — Tre residui su duecentoquarantacinque

Testo. Calcola che percentuale della catena fanno i residui catalitici della chimotripsina e quelli del lisozima di gallina, e scrivi in una riga che cosa fanno tutti gli altri.

La mossa che sblocca. Fai le due divisioni, 3 diviso 245 e 2 diviso 129, e trasformale in percentuale. Poi rispondi alla domanda vera, che non è aritmetica: gli altri costruiscono la forma, cioè scavano la conca e ci portano dentro quei due o tre residui nella geometria giusta.

Errore tipico. Concludere che il resto della proteina «non serve». Senza il resto non c'è la conca, e senza la conca i tre residui non si incontrerebbero mai: nella sequenza sono lontanissimi.

Esercizio 15 — Che cosa la chiave-serratura non spiega

Testo. Koshland aveva due risultati che il modello rigido non spiegava. Prendi il primo — un substrato idrolizzato cento volte più lentamente di un altro anche quando l'enzima è saturo — e spiega perché il modello rigido non regge.

La mossa che sblocca. A saturazione tutti i siti attivi sono occupati, quindi la facilità con cui il substrato entra non può più fare differenza sulla velocità: la differenza deve nascere DOPO il legame, in ciò che il legame provoca nella forma dell'enzima.

Errore tipico. Rispondere «perché il secondo substrato entra peggio». A saturazione è già entrato: la domanda non è come entra, ma che cosa succede una volta dentro.

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I mestieri della catalisi, e gli aiutanti dell'enzima

Livello: triennio; il primo paragrafo e l'ultimo si capiscono anche al primo incontro.

Mentre leggi questa riga, nel tuo intestino tenue una molecola di chimotripsina sta tagliando una proteina del pranzo. Non la spinge, non la scalda, non le presta energia. Compie un gesto chimico preciso, e lo ripete. La sezione 3 ha detto che l'enzima abbassa la barriera; la sezione 5 ha detto dove lo fa. Qui si dice con quale gesto, e sono cinque gesti, non uno.

1. Prossimità e orientamento: tenere ferme le molecole

Due molecole che devono reagire, in una soluzione, si incontrano di rado e quasi sempre nella posizione sbagliata. L'enzima le tiene ferme una accanto all'altra, girate nel verso giusto. Il guadagno non è misterioso: due molecole libere possiedono moti di traslazione e di rotazione che, legandosi all'enzima, perdono. Per una reazione in cui due molecole ne diventano una, in soluzione, la perdita di entropia è dell'ordine di 45 unità entropiche (misurato, stato standard di 1 molare a 25 °C; l'unità entropica è semplicemente l'unità in cui si misura l'entropia, e qui serve solo come termine di paragone). È abbastanza da spiegare da solo accelerazioni enormi, senza tirare in ballo nessun concetto chimico nuovo. Nelle serina-proteasi come la chimotripsina questo gesto si vede: il legame peptidico da tagliare viene posizionato proprio accanto alla serina che dovrà attaccarlo.

2. Catalisi acido-base: strappare e restituire un protone

Un residuo del sito attivo toglie un protone a una molecola, o gliene cede uno. È di gran lunga il mestiere più praticato. Su 648 meccanismi enzimatici curati a mano in una banca dati specializzata, i ruoli di accettore e donatore di protone sono i più frequenti in assoluto, e tre soli amminoacidi — istidina, glutammato e aspartato — rendono conto di oltre il 60% dei trasferimenti protonici (misurato, conteggio sui 648 meccanismi curati). Nello stesso conteggio, cisteina, lisina e serina sono il nucleofilo, cioè chi attacca, nel 78% dei casi, e la media dei residui che lavorano davvero è 5,2 per enzima (misurato).

Esercizio 16 — Perché proprio l'istidina

Testo. Su 648 meccanismi curati, tre amminoacidi fanno oltre il 60% dei trasferimenti di protone. Di' quali sono e spiega perché proprio loro, e non altri.

La mossa che sblocca. Guarda che cosa deve fare il residuo: prendere un protone e ridarlo, molte volte di seguito. Servono catene laterali che, al pH della cellula, possano stare sia con il protone sia senza, passando dall'una all'altra forma senza fatica.

Errore tipico. Rispondere «perché sono i più abbondanti nelle proteine». Non lo sono: sono i più adatti al mestiere.

3. Catalisi covalente: l'enzima si lega davvero, e poi si libera

Qui l'enzima non si limita a ospitare: entra nella reazione. È l'unico punto di questa guida in cui si vede un meccanismo accadere, passo per passo, e il caso è la chimotripsina con la sua triade catalitica (§5).

1) La serina cede il proprio protone all'istidina, che può accoglierlo perché è a sua volta tenuta in posizione dall'aspartato carico negativamente.
2) La serina, ora nucleofila, attacca il carbonio del legame peptidico.
3) Si forma uno stato tetraedrico, cioè un intermedio instabile in cui quel carbonio ha quattro legami.
4) Il legame peptidico si rompe.
5) Il pezzo C-terminale della proteina se ne va; il pezzo N-terminale resta attaccato alla serina. (Una catena di amminoacidi ha due estremità diverse fra loro, e hanno un nome: N-terminale è il capo da cui la catena comincia, C-terminale quello dove finisce. Il taglio la divide in due, e i due pezzi fanno due fini diverse: uno se ne va subito, l'altro resta in mano all'enzima.)
6) Entra una molecola d'acqua, che è il secondo substrato: cede il protone all'istidina e il proprio ossidrile al peptide.
7) Il pezzo rimasto si stacca e l'enzima è di nuovo identico a com'era.

Esercizio 17 — Segui la chimotripsina

Testo. Ricostruisci nell'ordine i sette passaggi del ciclo della chimotripsina e indica in quale passaggio l'enzima è legato covalentemente al substrato.

La mossa che sblocca. Il punto da non perdere è che dopo la rottura del legame peptidico metà del substrato se ne è già andata e l'altra metà è ancora attaccata all'enzima. È lì che serve il secondo substrato: l'acqua.

Errore tipico. Credere che l'enzima resti «sporco». Torna identico: l'acqua è il secondo substrato proprio perché stacca il pezzo rimasto e rimette a posto la serina.

4. Ioni metallici: uno ione prestato al sito attivo

Nell'anidrasi carbonica 2 umana lo zinco sta in fondo a una fessura profonda 15 ångström — un ångström è un decimilionesimo di millimetro — ed è tenuto da tre istidine, in posizione 94, 96 e 119, più una molecola d'acqua (valori di banca dati curata, proteina umana). Non è lo zinco ad attaccare l'anidride carbonica: è l'idrossido legato allo zinco. Il protone che avanza viaggia poi lungo una fila ordinata di quattro molecole d'acqua fino all'istidina 64, che fa da navetta e lo porta fuori.

Esiste una variante che aggancia direttamente la guida sul DNA: il meccanismo generale a due ioni metallici bivalenti, distanti 3,9 ångström, proposto per le reazioni in cui si trasferisce un gruppo fosforico. L'esempio con cui gli autori lo illustrano non è la polimerizzazione, ma l'esonucleasi 3'-5' della DNA polimerasi I, cioè la parte che corregge gli errori.

5. Stabilizzare lo stato di transizione: il gesto che tiene insieme gli altri quattro

Un enzima non lega bene il substrato di partenza: lega benissimo la forma intermedia, tesa e deformata, che il substrato assume a metà strada. Tirandola a sé, abbassa il punto più alto del percorso. Lo si misura costruendo una molecola che assomiglia a quella forma intermedia: una nucleosidasi batterica trattiene un inibitore fatto così ventiduemila volte più saldamente del proprio substrato naturale (misurato; le due costanti stanno in §10, dopo che le concentrazioni saranno state sciolte).

Gli aiutanti: apoenzima, oloenzima, cofattore, cosubstrato

Molti enzimi non lavorano da soli. La sola parte proteica si chiama apoenzima ed è inattiva; l'insieme funzionante si chiama oloenzima. La distinzione che conta davvero sta in una riga del documento di nomenclatura ufficiale del 2023: il cofattore, alla fine del ciclo, è tornato com'era, e per questo NON compare nell'equazione della reazione; il cosubstrato viene consumato e trasformato, e quindi compare.

La controprova si legge nelle equazioni ufficiali. L'alcol deidrogenasi è scritta «un alcol primario + NAD+ = un'aldeide + NADH + H+», dove NAD sta per nicotinammide adenina dinucleotide — il trasportatore di idrogeno che le deidrogenasi caricano e scaricano — e NADH è la sua forma ridotta, cioè quella che l'idrogeno l'ha già preso. Il NAD+ sta dentro l'equazione: è un cosubstrato, per quanto tutti i libri lo chiamino coenzima.

Molti di questi aiutanti li mangi. Le vitamine del gruppo B non fanno niente da sole: diventano cofattori e cosubstrati. La B1 diventa tiamina pirofosfato e serve alle decarbossilazioni, cioè alle reazioni che tolgono anidride carbonica a una molecola; la sua carenza si chiama beriberi, e il valore giornaliero raccomandato per l'adulto è 1,2 milligrammi per gli uomini e 1,1 per le donne (valori del rapporto Institute of Medicine 1998). La B3 diventa NAD e NADP, i trasportatori di ione idruro di tutte le deidrogenasi; la sua carenza si chiama pellagra, e il valore raccomandato è 16 milligrammi di equivalenti di niacina per gli uomini e 14 per le donne (rapporto Institute of Medicine 1998).


Da qui in avanti è materiale da quinto anno: i casi verificati residuo per residuo. La piruvato carbossilasi umana porta la biotina attaccata alla lisina 1144 di una catena di 1.178 amminoacidi. La catalasi umana ha due cofattori insieme, l'eme che contiene il ferro e il NADP+, e sta nella matrice del perossisoma. L'alcol deidrogenasi 1B umana lega due ioni zinco per subunità: uno catalitico, tenuto da Cys47, His68 e Cys175, e uno soltanto strutturale, chiuso da quattro cisteine. E l'alfa-amilasi pancreatica umana ha bisogno di calcio e di ione cloruro: un anione, non un metallo.

Esercizio 18 — Cofattore o cosubstrato?

Testo. Davanti a quattro equazioni ufficiali di reazione, decidi per ciascuna se la molecola aiutante è un cofattore o un cosubstrato, motivando con un solo criterio.

La mossa che sblocca. Cerca l'aiutante dentro l'equazione. Se compare fra reagenti e prodotti, viene consumato e trasformato: è un cosubstrato. Se non compare, alla fine del ciclo è tornato com'era: è un cofattore.

Errore tipico. Classificare in base al nome. Il NAD+ si chiama «coenzima» in tutti i libri e sta dentro l'equazione: per la nomenclatura ufficiale è un cosubstrato.

Esercizio 19 — Due zinchi, un solo lavoro

Testo. L'alcol deidrogenasi 1B umana lega due ioni zinco per subunità, ma solo uno è catalitico. Come si riconosce quale, e che cosa fa l'altro?

La mossa che sblocca. Guarda chi lo tiene. Lo zinco catalitico è coordinato da residui che lasciano libera una posizione per l'acqua o per il substrato; quello strutturale è chiuso da quattro cisteine e tiene ferma la forma.

Errore tipico. Dedurre dal fatto che una banca dati annota un solo residuo come «sito attivo» che gli altri non contino. Nell'anidrasi carbonica le tre istidine che tengono lo zinco non sono annotate come sito attivo, e senza di loro l'enzima non fa nulla.

Quattro automatismi e un vocabolario

1. «L'enzima abbassa l'energia di attivazione» non è una spiegazione. È la descrizione del risultato. Ogni volta che un manuale si ferma lì, allo studente resta l'immagine dell'enzima che spinge le molecole, ed è da quell'immagine che nasce «l'enzima fornisce energia». Il modo per non farla nascere è dire quale gesto compie il residuo: strappa un protone, tiene ferma una molecola, si lega e si stacca, presta uno ione metallico.

2. La buca dell'ossianione non si forma all'arrivo del substrato. Nella beta-lattamasi CTX-M-15 quella cavità, che stabilizza la carica negativa dell'intermedio, è fatta dai gruppi amidici dello scheletro di due serine ed è già lì, pronta, prima che il substrato arrivi.

3. Coenzima, cofattore e gruppo prostetico non sono sinonimi. Il comitato di nomenclatura ufficiale dichiara «gruppo prostetico» non accettabile: la sezione del documento si intitola letteralmente così, e la ragione è che nessuno ha mai definito quanto stretto debba essere il legame, e che lo stesso cofattore si lega in modi diversi a enzimi diversi. La stessa fonte sconsiglia con forza «coenzima» e raccomanda la coppia cofattore/cosubstrato, salvo i nomi consolidati coenzima A, B, M e F420. Detto questo, siamo leali: il tuo libro userà entrambe le parole e la verifica te le chiederà. Impara la coppia ufficiale, e sappi che «coenzima» sul manuale copre sia i cofattori sia i cosubstrati.

4. «Il NAD+ è un coenzima, quindi non si consuma». Si consuma eccome, e infatti sta dentro l'equazione. Quello che non si consuma è il ferro dell'eme della catalasi: finito il ciclo, è tornato com'era.

5. Non ogni metallo dentro una proteina partecipa alla reazione. Lo stesso enzima può averne uno catalitico e uno solo strutturale. E attenzione a una trappola di banca dati: «residuo annotato come sito attivo» e «residui senza i quali l'enzima non fa nulla» sono due cose diverse. Nell'anidrasi carbonica 2 umana il primo è uno solo su 260 amminoacidi, l'istidina 64 che fa da navetta; le tre istidine che tengono lo zinco non sono annotate come sito attivo e sono indispensabili. Chi legge la banca dati senza saperlo conclude che l'enzima lavora con un residuo solo.

Restano fuori di qui, per scelta: la RuBisCO che va accesa e il piridossal-fosfato della glicogeno fosforilasi, che stanno in §11, e i numeri dell'inibitore che imita lo stato di transizione, che stanno in §10 insieme alle concentrazioni sciolte in §9.

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Come lo abbiamo capito, e come si chiamano: storia, ribozimi, numeri EC

Livello: la prima metà, quella storica e quella sui ribozimi, si legge al primo incontro; la seconda metà, quella sui numeri EC, è da triennio.

Questa sezione chiude due domande insieme. La prima è «come si è arrivati a sapere tutto questo?». La seconda arriva dopo, e ha senso solo adesso che la parola «enzima» significa qualcosa: «come si legge il nome ufficiale di un enzima?».

La catena degli esperimenti, non la fila dei nomi

1833. Anselme Payen e Jean-François Persoz estraggono dall'orzo germinato una sostanza che chiamano «diastasi», dal greco «separazione», perché stacca l'involucro del granulo di amido dalla sostanza interna. Nel loro lavoro ci sono già due scoperte che nessuno dei due chiama così. La prima è l'amplificazione: una parte in peso di diastasi basta a rendere solubile la sostanza interna di duemila parti di fecola secca, e raddoppiando la dose la dissoluzione avviene in dieci minuti (misurato dagli autori, 1833). La seconda è la termolabilità: la sostanza lavora fra 65 e 75 gradi, ma se si porta la soluzione all'ebollizione perde la facoltà di agire su amido e destrina (misurato dagli autori). Loro stessi però scrivono che il preparato «contiene tanto meno azoto quanto più si avvicina allo stato di purezza»: avevano un estratto arricchito, non un enzima puro, e lo dichiarano.

1876-1877. Il fisiologo Wilhelm Kühne conia la parola «enzima» in due comunicazioni lette alla società di storia naturale e medicina di Heidelberg il 4 febbraio e il 6 marzo 1876, stampate poi nel volume datato 1877. Le due date vanno date entrambe, perché non sono un errore delle fonti: una è la lettura, l'altra la stampa. La parola viene dal greco énzymos, «nel lievito», e serviva a indicare i fermenti che agiscono anche fuori dalla cellula.

1897. Eduard Buchner macina il lievito con sabbia di quarzo e farina fossile, avvolge la pasta in una tela e la spreme in una pressa idraulica fino a 90 chilogrammi per centimetro quadrato: da mille grammi di lievito ottiene cinquecento centimetri cubi di succo, e quel succo fermenta lo zucchero senza una sola cellula viva (misurato, riferito dall'autore nel discorso Nobel del 1907). La parte che i libri saltano sono i controlli, ed è la parte che rende quello un esperimento: il succo filtrato su candela di porcellana resta attivo; il toluene, che blocca il lievito vivo, non blocca il succo; il succo essiccato sotto vuoto e ridotto in polvere resta attivo. Nobel per la chimica 1907.

1926. James Sumner cristallizza l'ureasi dal fagiolo di Giava. Ci vogliono vent'anni perché il mondo scientifico gli creda, e la svolta non è un'argomentazione: è la cristallizzazione della pepsina fatta da Northrop nel 1930, e poi quella della tripsina e della chimotripsina. Nobel per la chimica 1946, metà a Sumner. Fra il preparato di Payen e Persoz e il primo enzima puro e cristallino passano 93 anni.

Il rovesciamento: non tutti gli enzimi sono proteine

1982. Nel laboratorio di Thomas Cech si osserva che l'introne dell'RNA ribosomiale di Tetrahymena, lungo 413 paia di basi (misurato), si autoescinde in assenza di qualsiasi proteina. È lì, e in quell'anno, che nasce la parola «ribozima».

1983. Il gruppo di Sidney Altman mostra che la componente a RNA della ribonucleasi P taglia da sola i precursori del tRNA, mentre la componente proteica da sola non ha alcuna attività catalitica.

1989. Nobel per la chimica ad Altman e Cech, metà ciascuno, «per la loro scoperta delle proprietà catalitiche dell'RNA».

2000. Dalla struttura atomica della subunità grande del ribosoma risulta che non c'è alcun atomo di catena laterale proteica a meno di circa 18 ångström dal legame peptidico che si sta formando (misurato): i substrati sono contattati soltanto da residui dell'RNA ribosomiale. Il ribosoma è un ribozima, cioè la macchina che fabbrica tutte le proteine non è, nel suo cuore, una proteina. Nobel per la chimica 2009 a Ramakrishnan, Steitz e Yonath, un terzo ciascuno. Come funzioni il ribosoma è materia della guida sulla sintesi proteica di questo sito, e non si rifà qui.

Come si legge un nome ufficiale (da triennio)

Accanto al nome di un enzima si trova un codice di quattro numeri separati da punti e preceduto dalla sigla EC, che sta per «Enzyme Commission», la commissione che li assegna. Le quattro cifre restringono da sinistra a destra: la prima è la classe, la seconda la sottoclasse, la terza la sotto-sottoclasse, la quarta è il numero seriale dentro quel gruppo.

Un codice letto per intero. L'ATP sintasi è EC 7.1.2.2: classe 7, cioè translocasi, gli enzimi che spostano qualcosa attraverso una membrana; sottoclasse 1, sposta idrogenioni, cioè protoni; sotto-sottoclasse 2, la traslocazione è accoppiata all'idrolisi di un nucleoside trifosfato; seriale 2. La scheda ufficiale annota anche «Formerly EC 3.6.1.34 and EC 3.6.3.14»: questo enzima ha cambiato classe due volte, e il codice vecchio resta scritto accanto al nuovo.

Un esempio per ciascuna delle sette classi, tutti fra enzimi già nominati su questo sito.


Resta una distinzione che cambia il senso di ogni conteggio: un numero EC è una REAZIONE, non una molecola. Gli enzimi che catalizzano la stessa reazione in un batterio, in una pianta e in un animale ricevono un solo codice, anche se le loro sequenze sono diverse. Per questo «quanti enzimi esistono» e «quanti numeri EC esistono» sono due domande diverse.

Che cosa sbagliano le frasi correnti

«Tutti gli enzimi sono proteine.» È la frase pronunciata nel 1946 proprio da Sumner, quello che aveva cristallizzato il primo enzima: «tutti gli enzimi sono proteine, ma non tutte le proteine sono enzimi». Trentasei anni dopo era smentita. È il miglior argomento contro l'idea che la scienza sia un elenco di frasi da imparare: lo stesso uomo aveva ragione contro tutti nel 1926 e torto nel 1946. Serve però lealtà anche nell'altra direzione, e i divulgatori la omettono: Cech stesso riconosce che l'RNA autosplicing del 1982 non si ritrova alla fine nella stessa forma in cui è entrato, quindi non è un catalizzatore in senso stretto (si veda la definizione data in §3); la prova piena venne nel 1986, con l'RNA accorciato di 19 nucleotidi. Il lavoro di Altman, invece, forniva subito un enzima a RNA a turnover multiplo, con cinetica di Michaelis-Menten regolare.

«Pasteur aveva torto.» No. È Buchner stesso, nel discorso Nobel del 1907, a scrivere che né i fisiologi né i chimici possono essere considerati vincitori della disputa, e che nessuno alla fine è il perdente.

«Payen e Persoz isolarono il primo enzima.» Isolarono il primo preparato attivo. Fra quel lavoro e il primo enzima puro e cristallino passano 93 anni.

«I nomi degli enzimi finiscono tutti in -asi.» Le regole ufficiali mantengono espressamente i nomi storici in -ina di tripsina, pepsina e chimotripsina, che hanno comunque un numero EC regolare: tripsina EC 3.4.21.4, chimotripsina EC 3.4.21.1, pepsina EC 3.4.23.1. E RuBisCO, l'altro caso annunciato in §1, non è un nome ma una sigla: sta per ribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi/ossigenasi, e il nome per esteso in -asi finisce eccome — è la sigla ad averlo nascosto. La riga sull'-asi sta in §1.

«Le classi sono sei.» Sono sette dall'agosto 2018, quando è stata istituita la classe delle translocasi dopo 57 anni di sei classi. Da segnalare che la pagina «Rules» della stessa fonte ufficiale, che riproduce il testo del 1992, parla ancora di sei divisioni: la divergenza è interna alla stessa fonte, e vale l'elenco aggiornato, non il testo vecchio non riscritto.

«Gli enzimi noti sono fra 10.000 e 20.000.» È una stima editoriale di un manuale italiano del 2015, cioè un valore convenzionale da manuale. Il file ufficiale della nomenclatura, nella release del 10 giugno 2026, contiene 8.456 voci in tutto, di cui 6.965 valide (conteggio nostro, fatto riga per riga sul file). I due numeri non sono confrontabili, perché sono due grandezze diverse: proteine da un lato, reazioni dall'altro.

Sorpresa finale, per chi ha letto la guida sul DNA di questo sito: l'elicasi non è un'idrolasi. È EC 5.6.2.3 ed EC 5.6.2.4, cioè un'isomerasi che altera la conformazione degli acidi nucleici. E la topoisomerasi è EC 5.6.2.1, con l'annotazione «già EC 5.99.1.2».

Esercizio 20 — Che cosa dimostrava davvero il succo di lievito

Testo. Scrivi che cosa l'esperimento del 1897 dimostrava e che cosa NON dimostrava, poi elenca due dei controlli che lo rendono un esperimento e non una dimostrazione.

La mossa che sblocca. Separa la domanda «serve la cellula viva?» dalla domanda «che cos'è chimicamente l'agente?». La prima è chiusa dall'esperimento, la seconda no: lo dice l'autore stesso dieci anni dopo, quando scrive che di tutti gli enzimi si sa solo come agiscono e che nessuno è mai stato preparato.

Errore tipico. Concludere «quindi Pasteur aveva torto». Chi ha chiuso la disputa scrive esplicitamente che non ci sono né vincitori né vinti: i microrganismi causano la fermentazione, e il processo è chimico.

Esercizio 21 — Leggi un numero EC

Testo. Smonta EC 3.2.1.108, il codice della lattasi, nelle sue quattro parti, dicendo che cosa significa ciascuna. Poi spiega perché lo stesso numero vale per la lattasi di un batterio e per quella del tuo intestino.

La mossa che sblocca. Vai da sinistra a destra restringendo: classe, sottoclasse, sotto-sottoclasse, seriale. E ricorda che il codice descrive la REAZIONE, non la molecola che la esegue.

Errore tipico. Concludere che esistono 6.965 enzimi al mondo. Esistono 6.965 numeri EC validi, e migliaia di proteine diverse possono condividere lo stesso numero.

Esercizio 22 — Il primo ribozima non era un catalizzatore

Testo. Spiega perché l'RNA autosplicing del 1982 non soddisfa la definizione di catalizzatore, e di' quale delle due scoperte del biennio 1982-83 ne fornisce invece uno pieno.

La mossa che sblocca. Torna alla definizione di §3: la seconda metà chiede che l'agente si ritrovi intatto alla fine e possa ricominciare. Applicala ai due casi, uno per volta.

Errore tipico. Dare per scontato che «Nobel per l'RNA catalitico» significhi che i due lavori dimostravano la stessa cosa. Uno dei due dava subito turnover multiplo, l'altro no: per quello la prova piena arrivò nel 1986.

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Temperatura e pH: la campana che i libri disegnano male

Livello: primo incontro; la parte sulla febbre e sugli estremofili serve anche al quinto anno.

Una provetta a 95 gradi, e l'enzima dentro continua a lavorare

La macchina che moltiplica il DNA in laboratorio, la PCR, scalda la provetta a circa 95 gradi a ogni ciclo, decine di volte di seguito. L'enzima che copia il DNA sta dentro quella provetta e continua a lavorare, perché viene da un batterio delle sorgenti termali dello Yellowstone, Thermus aquaticus: la sua DNA polimerasi fu purificata nel 1976, nove anni prima che la PCR fosse pubblicata e dodici prima che la PCR cominciasse a servirsi proprio di lei, con ottimo di temperatura 80 gradi e pH ottimale 8,0 (misurato, Chien e collaboratori 1976).

Non è indistruttibile: la sua emivita, cioè il tempo in cui perde metà dell'attività, è di 9 minuti a 97,5 gradi (misurato). La cifra di 45-50 minuti a 95 gradi, molto citata, non l'abbiamo verificata alla fonte e resta fuori: è nella lista di esclusione della §14.

Perché scaldare accelera lo abbiamo già visto in §2 e §3: l'energia per scavalcare la barriera viene dagli urti casuali, e alzare la temperatura aumenta la frazione di urti abbastanza energetici. Solo che a un certo punto l'enzima smette di funzionare, e conviene dire con precisione che cosa gli succede.

Che cosa vuol dire, esattamente, «denaturare»

Nella denaturazione si rompono le interazioni NON covalenti che tengono ripiegata la catena: legami idrogeno, attrazioni fra cariche, contatti fra parti che l'acqua respinge. La catena polipeptidica resta intera. Detto nel modo più utile per la verifica: la struttura primaria della proteina denaturata è identica a quella nativa, a saltare è la terziaria. Il gomitolo si apre, e la conca del sito attivo — quella descritta in §5, fatta di pezzi di catena lontani nella sequenza e avvicinati dal ripiegamento — smette di esistere come forma.

A volte il processo è reversibile, a volte no, e ciò che lo rende irreversibile è l'aggregazione: le proteine aperte si attaccano fra loro e non tornano più indietro. Il caso irreversibile canonico è l'albume dell'uovo cotto; quello reversibile è la ribonucleasi di Anfinsen, che denaturata e ridotta perde tutta l'attività e, tolti i denaturanti, si riossida da sola e la recupera piena (Nobel per la chimica 1972). E lo stesso enzima può fare l'una o l'altra cosa secondo le condizioni: il lisozima si ripiega di nuovo sopra il 60% di acqua in peso e non lo fa sotto il 37% (misurato).

Il pH: due residui che devono avere il protone giusto

La velocità di un enzima dipende dal pH perché dipende dallo stato di ionizzazione di residui precisi del sito attivo: quel gruppo deve avere il protone, o deve averlo ceduto, secondo il mestiere che fa nella catalisi (§6). Se il pH è troppo basso il gruppo che deve strappare un protone lo tiene già; se è troppo alto, quello che deve cederlo l'ha già ceduto. Per questo la curva ha una campana con due punti di piega. Nella proteasi principale del virus della COVID-19 i due punti di piega sono stati attribuiti ai due residui catalitici, con massimo a pH 8,0 (misurato).

Attenzione alle etichette anche qui. Pepsina al meglio intorno a pH 1,5-2 e amilasi salivare fra 6,7 e 7,0 sono valori convenzionali da manuale, non misure che abbiamo aperto. Un valore misurato è invece l'attività massima a pH 8,5 delle tripsine di due specie di storione: è pesce, e va detto che è pesce.

La «temperatura ottimale» non è una proprietà dell'enzima

Qui il manuale ha un buco, e senza numeri lo studente non ci crede. Sullo stesso enzima, con lo stesso substrato e lo stesso tampone, l'ottimo misurato è 42 gradi se il saggio dura 20 minuti e 37 gradi se ne dura 60; a 120 minuti l'attività a 42 gradi è scesa al 50% (tutti misurati, su una beta-glucosidasi di insetto). Diluendo l'enzima, l'ottimo apparente si abbassa ancora. Cambia il cronometro, cambia il numero stampato sul libro.

Il motivo è che nella provetta corrono due processi insieme: il calore accelera la catalisi, e vicino alla temperatura di fusione la denaturazione consuma enzima attivo mentre il saggio procede. Il vincitore dipende da quanto si lascia correre la gara.

La prova che la campana non è una proprietà universale sta nello stesso lavoro: con una beta-glucosidasi termostabile, nello stesso intervallo di temperatura, la campana non c'è affatto — c'è una retta che sale (misurato). Il parametro intrinseco proposto in sostituzione si chiama Teq, cioè la temperatura alla quale la forma attiva e quella inattiva sono in pari. Non è una questione accademica: il parametro «temperatura ottimale» compare in oltre 1.700 articoli in cinque anni (conteggio degli autori, non rifatto da noi: di seconda mano). Per l'effetto della temperatura sui parametri cinetici si veda §9; per la parola «attività», §4.

Cento gradi, e l'acido che resta fuori dalla cellula

L'alfa-amilasi extracellulare di Pyrococcus furiosus è massimamente attiva a 100 gradi (misurato). Picrophilus torridus cresce a pH intorno a 0, ma il suo pH interno è 4,6 (misurato): gli enzimi che vedono l'acido pieno sono soltanto quelli esportati. E non esiste un meccanismo unico della termostabilità: gli omologhi ipertermofili e mesofili hanno sequenze simili dal 40 all'85%, strutture sovrapponibili e gli stessi meccanismi catalitici (di seconda mano, da una rassegna che riassume misure altrui).

Che cosa sbagliano le frasi da manuale

(1) «Ogni enzima ha la sua temperatura ottimale, fissa». È un'idealizzazione: l'ottimo è una grandezza che dipende da come si fa il saggio, come mostrano i 42 gradi che diventano 37 cambiando solo la durata.

(2) «La campana è una proprietà universale degli enzimi». Con un enzima termostabile, nello stesso intervallo, non c'è nessuna campana.

(3) «Gli enzimi si denaturano anche al freddo». Il rapporto ufficiale degli esaminatori Cambridge IGCSE Biology 0610 di giugno 2024 lo segnala due volte e precisa che solo l'aumento di temperatura provoca denaturazione; al freddo cala la frequenza degli urti. Dato controintuitivo ma verificato: per la maggior parte delle proteine la stabilità termodinamica a 4 gradi è più bassa che a temperatura ambiente, e il ghiaccio serve a rallentare la degradazione, non perché l'enzima sia «più stabile».

(4) «L'enzima muore». Non è vivo: si denatura. Lo stesso rapporto Cambridge registra candidati che hanno scambiato il lievito per un enzima; e in un laboratorio universitario statunitense la domanda «perché è scorretto dire che l'enzima è stato ucciso a 70 gradi?» è messa per iscritto nella scheda.

(5) «È denaturato» usato come spiegazione. Non è una spiegazione. Va detto che cosa cambia nella struttura terziaria, che cosa succede alla forma del sito attivo e perché questo impedisce la catalisi.

(6) Sopra tutte: «con la febbre a 40 gradi gli enzimi si denaturano». Non regge. Sui dati depositati del Meltome Atlas abbiamo calcolato noi che, su 5.666 proteine umane con punto di fusione stimato, la mediana è 52,56 gradi, l'1,66% sta sotto i 45, lo 0,32% sotto i 43 e una sola sotto i 42 (calcoli nostri sui dati depositati; i metodi dell'articolo non sono stati aperti e non si può escludere che le proteine meno stabili cadano fuori dall'intervallo saggiato). Nello stesso lavoro i mitocondri umani respirano quasi normalmente a 46 gradi. Che cosa succede davvero con la febbre: il costo metabolico sale del 10-12,5% per ogni grado (valore convenzionale da manuale clinico) e la risposta da shock termico si accende in modo proporzionale, circa mezza volta in più per ogni grado sopra i 37, con un salto di 2,4 volte fra 41 e 42 gradi (misurato su cellule umane in coltura). In TESSUTO, poi, le temperature di inizio denaturazione sono più basse che in provetta: circa 38 gradi nel fegato e 39 nel muscolo bianco — di RATTO, e la stessa fonte mostra che la soglia scala con la temperatura corporea della specie (coniglio 39,4; ratto 38,2). Servono a dire che il tessuto non è la provetta, non che il fegato umano si denatura con la febbre. Che il tetto della febbre a 41-42 gradi sia un meccanismo di regolazione — proprietà dei neuroni termoregolatori, antipiretici prodotti dal corpo, recettori solubili — e non un limite chimico raggiunto è una nostra inferenza da questi dati: dell'articolo che elenca quei tre meccanismi abbiamo letto solo l'abstract. E l'onestà necessaria, che scriviamo per intero: fra le fonti aperte non abbiamo trovato nessun enzima umano documentato che perda attività in modo significativo fra 38 e 41 gradi.

Esercizio 23 — Catalasi: fegato, patata e il controllo che conta

Testo. Metti a confronto fegato, patata e sedano in acqua ossigenata, cronometrando quanto ci mette a riaccendersi uno stecchino con la brace tenuto all'imboccatura. Poi ripeti tutto con i pezzi bolliti cinque minuti. Che cosa dimostra il secondo giro che il primo non dimostra?

La mossa che sblocca. Il primo giro mostra che qualcosa accelera la reazione; il secondo mostra che quel qualcosa è termolabile, cioè un enzima e non un catalizzatore inorganico. Senza il pezzo bollito hai fatto una dimostrazione, non un esperimento. I protocolli aperti su cui questa scheda si basa sono britannici: in Italia non esiste una prassi codificata e accessibile, e lo diciamo. Bande di pericolo dell'acqua ossigenata, dalla scheda di sicurezza scolastica britannica (valori convenzionali da manuale): sotto il 5% in peso su volume non è classificata pericolosa, fra 5 e 8% è irritante, oltre l'8% corrosiva.

Errore tipico. Usare la bottiglia di acqua ossigenata aperta da mesi. Si decompone da sola, e l'esperimento fallisce per un motivo che non c'entra con l'enzima.

Esercizio 24 — Amilasi e iodio: i dati contro la frase

Testo. Nel manuale ufficiale di una prova pratica d'esame britannica i tempi misurati sono: pH 5 uguale 29 secondi, pH 6 uguale 46, pH 7 uguale 160, pH 8 oltre 300. Due righe sotto, lo stesso documento scrive che l'ottimo dell'amilasi è pH 6. Chi ha ragione?

La mossa che sblocca. Non scegliere fra le due righe: chiediti che cosa è ciascuna. Una è una misura fatta in quelle condizioni con quell'amilasi; l'altra è un valore convenzionale. Il documento si smentisce da solo perché non le etichetta.

Errore tipico. Concludere che il documento è sbagliato e buttarlo. Il valore convenzionale non è falso: è rappresentativo. Va detto che è rappresentativo, ed è quello che manca.

Esercizio 25 — Sposta l'ottimo cambiando il cronometro

Testo. Con gli stessi dati della sezione (ottimo 42 gradi a 20 minuti, 37 gradi a 60 minuti, attività dimezzata a 42 gradi dopo 120), spiega in tre righe perché la «temperatura ottimale» non è una proprietà dell'enzima.

La mossa che sblocca. Ragiona su due processi che corrono insieme: la catalisi accelera col calore, e la denaturazione consuma enzima attivo mentre il saggio procede. Il vincitore dipende da quanto lasci correre la gara.

Errore tipico. Rispondere che «l'enzima si è denaturato», e fermarsi lì. La domanda non è se si denatura: è perché il numero stampato sul libro cambia se cambi solo il cronometro.

Esercizio 26 — A 39,5 gradi, che cosa succede davvero?

Testo. Un compagno dice che con la febbre a 39,5 gli enzimi si denaturano. Rispondi con tre fatti e una ammissione di ciò che non sappiamo.

La mossa che sblocca. Usa la mediana del punto di fusione delle proteine umane (52,56 gradi, calcolo nostro sui dati depositati), i mitocondri che respirano quasi normalmente a 46 gradi, e il costo metabolico che sale del 10-12,5% per ogni grado. Poi ammetti che fra le fonti aperte non esiste un enzima umano documentato che perda attività in modo significativo fra 38 e 41 gradi.

Errore tipico. Usare i valori di inizio denaturazione «38 gradi nel fegato» senza dire che sono di ratto e che nella stessa fonte la soglia scala con la temperatura corporea della specie. Detti così, dimostrano l'esatto contrario di quello che si voleva dire.

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Km, Vmax, kcat: la cinetica senza formule magiche

Livello: triennio. Chiude la domanda «con quali numeri si descrive un enzima?». Le tre sigle che spaventano di più non sono magiche: sono misure, ciascuna con le sue condizioni.

Tre righe sulle concentrazioni, prima di cominciare

Da qui in avanti servono a ogni riga. Prima erano comparse due volte sole e di sfuggita, tutte e due con l'inciso che rimandava qui: la M dell'efficienza catalitica in §3 e lo stato standard di 1 molare in §6. Una concentrazione dice quante molecole ci sono in un certo volume: si misura in molarità, simbolo M, cioè moli per litro. Un millimolare, simbolo mM, è un millesimo di molare; un micromolare, simbolo microM, è un milionesimo di molare: un millimolare vale mille micromolari. Mole e molarità si danno per noti dalla chimica del primo biennio, e lo dichiariamo. Regola da tenere per tutta la sezione: quando si parla di Km, numero piccolo vuol dire che all'enzima basta pochissimo substrato per andare a mezza velocità.

Due enzimi, lo stesso zucchero, un numero di differenza

Più di un enzima, nel tuo corpo, attacca un fosfato al glucosio, e non sono intercambiabili. L'esochinasi-1 ha una Km per il glucosio di 44 micromolari: valore misurato su enzima di ratto, con temperatura e pH non dichiarati nella scheda. L'esochinasi-4, detta anche glucochinasi, ha una Km di 6,03 millimolari: valore misurato su enzima umano, a 30 gradi Celsius e pH 7,5. Nella stessa unità, 6,03 millimolari sono 6.030 micromolari, cioè circa 137 volte 44.

In italiano: il primo lavora già quando il glucosio è pochissimo, cioè a digiuno; il secondo entra in azione quando il glucosio abbonda, cioè dopo il pasto. A distinguerli è un numero. Ma quel 137 va citato con cautela, perché attraversa due specie e due condizioni: regge come ordine di grandezza, non come misura appaiata.

Che cosa si misura davvero: la velocità iniziale

Tutto quello che segue vale a una condizione, ed è quella che i libri saltano. Non si misura «la velocità della reazione»: si misura la velocità INIZIALE, cioè la porzione iniziale lineare, quando meno del 10 per cento del substrato è stato consumato. È la definizione operativa del manuale di riferimento sui saggi enzimatici, quindi un valore convenzionale da manuale. Fuori da quella finestra il substrato si esaurisce, il prodotto inibisce, la reazione inversa non è più trascurabile: i numeri che ricavi non sono più Km e Vmax.

I due grafici, e quello che i libri disegnano a metà

Velocità contro concentrazione di ENZIMA: è una retta. Metti il 10 per cento di enzima in più e la reazione va il 10 per cento più veloce; raddoppialo e va il doppio.

Velocità contro concentrazione di SUBSTRATO: è un'iperbole. All'inizio la velocità cresce molto, poi sempre meno, finché aggiungere substrato non cambia quasi nulla. La velocità massima, Vmax, è un limite teorico: la curva ci si avvicina e non lo tocca.

Nei saggi il rapporto fra substrato ed enzima è enorme: tipicamente maggiore di 100, e può avvicinarsi al milione. Valori convenzionali da manuale, dalla stessa fonte che definisce la velocità iniziale.

Km e Vmax, con l'esempio svolto davanti

L'equazione, in italiano prima che in simboli: la velocità iniziale è la velocità massima moltiplicata per la concentrazione di substrato e divisa per la somma fra Km e quella concentrazione.

 v = Vmax x S / (Km + S)      con S = concentrazione di substrato

Adesso si sostituisce, invece di crederci sulla parola. Km uguale a 100 micromolari. Con substrato a 100 micromolari, 100 diviso 200 fa 1/2: la velocità è esattamente metà della massima, ed è la definizione di Km. Con substrato a 1.000 micromolari, dieci volte la Km, 1.000 diviso 1.100 fa circa 0,91: sei al 91 per cento, non al 100. Con substrato a 10 micromolari, 10 diviso 110 fa circa 0,09.

Nella forma moderna Vmax non è un parametro autonomo: è uguale a kcat moltiplicato per la concentrazione TOTALE di enzima. Quindi Vmax dipende da quanto enzima c'è nella provetta, kcat no. kcat è il numero di reazioni che una singola molecola di enzima completa in un secondo, si misura in secondi alla meno uno, e insieme alle unità dell'attività sta nella sezione 4.

kcat/Km: la costante di specificità, e il muro della diffusione

Il rapporto fra kcat e Km si chiama costante di specificità, nome raccomandato dall'Unione Internazionale di Biochimica nel 1982, e misura la capacità di scegliere fra substrati presenti insieme. Si esprime in molare alla meno uno per secondo alla meno uno: quanti incontri utili al secondo per ogni molare di substrato.

C'è un tetto fisico, e le fonti serie danno due numeri che vanno riportati tutti e due perché misurano cose diverse. Una indica circa 10^9 come limite TEORICO di diffusione. Un'altra distingue circa 10^8 per le collisioni fra proteine e molecole piccole, e 10^8-10^9 come intervallo osservato per le reazioni controllate dalla diffusione. Soglia calcolata la prima, constatazione empirica la seconda.

La trioso-fosfato isomerasi umana ci arriva: kcat/Km di 3,7x10^8, cioè dentro l'intervallo 10^8-10^9 delle reazioni controllate dalla diffusione; la sua Km misurata per la gliceraldeide-3-fosfato è 0,74 millimolari, a pH 7,4 e 25 gradi Celsius. L'enzima medio no: su circa 5.000 reazioni il kcat/Km mediano MISURATO è circa 10^5. Poiché la velocità di collisione è circa 10^8, in media meno di una molecola di substrato su mille che urta l'enzima viene convertita.

La storia, che qui insegna più della formula

L'equazione porta il nome di Leonor Michaelis e Maud Menten, che nel 1913 studiarono l'invertasi. Ma era già stata ricavata da Victor Henri nella tesi del 1903, e per questo uno dei maggiori specialisti la chiama equazione di Henri-Michaelis-Menten. Il contributo vero del 1913 non fu l'equazione: fu il METODO, cioè misurare le velocità iniziali e controllare il pH, due cose che Henri non aveva fatto. E la derivazione che trovi sul libro non è nemmeno la loro: nel 1925 Briggs e Haldane introdussero l'approssimazione dello stato stazionario, che non richiede l'assunzione di equilibrio del 1913. È quella, oggi, che si insegna.

Una tabella di Km, con le condizioni accanto

Ogni riga porta specie, temperatura e pH quando la fonte li dichiara: un parametro cinetico non esiste senza le sue condizioni. Tutti valori misurati, da banca dati curata con evidenza sperimentale.


Per confronto, la Km mediana dell'enzima medio è circa 100 micromolari, misurata sullo stesso insieme di dati citato sopra.

Quattro frasi da manuale, adesso che sappiamo di che cosa parliamo

PRIMA. «La Km esprime l'affinità dell'enzima per il substrato.» È la formulazione del manuale italiano più diffuso: accettabile al biennio, sbagliata al quinto anno, perché la costante di Michaelis non è in generale la costante di dissociazione del complesso enzima-substrato, e uno dei maggiori specialisti osserva che il sottofondo di quel pensiero permea ancora oggi l'interpretazione dei dati. Formulazione sicura per entrambi i lettori: la Km è la concentrazione di substrato alla quale la velocità è metà della massima; SOLO quando la catalisi è lenta rispetto al distacco del substrato la Km misura anche l'affinità. Qui contraddiciamo il manuale adottato, e lo dichiariamo.

SECONDA. «Vmax è una proprietà dell'enzima.» No: Vmax è kcat per la concentrazione totale di enzima, quindi cambia se cambi la quantità di enzima. La proprietà della molecola è kcat.

TERZA. «Per trovare Km e Vmax si fa il grafico dei doppi reciproci.» Il grafico di Lineweaver e Burk è del 1934 ed è l'articolo più citato nella storia della rivista che lo pubblicò. Ma soffre di una pesatura ineguale degli errori: i dati meno accurati, quelli misurati alle concentrazioni più basse, finiscono lontano dall'origine e alterano la pendenza per effetto di leva lunga, portando a sovrastimare kcat e Km. Due fonti autorevoli indipendenti scrivono che oggi non c'è nessuna ragione per usare una trasformazione lineare, e che i dati vanno adattati con regressione non lineare. Va imparato lo stesso: ma per capire, non per stimare.

QUARTA. «Michaelis e Menten diagrammarono la velocità contro la concentrazione di substrato.» Diagrammarono la velocità contro il LOGARITMO della concentrazione, per evitare la difficoltà di localizzare l'asintoto. E la costante che ricavarono davvero dai loro dati non era la Km: era Vmax/Km, cioè quella che oggi chiamiamo costante di specificità moltiplicata per una concentrazione di enzima che loro non potevano conoscere.

Una nota che chiude il cerchio, e che è anche una prova che un libro può sbagliare: Maud Menten nacque il 20 marzo 1879, non nel 1897 come stampa un manuale italiano; fu nominata professore ordinario soltanto nel 1949, un anno prima della pensione, a settant'anni, dopo oltre 90 pubblicazioni.

Per l'effetto degli inibitori su questi parametri, sezione 10; per la Km del nano di Mendel, sezione 12; per che cosa fare quando il libro dice un'altra cosa, sezione 14.

Esercizio 27 — Due grafici, due forme

Testo. Disegna i due grafici della velocità: contro la concentrazione di enzima e contro quella di substrato. Poi scrivi accanto a ciascuno la condizione sperimentale senza la quale non varrebbe.

La mossa che sblocca. La condizione è la stessa per tutti e due: si misura la velocità iniziale, quando meno del 10 per cento del substrato è stato consumato. Fuori da lì la retta non è più una retta.

Errore tipico. Disegnare l'iperbole che tocca l'asintoto. La velocità massima è un limite teorico: la curva ci si avvicina e non lo raggiunge mai.

Esercizio 28 — Km a metà strada, con i numeri

Testo. Un enzima ha Km uguale a 100 micromolari. Calcola la velocità, in frazione della massima, per substrato a 100, a 1.000 e a 10 micromolari.

La mossa che sblocca. Sostituisci nella formula: la velocità è Vmax moltiplicata per la concentrazione di substrato e divisa per la somma fra Km e quella concentrazione. Con 100 viene 1/2, con 1.000 viene circa 0,91, con 10 viene circa 0,09.

Errore tipico. Credere che a substrato dieci volte la Km si sia già alla velocità massima. Si è al 91 per cento: gli ultimi punti percentuali costano moltissimo substrato, ed è per questo che l'asintoto non si raggiunge.

Esercizio 29 — Esochinasi e glucochinasi al lavoro

Testo. Un enzima ha Km 44 micromolari, l'altro 6,03 millimolari per lo stesso zucchero. Quale dei due lavora già quando lo zucchero è poco, e quale entra in azione dopo il pasto? Poi di' perché questo confronto va dichiarato con cautela.

La mossa che sblocca. Porta i due numeri nella stessa unità: 6,03 millimolari sono 6.030 micromolari, cioè circa 137 volte 44. Poi guarda i dati di partenza: il primo valore è misurato su enzima di ratto, il secondo su enzima umano a 30 gradi Celsius e pH 7,5.

Errore tipico. Scrivere «137 volte» come se fosse una misura appaiata. Attraversa due specie e due condizioni: regge come ordine di grandezza, e va detto nella stessa frase in cui si dà il numero.

Esercizio 30 — Perché non il grafico dei reciproci

Testo. Spiega perché il grafico dei doppi reciproci va imparato ma non usato per stimare Km e Vmax, e quale effetto tecnico lo rovina.

La mossa che sblocca. Guarda quali punti finiscono lontano dall'origine: quelli misurati alle concentrazioni più basse, cioè i meno accurati. Su una retta, un punto lontano fa leva sulla pendenza.

Errore tipico. Concludere che il grafico è sbagliato. Non è sbagliato: è ottimo per capire che cosa fa un inibitore, e cattivo per ricavare numeri.

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Spegnere un enzima: inibizione reversibile e irreversibile

Livello: quinto anno. Chiude la domanda «come si fa a fermare un enzima, e perché due farmaci che lo fermano possono comportarsi in modo così diverso?».

Fatto d'apertura. Una compressa di aspirina spegne un enzima delle tue piastrine per giorni, e lo stesso enzima, nelle altre cellule, per poche ore soltanto. La differenza non sta nel farmaco: la molecola è la stessa e fa la stessa cosa in tutti e due i posti. L'aspirina attacca un gruppo acetile a una serina della ciclossigenasi-1, situata subito sotto la tasca catalitica, e da lì il substrato non passa più. La serina è la numero 529 nella scheda di banca dati della proteina umana (valore di banca dati, UniProt P23219, dove il residuo è annotato proprio come serina acetilata dall'aspirina) e la numero 530 nella numerazione convenzionale, che segue l'enzima di pecora ed è sfalsata di un residuo: è la stessa serina, contata in due modi. Il legame è covalente e non si scioglie. Le piastrine non hanno nucleo e non possono rifabbricare l'enzima; le cellule con nucleo lo rimpiazzano in poche ore (meccanismo riportato da una rassegna clinica, quindi di seconda mano). Effetto lungo di qua, effetto breve di là, per una ragione che sta nella cellula e non nella molecola.

Prima della tabella, due premesse

Prima premessa: che cosa vuol dire «apparente». In questa sezione compaiono di continuo le espressioni «Km apparente» e «Vmax apparente». Apparente vuol dire: il valore che ti restituisce l'esperimento fatto con l'inibitore dentro la provetta. Non è la Km dell'enzima, che è quella che hai misurato in §9 senza inibitore; è la Km che l'enzima sembra avere finché l'inibitore c'è. Togli l'inibitore e il valore apparente sparisce, perché era una proprietà del sistema, non della proteina.

Seconda premessa: quale definizione adottiamo, e perché il tuo libro può sembrare in disaccordo. Questa guida chiama «non competitiva» l'inibizione non competitiva pura, cioè quella in cui le due costanti di inibizione sono uguali. Molti autori, seguendo una convenzione risalente a Cleland (1963), chiamano non competitiva qualunque inibizione mista, senza richiedere che le due costanti coincidano. Con quella definizione anche la Km apparente cambia; con la nostra no. Non è una questione di fatto: è una questione di definizione, e va detta prima della tabella, non in nota.

Il principio: si classifica per due costanti, non per un indirizzo

Il tipo di inibizione si stabilisce da due costanti. Ki descrive il legame dell'inibitore all'enzima libero; Ki′ descrive il legame dell'inibitore al complesso enzima-substrato. Da queste due discende l'effetto su Km e Vmax, e null'altro serve.

• Competitiva: Ki finita, Ki′ infinita, cioè l'inibitore lega solo l'enzima libero.
• Non competitiva pura: Ki e Ki′ entrambe finite e uguali, cioè l'inibitore lega ugualmente bene le due forme.
• Mista: entrambe finite e diverse. Attenzione: diverse in un senso o nell'altro, non solo con rapporto maggiore di 1, altrimenti si escluderebbe metà dei casi reali.
• Incompetitiva: l'inibitore lega soltanto il complesso enzima-substrato.

Dove l'inibitore si attacchi fisicamente non entra in questa classificazione. È un punto su cui la fonte tecnica di riferimento è esplicita: un inibitore allosterico può mostrare un fenotipo competitivo, non competitivo o incompetitivo rispetto al legame del substrato.


Leggiamo insieme una riga sola, la prima. Con un inibitore competitivo, se aumenti il substrato l'enzima torna a fare la stessa velocità massima di prima: la Vmax apparente è invariata. Ci arriva però più tardi, cioè gli serve più substrato per andare a mezza velocità: la Km apparente è più alta. È esattamente per questo che si chiama competitivo. Substrato e inibitore si contendono la stessa forma dell'enzima, e chi è più abbondante vince.

L'inibizione irreversibile dentro il quadro cinetico

Un inibitore irreversibile si lega e non si stacca più: per lui la costante di distacco vale zero. Conseguenza sorprendente e da sapere: nel modello classico dello stato stazionario un inibitore irreversibile, qualunque sia la sua vera modalità di legame, mostra un fenotipo non competitivo. Quindi dai soli parametri non lo riconosci. Lo riconosci con un esperimento: si porta l'enzima al 100% di inibizione con inibitore a dieci volte la Ki, poi si diluisce trenta volte in presenza di substrato e si misura in continuo la formazione di prodotto. Il reversibile recupera attività; l'irreversibile resta spento. Servono tre controlli: senza inibitore, a dieci volte la Ki mantenuto, e a 0,3 volte la Ki mantenuto.

Perché tutto questo conta: i farmaci

Le statine sono inibitori competitivi della idrossimetilglutaril-CoA reduttasi, l'enzima che compie la tappa impegnata della sintesi del colesterolo, e la cristallografia mostra che occupano fisicamente una porzione del sito di legame del substrato. Le loro costanti di inibizione sono nell'ordine dei nanomolari, cioè miliardesimi di mole per litro (dato di seconda mano: l'articolo strutturale dichiara l'ordine di grandezza senza riportare la misura primaria).

Gli inibitori della proteasi dell'HIV approvati dall'ente regolatorio statunitense sono competitivi, tipranavir compreso: si legano tutti al sito catalitico. Quasi tutti sono peptidomimetici, cioè ricalcano il substrato naturale della proteasi virale, e un accorgimento chimico, l'inserimento di un nucleo idrossietilenico non idrolizzabile al posto del legame che verrebbe tagliato, impedisce che l'inibitore stesso venga tagliato; l'unico a non essere peptidomimetico è il tipranavir, che al suo posto porta un anello diidropironico. È il caso in cui «imitare il substrato» diventa un progetto di laboratorio. Chi imita non il substrato ma lo stato di transizione lega molto più forte: un inibitore di questo tipo verso una nucleosidasi batterica ha costante di dissociazione all'equilibrio di 36 picomolari, cioè 36 milionesimi di milionesimo di mole per litro, contro una Km del substrato naturale di 0,8 micromolari, con un rapporto di 22.200 (valori misurati). Il perché sta in §6.

L'aspirina e la penicillina sono un'altra cosa: agiscono in modo irreversibile e covalente. Dell'aspirina si è detto in apertura. La penicillina forma con la transpeptidasi batterica un complesso acil-enzima stabile che assomiglia al primo passo della reazione naturale: l'enzima comincia il proprio mestiere e resta incastrato a metà.

Resta la riga incompetitiva, che senza un volto si dimentica per prima. Il suo unico esempio documentato che siamo riusciti ad aprire è il litio: sulla inositolo monofosfatasi lo ione litio inibisce in modo incompetitivo lineare, con costanti di inibizione apparenti di 1,1 millimolari, 0,11 millimolari e 1,52 millimolari a seconda del substrato usato (millimolare significa millesimi di mole per litro; valori letti nell'abstract e non nel testo integrale, e lo dichiariamo). Sopra i 4 millimolari il comportamento cambia. E c'è una sfumatura che i manuali non hanno: il litio si lega ai complessi enzima-prodotto, non a quelli enzima-substrato. L'intervallo terapeutico del litio nel sangue è 0,8-1,2 milliequivalenti per litro nella fase acuta, e sopra 2 si è in campo tossico (valori del foglietto illustrativo, quindi convenzionali da manuale clinico); per uno ione monovalente come il litio un milliequivalente per litro equivale a un millimolare. Una finestra strettissima: e questa sezione dice perché una molecola tanto semplice richieda tanta precisione.

Che cosa sbagliano i libri

1. «Non competitivo vuol dire che si lega al sito allosterico.» È l'equazione che quasi tutti i manuali italiani stampano, ed è falsa. Sito di legame e tipo cinetico sono indipendenti: la fonte tecnica dice esplicitamente che un inibitore allosterico può dare tutti e tre i fenotipi. Si classifica per parametri, non per indirizzo. L'allosteria vera e propria è in §11.

2. «Non competitiva vuol dire Km invariata», detto senza premessa. Vale per la forma pura, che è quella che abbiamo dichiarato di adottare. Chi segue Cleland trova che anche la Km cambia, e non sta sbagliando: sta usando un'altra parola per un'altra cosa. Senza questa premessa la nostra tabella diventerebbe uno strumento con cui contraddire il proprio insegnante.

3. «L'inibitore competitivo distrugge l'enzima.» Se lo distruggesse, la velocità massima crollerebbe. Invece resta invariata: l'enzima è tutto lì, gli manca solo il posto libero.

4. «La competitiva è sempre reversibile e la non competitiva sempre irreversibile.» È l'errore trovato in metà degli studenti che sbagliavano su questo tema, in un inventario somministrato davvero; nello stesso elenco compaiono «gli enzimi agiscono da inibitori» e «l'inibizione irreversibile avviene per legame non covalente». Le due coppie di parole descrivono cose diverse: reversibile o irreversibile riguarda se l'inibitore se ne va; competitiva o non competitiva riguarda quale forma dell'enzima lega.

5. «L'inibizione incompetitiva è una curiosità da saltare.» È quella in cui, accumulandosi il substrato, l'inibitore diventa più potente: l'opposto esatto della competitiva, dove l'accumulo di substrato fa perdere potenza all'inibitore. È rara, e la rarità va dichiarata insieme all'esempio: per quella riga abbiamo un solo caso documentato.

Esercizio 31 — Classifica dai parametri, non dal disegno

Testo. Ti vengono dati tre insiemi di dati: nel primo la Km apparente sale e la Vmax apparente resta uguale, nel secondo scende la Vmax apparente e la Km resta uguale, nel terzo scendono entrambe. Classifica i tre casi, senza sapere dove si lega l'inibitore.

La mossa che sblocca. Non chiederti mai dove si attacca. Guarda solo le due colonne di numeri: sono loro la definizione.

Errore tipico. Aggiungere «e quindi il primo si lega al sito attivo e il secondo al sito allosterico». Non segue: un inibitore allosterico può dare tutti e tre i profili.

Esercizio 32 — Perché il tuo libro dice un'altra cosa

Testo. Il tuo manuale scrive che nell'inibizione non competitiva cambia anche la Km. La nostra tabella dice che resta invariata. Spiega in quattro righe perché non è un errore di nessuno dei due.

La mossa che sblocca. Cerca la definizione, non il dato. Chi chiama «non competitiva» solo la forma pura trova la Km invariata; chi, seguendo una convenzione del 1963, chiama non competitiva qualunque inibizione mista trova che cambia. Sono due parole per due cose.

Errore tipico. Portare la tabella in classe come prova che l'insegnante sbaglia. La cosa da portare è la premessa terminologica, non la tabella.

Esercizio 33 — Reversibile o irreversibile: l'esperimento

Testo. Progetta l'esperimento che distingue un inibitore reversibile da uno irreversibile, elencando i controlli, e di' perché il ragionamento cinetico da solo non basta.

La mossa che sblocca. Porta l'enzima al 100% di inibizione con inibitore a dieci volte la Ki, poi diluisci trenta volte in presenza di substrato e misura in continuo: il reversibile recupera attività, l'irreversibile no. Il ragionamento da solo non basta perché un irreversibile mostra comunque un fenotipo non competitivo.

Errore tipico. Dimenticare i controlli (senza inibitore, a dieci volte la Ki mantenuto, a 0,3 volte la Ki mantenuto) e attribuire alla diluizione un recupero che sarebbe avvenuto comunque.

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Regolare un enzima: allosteria, interruttori, lucchetti e indirizzi

Livello: quinto anno. Chiude la domanda «se l'enzima è già lì, pronto, chi decide quando deve lavorare?».

Il tuo pancreas produce ogni giorno enzimi capaci di digerire il pancreas stesso, e non lo fa. Non perché siano enzimi deboli: la tripsina che nel duodeno taglia le proteine della bistecca taglierebbe altrettanto bene le proteine della cellula che l'ha fabbricata. La cellula non ha risolto il problema costruendo un enzima meno pericoloso: l'ha risolto comandandolo. Questa sezione mette in fila i quattro modi in cui una cellula comanda un enzima che c'è già, senza fabbricarne uno nuovo e senza distruggerlo.

Primo modo: allosteria e retroinibizione

La parola «allosterico» viene dal greco allos, «altro», e stereos, «solido»: un altro sito, diverso da quello dove si appoggia il substrato. Non è un'immagine inventata a tavolino, è nata da un esperimento. Scaldando la treonina deaminasi si poteva far perdere all'enzima la sensibilità all'inibitore lasciandogli la capacità di lavorare sul substrato: due parti che si rovinano separatamente sono due elementi strutturali distinti, non lo stesso posto visto da due lati.

L'enzima su cui la teoria è nata è l'aspartato transcarbamilasi di Escherichia coli. La sua architettura sta in banca dati curata, quindi è un dato misurato e non una convenzione da manuale: sei catene catalitiche e sei catene regolatorie, organizzate in due trimeri e tre dimeri dentro un unico complesso. I siti allosterici stanno a circa 60 ångström da quelli attivi: questo numero lo diamo come di seconda mano, perché lo abbiamo trovato ripetuto ma non siamo risaliti alla misura originale. Misure recenti su questo enzima danno invece i numeri più istruttivi, ed è roba misurata: con la coppia CTP+UTP l'enzima si comprime e diventa fortemente cooperativo, con coefficiente di Hill circa 2,9 e concentrazione di aspartato necessaria per andare a metà attività di circa 37 millimolari. Due parole, prima di andare avanti, perché qui compaiono per la prima volta. Un enzima è cooperativo quando la prima molecola di substrato che si lega rende più facile il legame delle successive: la sua curva della velocità non è più l'iperbole della sezione 9, è una S. Il coefficiente di Hill è il numero che dice quanto quella S è ripida: vale 1 quando cooperatività non ce n'è, e sale sopra 1 quando c'è; con la coppia ATP+GTP si espande, la cooperatività quasi sparisce (coefficiente 1,2) e bastano 2,9 millimolari. Un millimolare è la millesima parte di una mole per litro, e il riquadro sulle concentrazioni sta in apertura della sezione 9. Il senso è tutto qui: la concentrazione fisiologica di aspartato è circa 4,2 millimolari (misurato), cioè nel primo caso l'enzima è praticamente spento e nel secondo praticamente acceso. Stessa molecola, nessun taglio, nessuna distruzione: solo due nucleotidi che si appoggiano da un'altra parte.

Il caso classico di retroinibizione è la treonina deaminasi, primo enzima della via che porta all'isoleucina: l'isoleucina la inibisce allostericamente, la valina la attiva. Il prodotto finale spegne il primo enzima della propria catena di montaggio, e nessuno deve dare l'ordine dall'alto. L'esempio umano che conviene ricordare è la fosfofruttochinasi muscolare, attivata da ADP, AMP e fruttosio-2,6-bisfosfato e inibita da ATP e citrato: quando l'energia abbonda, la glicolisi rallenta da sola.

Secondo modo: modifica covalente reversibile

Qui il comando è chimico e lascia il segno: un enzima mette un gruppo fosfato su un residuo della proteina bersaglio, un altro enzima lo toglie. La glicogeno fosforilasi muscolare umana tiene insieme tutto quello che serve sapere, e sono dati di banca dati curata, quindi misurati: è lunga 842 amminoacidi, porta il piridossal-fosfato legato alla lisina 681 come cofattore — i cofattori stanno nella sezione 6 — la fosforilazione della serina 15 la converte dalla forma b alla forma a, ed è per di più regolata allostericamente da AMP, ATP, ADP e glucosio-6-fosfato. Tre livelli di comando sulla stessa molecola.

La macchina che fa questo lavoro è enorme, e i numeri sono misurati: il genoma umano contiene 518 geni di proteina chinasi contro 189 di proteina fosfatasi, cioè gli enzimi che mettono il fosfato sono quasi tre volte quelli che lo tolgono; e in una sola linea cellulare tumorale umana sono stati mappati oltre 50.000 peptidi fosforilati distinti, con più di tre quarti delle proteine rilevate che risultano fosfoproteine. La fosforilazione non è un caso particolare: è la lingua ordinaria con cui la cellula parla ai propri enzimi.

E non tutte le modifiche covalenti sono fosforilazioni. La RuBisCO va accesa carbossilando una lisina, e proprio su quel gruppo si aggancia lo ione magnesio; la fosforibulochinasi del cloroplasto viene accesa dalla luce attraverso la tioredossina, cioè per riduzione e riossidazione reversibile di gruppi sulfidrilici. Sono due enzimi di cui la guida sulla fotosintesi parla già: qui interessa solo il fatto che l'interruttore non è sempre un fosfato.

Terzo modo: zimogeni, cioè l'enzima esce di fabbrica spento

Il tripsinogeno cationico umano è un precursore di 247 amminoacidi (banca dati curata, misurato). Il suo peptide di attivazione è lungo otto residui — alanina, prolina, fenilalanina, quattro acidi aspartici di fila e infine una lisina — e l'enteropeptidasi del duodeno taglia UN solo legame, quello subito dopo quella lisina, per accendere l'enzima. Da lì parte una catena: la tripsina attiva il chimotripsinogeno, la procarbossipeptidasi e la proelastasi.

Il chimotripsinogeno A bovino è lungo 245 amminoacidi ed è cataliticamente inattivo: è la parentesi aperta nella sezione 5, e si chiude qui. La chimotripsina attiva è a tre catene, ottenute asportando due dipeptidi, i residui 14-15 e i residui 147-148. Chi scrive «il chimotripsinogeno ha un sito attivo» sta chiamando enzima il precursore spento.

Nel pancreas i lucchetti sono tre. Il primo è lo zimogeno. Il secondo è dentro la tripsina attiva: porta in sé un sito di autotaglio dopo l'arginina 122, e la variante che lo sopprime causa la pancreatite ereditaria. Attenzione alla numerazione, perché per lo stesso amminoacido circolano due numeri: la letteratura del 1996 lo chiamava residuo 117, le banche dati oggi 122. È la stessa arginina, contata a partire da due punti di inizio diversi. Il terzo lucchetto è un inibitore proteico dedicato, SPINK1, che nel pancreas protegge dall'attivazione prematura degli zimogeni.

Lo stomaco è un caso diverso, e va detto con precisione: il pepsinogeno esce spento e si taglia da solo quando il pH scende, e questo avviene nel lume dello stomaco, non dentro la cellula che lo ha prodotto.

Quarto modo: compartimentazione, cioè l'indirizzo

Dove sta l'enzima è già una regolazione. I lisosomi contengono circa 50 enzimi degradativi (valore convenzionale da manuale), tutti idrolasi acide attive al pH circa 5 mantenuto al loro interno e non al pH 7,2 del citosol (valori convenzionali da manuale; il perché del pH sta nella sezione 8). È una doppia protezione: la membrana tiene dentro gli enzimi, e se anche si rompesse le idrolasi liberate nel citosol si troverebbero al pH sbagliato.

La catalasi umana sta nella matrice del perossisoma, cioè esattamente dove si produce l'acqua ossigenata che deve smaltire. La stessa catalasi in Escherichia coli, con la stessa reazione e lo stesso numero di classificazione EC — che si legge nella sezione 7 — sta nel citoplasma, perché il batterio non ha perossisomi. Stesso mestiere, indirizzo diverso.

Che cosa sbagliano le frasi da manuale più diffuse

Primo. «Sito allosterico vuol dire inibizione non competitiva.» Nella sezione 10 lo si è smontato dal lato dei parametri: il tipo di inibizione si stabilisce dalle due costanti Ki e Ki', non da dove si lega l'inibitore. Qui si vede il perché strutturale: nell'aspartato transcarbamilasi i siti regolatori sono a decine di ångström dal sito attivo, e l'effetto arriva attraverso un cambiamento di forma dell'intero complesso, non perché l'inibitore occupi il posto del substrato.

Secondo. «Allosterico vuol dire inibitore.» Gli stessi siti ospitano attivatori: la valina attiva la treonina deaminasi, l'AMP attiva la glicogeno fosforilasi.

Terzo. «La fosforilazione accende.» La scheda ufficiale di nomenclatura della piruvato deidrogenasi chinasi dice testualmente che la fosforilazione INATTIVA la piruvato deidrogenasi. Lo stesso gesto chimico, un fosfato su una serina, accende un enzima e ne spegne un altro.

Quarto. «La fosforilazione agisce da lontano, su un sito allosterico.» Nell'isocitrato deidrogenasi di Escherichia coli il substrato forma un legame a idrogeno proprio con la serina 113, che è il sito della fosforilazione regolatoria, e i mutanti che ne imitano l'inattivazione mostrano cambiamenti di forma minimi: il fosfato occupa il posto del substrato. In quell'enzima, per giunta, lo stato di fosforilazione è controllato da una sola proteina bifunzionale, che fa sia da penna sia da gomma.

Quinto. «La curva a S richiede più subunità.» La glucochinasi umana è monomerica e ha un solo sito di legame per il glucosio, eppure la sua risposta è cooperativa, con coefficiente di Hill 1,7 e massima sensibilità a 8 millimolari, cioè alla glicemia fisiologica (misurato). E va detto che il coefficiente di Hill sperimentale non conta i siti: è uguale o minore del loro numero. L'esempio più efficace sarebbe l'emoglobina, e resta fuori per due ragioni: il suo coefficiente non l'abbiamo confermato alla fonte, e l'emoglobina finisce nei capitoli sugli enzimi solo per parentela storica, perché non catalizza alcuna reazione e quindi, per la definizione ufficiale, non è un enzima.

E una cosa che NON demoliamo. La frase «lo stomaco non si digerisce grazie al muco» resta in piedi. Le fonti che abbiamo aperto documentano gli zimogeni come protezione del PANCREAS; nello stomaco il pepsinogeno si attiva proprio nel lume, dove muco e bicarbonato sono la barriera riconosciuta. Diciamo che il pepsinogeno esce spento e si attiva nell'acido, e sul muco non ci pronunciamo finché non apriamo una fonte.

Esercizio 34 — La stessa modifica, due esiti

Testo. Un fosfato su una serina accende la glicogeno fosforilasi e spegne la piruvato deidrogenasi. Che cosa ti dice questo su che cosa significa «fosforilare»?

La mossa che sblocca. Separa il gesto chimico dall'effetto biologico: il gesto è identico, l'effetto dipende da dove cade il fosfato e da come quella proteina è fatta. Non esiste una regola generale da imparare.

Errore tipico. Imparare «fosforilazione uguale attivazione» come regola. È un caso, non una regola, e in un compito costa il punto tutte le volte che l'esempio scelto è l'altro.

Esercizio 35 — Perché il pancreas non si digerisce

Testo. Elenca i tre livelli di sicurezza che impediscono al pancreas di autodigerirsi, e poi spiega perché nello stomaco la risposta non è la stessa.

La mossa che sblocca. I tre livelli sono: l'enzima esce spento come zimogeno; la tripsina attiva porta in sé un sito di autotaglio; esiste un inibitore proteico dedicato. Nello stomaco il pepsinogeno si attiva proprio nel lume, quindi lì lo zimogeno protegge la cellula che lo produce, non la parete.

Errore tipico. Estendere la spiegazione degli zimogeni alla parete dello stomaco e concludere che il muco non c'entra. Le fonti aperte non lo dicono, e questa guida non lo scrive.

Esercizio 36 — Una curva a S senza subunità

Testo. La glucochinasi umana è monomerica e ha un solo sito per il glucosio, eppure la sua curva è sigmoide con coefficiente di Hill 1,7. Che cosa smonta questo caso?

La mossa che sblocca. Torna alla definizione del coefficiente di Hill: dice che il legame è cooperativo, non quante subunità ci sono, ed è uguale o minore del numero di siti.

Errore tipico. Dedurre dal coefficiente 1,7 che ci sono due siti. Il coefficiente sperimentale non conta i siti: li limita dall'alto.

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L'enzima guasto: dal nano di Mendel alle analisi del sangue

Livello: la prima metà si legge al primo incontro, la seconda è da quinto anno.

Qui si chiude la domanda che questa guida ha aperto alla sezione 1: che cosa vuol dire, materialmente, che un enzima è «guasto»? Non una cosa sola. Ci sono tre modi diversi di essere guasto, e si vedono in tre casi reali.

Primo modo: un amminoacido cambiato vicino al sito attivo

Il locus di Mendel per il fusto alto o nano codifica un enzima, una gibberellina 3-beta-idrossilasi, che lavora nella via degli ormoni della crescita della pianta. Le proteine dei quattro alleli sono state prodotte in batterio e misurate una per una. L'allele dominante trasforma il primo substrato con una Km di 1,5 micromolari; l'allele del nano, che differisce per la sostituzione di un solo amminoacido — l'alanina in posizione 229 diventata treonina — porta quella Km a 118 micromolari, cioè cento volte tanto, e riduce quasi a nulla la conversione dell'altro substrato, che nella forma sana ha Km 13 micromolari (misurato, proteine espresse in Escherichia coli). Il lavoro parallelo di un secondo gruppo colloca quella sostituzione vicino al presunto sito attivo dell'enzima.

Ecco che cosa vuol dire enzima guasto, in questo primo modo: l'enzima c'è, si ripiega, lavora. Ma per andare a mezza velocità gli serve cento volte più substrato di prima (per che cosa sia la Km si veda la sezione 9; se «micromolare» non dice ancora nulla, il riquadro delle concentrazioni sta in apertura di quella sezione). E la pianta resta bassa. Un amminoacido su qualche centinaio, cambiato nel punto sbagliato: la sezione 5 spiega perché il punto conta più del numero.

Secondo modo: un amminoacido cambiato lontanissimo dal sito attivo

La fenilalanina idrossilasi umana è lunga 452 amminoacidi, tiene un atomo di ferro con tre residui — le posizioni 285, 290 e 330 — e usa come cofattore la tetraidrobiopterina (valori di banca dati curata: come in §11, li trattiamo come misurati e non come convenzioni da manuale, perché ogni annotazione porta con sé la propria evidenza sperimentale). La mutazione più frequente della fenilchetonuria è l'arginina in posizione 408 sostituita da triptofano. Il residuo 408 non appartiene al sito attivo: sta lontanissimo dalla zona 285-330. Eppure l'enzima non funziona, e l'annotazione ufficiale dice che la riduzione di attività è dovuta a un cambiamento conformazionale globale della proteina, che ne riduce l'allosteria (per l'allosteria si veda la sezione 11).

Non è un caso isolato. Uno studio su dieci varianti conclude che l'attività catalitica residua era in genere alta, ma che l'allosteria era disturbata in quasi tutti i casi, e che circa l'80% delle mutazioni di questo gene sono sostituzioni di un singolo amminoacido (misurato). La fenilchetonuria, in maggioranza, non è una malattia della catalisi: è una malattia del ripiegamento. Come si ripiega una proteina sta nella guida di questo sito sulla sintesi proteica, e non si rifà qui.

Il seguito è italiano e concreto. La prevalenza alla nascita più alta al mondo di questo difetto è quella italiana: circa 1 caso ogni 4.000-4.500 nati vivi, contro 1 su 23.930 nel mondo (misurato, studio internazionale su 51 Paesi; la stessa fonte scrive 1 su 4.000 nel corpo del testo e 1 su 4.500 nella frase di sintesi, e riportiamo tutte e due le cifre perché sono tutte e due sue). Per questo in Italia lo screening è obbligatorio su tutti i nati vivi, con prelievo fra le 48 e le 72 ore di vita: sono i testi che abbiamo letto, la Legge 167 del 19 agosto 2016 e il Decreto ministeriale del 13 ottobre 2016.

Terzo modo: la proteina che non c'è

Il terzo modo è il più brutale: il gene viene interrotto e la proteina finita non esiste. Su un enzima vero il caso è il seme rugoso di Mendel, dove il gene dell'enzima ramificante dell'amido risulta interrotto da un'inserzione simile a un elemento trasponibile (di seconda mano: il testo integrale di quel lavoro non l'abbiamo aperto). Ha la stessa forma anche l'allele del fiore bianco di Mendel, dove un taglio sbagliato dell'RNA porta a una proteina troncata — ma quello, come diciamo più sotto, non è un enzima, e proprio per questo va raccontato con precisione.

Da dove viene l'idea: Garrod, 1902

Nel 1902 Archibald Garrod dedusse l'esistenza di un «errore congenito del metabolismo» senza vedere nessun enzima: guardando un albero genealogico. Su 40 casi registrati di alcaptonuria, 19 venivano da matrimoni fra cugini primi; e fra le famiglie con genitori non affetti la proporzione di figli di cugini primi era del 60%, contro un massimo del 3% stimato all'epoca per la popolazione generale (misurato il conteggio dei casi, stima dell'epoca il 3%). Il difetto dell'enzima corrispondente, l'omogentisato 1,2-diossigenasi, fu dimostrato nel fegato dei malati nel 1958 da La Du e colleghi: 56 anni dopo. Il gene che lo codifica è stato identificato nel 1996, 94 anni dopo.

I casi che lo studente ha già in casa

Il favismo. L'enzima carente, la glucosio-6-fosfato deidrogenasi, rifornisce di potere riducente il sistema che protegge dall'ossidazione la membrana del globulo rosso; e il globulo rosso maturo è il più vulnerabile di tutte le cellule perché, essendo senza nucleo, non può sostituire le proteine danneggiate. In un distretto della Sardegna il deficit è stato trovato nel 14,8% dei maschi (misurato, su 846 referti di screening neonatale). Nello stesso ospedale, su 14.392 ricoveri, 100 furono per anemia emolitica acuta da favismo: il 98% fra fine marzo e i primi di giugno, e nel 91% dei casi dopo il consumo di fave (misurato). Le sostanze ossidanti delle fave hanno un nome: divicina e isouramile.

L'intolleranza al lattosio, che è il caso in cui l'enzima non è rotto affatto. La condizione statisticamente normale per la nostra specie è smettere di produrre la lattasi dopo l'infanzia; chi continua a produrla ha ereditato una variazione non dell'enzima ma del suo interruttore, cioè di una sequenza regolatrice che sta dentro un gene vicino.

E infine il motivo per cui un esame del sangue misura enzimi: perché sono enzimi intracellulari. Finché la cellula è integra restano dentro; quando la membrana si danneggia escono nel plasma e diventano misurabili. Non si dosano perché lavorano nel sangue: si dosano perché non dovrebbero esserci.

Che cosa va corretto, a partire da noi

Prima di tutto due frasi nostre, e si correggono qui perché è qui che il lettore le controlla.

La guida di questo sito su Mendel scrive che «l'allele P contiene la ricetta di un enzima che produce il pigmento violetto». È sbagliato. Il gene di Mendel per il colore del fiore non codifica un enzima: codifica un fattore di trascrizione della famiglia bHLH, cioè un regolatore che accende altri geni, e non catalizza nulla. L'allele bianco è una transizione in un sito donatore di taglio dell'RNA, e produce una proteina troncata. La frase «il nano di Mendel è un enzima guasto», invece, è giusta e resta.

Seconda frase nostra: «ci sono voluti 160 anni per arrivarci». Sono due cose distinte. Se ci si riferisce al nano, la memoria di Mendel è del 1866 e l'identificazione dell'enzima del 1997: 131 anni. I 159 anni valgono per il completamento della base molecolare di tutti e sette i caratteri, arrivato nel 2025.

Poi le frasi dei manuali. «Beadle e Tatum dimostrarono che un gene fa un enzima»: la formula «un gene, un enzima» non compare nel lavoro del 1941, dove la parola «enzima» ricorre tre volte in tutto e mai in quella forma, e il sommario parla soltanto di «un singolo gene». Non la contiene nemmeno la motivazione ufficiale del premio Nobel, che è del 1958 e non del 1953 come scrivono molte pagine divulgative.

La formula è comunque falsa in due direzioni. Da una parte, la lattato deidrogenasi ha cinque isoenzimi prodotti da due soli geni (valore convenzionale da manuale), e la definizione ufficiale di isoenzima, del 1976, richiede proprio che le forme multiple derivino da differenze geneticamente determinate nella struttura primaria. Dall'altra parte, la triptofano sintasi batterica è un enzima solo costruito con due geni.

«L'intolleranza al lattosio è un enzima difettoso»: no, l'enzima è normale, a cambiare è il suo interruttore.

Avvertenza su una cifra che circola dappertutto. La meta-analisi più citata al mondo sulle percentuali di malassorbimento del lattosio per Paese è stata ritirata nel gennaio 2025, perché le stime di un numero rilevante di Paesi derivavano da studi non rappresentativi: chi la cita cita una fonte che non esiste più. Le percentuali italiane che diamo vengono invece da misure su popolazione italiana: 52% al nord, 19% al centro e 41% al sud classificando per luogo di nascita dei nonni, su 205 soggetti; e 51% al nord contro 71% in Sicilia, su 308 adulti sani (misurato). Da notare che non sono ordinate da nord a sud, come l'ipotesi corrente prevedeva.

Nota di prova su un secondo carattere di Mendel: il seme rugoso è davvero un enzima rotto, perché il gene dell'enzima ramificante dell'amido risulta interrotto da un'inserzione simile a un elemento trasponibile. Il testo integrale di quel lavoro non l'abbiamo aperto, e il dato lo riportiamo di seconda mano.

Esercizio 37 — Che cosa vuol dire, materialmente, «guasto»

Testo. Elenca i tre modi in cui un enzima può essere guasto, con un caso reale per ciascuno, e di' quale dei tre non si vede guardando il sito attivo.

La mossa che sblocca. Il secondo modo è quello invisibile: l'amminoacido cambiato sta lontanissimo dal sito attivo e rovina la forma complessiva della proteina. È il caso della mutazione più frequente della fenilchetonuria, il residuo 408 su una catena di 452 con il ferro tenuto nella zona 285-330.

Errore tipico. Rispondere che «enzima guasto» significa «enzima assente». Nel nano di Mendel l'enzima c'è e funziona: gli serve cento volte più substrato per andare a mezza velocità.

Esercizio 38 — Il fiore bianco non è un enzima

Testo. La guida di questo sito su Mendel dice che l'allele del fiore violetto contiene la ricetta di un enzima. Correggi la frase, e spiega perché la correzione non tocca invece la frase sul nano.

La mossa che sblocca. Distingui i due loci. Quello del fusto codifica un enzima della via degli ormoni della crescita; quello del colore codifica un regolatore che accende altri geni. Un fattore di trascrizione non catalizza nulla, quindi non ha substrato, non ha Km e non può essere «più lento».

Errore tipico. Concludere che allora la genetica di Mendel non c'entra con gli enzimi. C'entra eccome: due dei sette caratteri sono enzimi, e uno di loro è misurato in micromolari.

Esercizio 39 — Il calendario del favismo

Testo. Su 100 ricoveri per anemia emolitica acuta da favismo, il 98% cade fra fine marzo e i primi di giugno. Che cosa dimostra questo dato, e che cosa non dimostra?

La mossa che sblocca. Confronta il calendario dei ricoveri con quello della raccolta delle fave. La coincidenza mostra il fattore scatenante — e infatti nel 91% dei casi il ricovero segue il consumo di fave. Non dice invece nulla su chi ha il deficit dell'enzima e chi no: quello si misura sul sangue, ed è il 14,8% dei maschi in quel distretto.

Errore tipico. Concludere che il favismo è una malattia stagionale. La carenza enzimatica c'è tutto l'anno: stagionale è l'incontro con la sostanza che la fa esplodere.

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Domande frequenti

Che cos'è un enzima, detto in parole semplici?
È un catalizzatore prodotto da un essere vivente, cioè una molecola che accelera una reazione chimica che avverrebbe comunque, e che alla fine si ritrova intatta. La definizione ufficiale di catalizzatore, quella della IUPAC (l'unione internazionale di chimica pura e applicata), dice due cose insieme: aumenta la velocità senza cambiare l'energia di Gibbs standard complessiva della reazione, ed è insieme reagente e prodotto, cioè rientra identico alla fine del giro. Quasi tutti gli enzimi sono proteine, cioè lunghe catene di amminoacidi ripiegate a gomitolo, e in una minoranza di casi sono molecole di RNA. A lavorare non è tutta la molecola ma una piccola conca sulla sua superficie, il sito attivo, dove il substrato (la molecola su cui l'enzima agisce) si appoggia tenuto da forze deboli. Tutto il resto della catena serve a costruire e a tenere in forma quella conca. La parola fu proposta da Wilhelm Kühne in due comunicazioni lette a Heidelberg il 4 febbraio e il 6 marzo 1876 e stampate nel 1877, e voleva dire, allora, il fermento che funziona anche fuori dalla cellula. (§3)

L'enzima si consuma mentre lavora?
No: esce dalla reazione identico a come vi è entrato, e ricomincia. È la definizione stessa di catalizzatore, che compare sia fra i reagenti sia fra i prodotti e quindi non figura nel bilancio finale. La conseguenza pratica è che ne basta pochissimo: nei saggi di laboratorio il rapporto fra substrato ed enzima va da più di cento fino a circa un milione (valore convenzionale da manuale, raccomandazione dell'Assay Guidance Manual), e già nel 1833 Payen e Persoz scrivevano che una parte in peso di diastasi rende solubile la sostanza interna di duemila parti di fecola secca, e che raddoppiando la dose la dissoluzione avviene in dieci minuti (misurato, ma con un preparato arricchito e non con un enzima puro: l'enzima puro e cristallino arriverà solo nel 1926). L'errore contrario è documentato in sede d'esame: il rapporto ufficiale degli esaminatori Cambridge IGCSE Biology 0610 di giugno 2024 lo segnala fra gli errori del quesito 12, nella formula «l'enzima viene usato, quindi ne serve dell'altro». Che poi la cellula sostituisca nel tempo le proprie proteine è un fatto diverso, che riguarda il ricambio delle proteine e non la catalisi. (§3)

L'enzima sposta l'equilibrio della reazione?
No, e la ragione è che abbassa la barriera esattamente della stessa quantità nei due versi. Se la reazione da A a B e quella da B ad A devono passare per lo stesso stato di transizione, e l'enzima rende quello stato più facile da raggiungere, allora andata e ritorno vengono accelerate dello stesso fattore: il punto di arrivo dell'equilibrio resta dov'era. Si vede anche scrivendo la reazione per intero, E + S -> ES -> E + P: l'enzima compare identico ai due lati, quindi non può cambiare il rapporto finale fra reagente e prodotto. Quello che cambia è il tempo: una reazione che all'equilibrio ci arriverebbe in secoli, con l'enzima ci arriva in secondi. L'errore è misurato su grandi numeri: è una delle misconcezioni tabulate dall'Introductory Molecular and Cell Biology Assessment, somministrato in fase di pretest a più di settecento studenti (misurato), nella formula «gli enzimi agiscono cambiando gli equilibri delle reazioni chimiche» invece che aumentandone la velocità. (§3)

Se una reazione è favorita, perché senza enzima non parte?
Perché fra la partenza e l'arrivo c'è un muro da scavalcare, e il dislivello complessivo non dice nulla su quanto sia alto quel muro. Il caso più chiaro è il tuo stesso DNA: il legame che tiene insieme il suo scheletro è chimicamente destinato a rompersi in acqua, eppure regge, e infatti il dineopentil fosfato, il modello in cui l'acqua può attaccare soltanto il fosforo come nello scheletro del DNA, si dimezza in acqua neutra a 25 gradi in 30 milioni di anni (misurato). Il muro si chiama energia di attivazione, e l'enzima non lo scavalca al posto delle molecole: lo abbassa. L'energia per superarlo continua a venire dagli urti casuali con le molecole intorno, esattamente come prima; l'enzima fa soltanto in modo che una frazione molto più grande di quegli urti basti. È per questo che «la reazione non avviene perché non ha abbastanza energia» è una frase da correggere: confonde il dislivello complessivo con l'altezza della barriera in mezzo. (§2)

Quanto è veloce davvero un enzima?
Molto meno di quanto dicono i manuali, tranne in pochi casi estremi. Il numero di turnover mediano, cioè quante molecole di substrato una singola molecola di enzima trasforma in un secondo, è circa 10 al secondo, e il 60 per cento dei valori sta fra 1 e 100 al secondo: è una statistica misurata su circa duemilacinquecento enzimi con i loro substrati naturali. La cifra «circa mille al secondo», che si legge spesso, è un valore convenzionale da manuale e sta due ordini di grandezza più in alto: le due cifre non vanno mai affiancate senza dire che cosa sono. All'estremo opposto ci sono i record: l'acido orotico, lasciato in acqua neutra a temperatura ambiente, si decarbossila da solo con un tempo di dimezzamento di 78 milioni di anni, e l'orotidina-5'-fosfato decarbossilasi, che nella cellula decarbossila non l'acido orotico libero ma l'orotidina-5'-monofosfato, va di un fattore 10 elevato alla 17 più veloce di quella reazione modello (misurato, ed è il record su un enzima specifico, non l'ordine di grandezza tipico, che i manuali danno come 10 elevato alla 14 o alla 16 come valore convenzionale). (§4)

Che cosa significa Km, e perché il mio libro dice che misura l'affinità?
Km, la costante di Michaelis, è la concentrazione di substrato alla quale l'enzima va a metà della sua velocità massima: niente di più e niente di meno. Si misura in unità di concentrazione, e conviene sciogliere subito le sigle: millimolare vuol dire un millesimo di mole per litro, micromolare un milionesimo, quindi un millimolare vale mille micromolari. Km piccola vuol dire che all'enzima basta pochissimo substrato per lavorare a mezzo regime. La Km mediana misurata è di circa 100 micromolari, con il 60 per cento dei valori fra 10 e 1000 micromolari; e la coppia che si usa in classe è l'esochinasi-1 di ratto, con Km di 44 micromolari per il glucosio, contro la glucochinasi umana del fegato, con Km di 6,03 millimolari a 30 gradi e pH 7,5 (misurati entrambi): due enzimi per la stessa reazione, uno che lavora già a digiuno e uno che si accende solo dopo il pasto. Sull'affinità il manuale italiano più diffuso scrive che Km la esprime: è accettabile al biennio ed è sbagliato al quinto anno, perché la costante di Michaelis coincide con la costante di dissociazione solo quando la catalisi è lenta rispetto al distacco del substrato. (§9)

Qual è la differenza fra inibizione competitiva e non competitiva?
Sta nell'effetto sui due parametri, non nel posto dove l'inibitore si lega, e prima di tutto va sciolta la parola «apparente»: è il valore che ti restituisce l'esperimento fatto con l'inibitore dentro, non la Km dell'enzima. Un inibitore competitivo alza la Km apparente e lascia invariata la Vmax apparente: con abbastanza substrato lo si scavalca. Un inibitore non competitivo puro abbassa la Vmax apparente e lascia invariata la Km apparente: aggiungere substrato non serve a niente. La classificazione rigorosa si fa con due costanti, Ki, che riguarda il legame all'enzima libero, e Ki primo, che riguarda il legame al complesso enzima-substrato; non competitiva pura vuol dire che le due sono uguali. Qui va detto un fatto che salva molte discussioni con l'insegnante: molti autori, seguendo Cleland dal 1963, chiamano non competitiva qualunque inibizione mista, e in quella definizione anche la Km cambia. Sono due parole per due cose, e questa guida adotta la prima. Infine, sito allosterico e inibizione non competitiva non sono sinonimi: la fonte tecnica di riferimento dice esplicitamente che un inibitore allosterico può mostrare un comportamento competitivo, non competitivo o incompetitivo. (§10)

Che cosa vuol dire, materialmente, che un enzima è «guasto»?
Vuol dire tre cose diverse, e conviene tenerle distinte. Primo modo: un amminoacido cambiato, e l'enzima funziona ancora ma male. È il nano di Mendel, il cui gene codifica una gibberellina 3-beta-idrossilasi: la sostituzione dell'alanina 229 con una treonina porta la Km per il substrato da 1,5 a 118 micromolari, cioè circa cento volte peggio (misurato su proteine espresse in batterio, 1997). Secondo modo: l'amminoacido cambiato sta lontano dal sito attivo e a rovinarsi è la forma complessiva della proteina, ed è il caso della fenilchetonuria, dove circa l'80 per cento delle mutazioni del gene sono di sostituzione di un singolo amminoacido e la mutazione più frequente sta in posizione 408 su una catena di 452, cioè lontanissimo dal sito attivo: l'attività catalitica residua resta spesso alta, a essere disturbata è l'allosteria. Terzo modo: il gene è interrotto e la proteina finita non esiste, ed è il caso del seme rugoso di Mendel. L'intolleranza al lattosio non è nessuno dei tre: lì l'enzima non è guasto affatto, si spegne l'interruttore che lo fa produrre. Una precisazione che riguarda una nostra guida già pubblicata: il gene di Mendel per il colore del fiore non codifica un enzima ma un fattore di trascrizione, cioè un regolatore, e quella frase va corretta. (§12)

Se non è vero che a 40 gradi gli enzimi si denaturano, perché la febbre alta fa male?
Perché il danno della febbre alta non passa dalla denaturazione degli enzimi, e i numeri lo dicono chiaramente. Sui dati depositati del Meltome Atlas abbiamo calcolato noi le statistiche del proteoma umano: la mediana della temperatura di fusione è 52,56 gradi, sotto i 45 gradi sta l'1,66 per cento delle proteine e una sola scende sotto i 42 (misurato, con l'avvertenza che non abbiamo aperto i metodi dello studio e non possiamo escludere che le proteine meno stabili cadano fuori dall'intervallo saggiato). Nello stesso lavoro si legge che i mitocondri umani respirano quasi normalmente a 46 gradi. Fra le fonti che siamo riusciti ad aprire non esiste un enzima umano documentato che perda attività in modo significativo fra 38 e 41 gradi, e lo scriviamo invece di riempire il buco a intuito. Il danno viene da altro: ogni grado in più costa più del 10 per cento di metabolismo basale, sopra i 40 gradi cala il flusso di sangue al tratto gastrointestinale, e il colpo di calore è definito come temperatura interna sopra i 40 gradi con disfunzione del sistema nervoso centrale (valori convenzionali da manuale clinico). In tessuto, per inciso, le soglie sono più basse che in provetta, circa 38 gradi nel fegato e 39 nel muscolo bianco, ma sono misure di ratto e nella stessa fonte la soglia scala con la temperatura corporea della specie. (§8)

Gli enzimi sono tutti proteine?
No, e la frase «tutti gli enzimi sono proteine» ha una data di nascita e una data di morte. La pronunciò nel 1946 James Sumner, il premio Nobel che aveva cristallizzato il primo enzima; fu smentita 36 anni dopo. Nel 1982 il gruppo di Thomas Cech mostrò che un pezzo di RNA di Tetrahymena, lungo 413 paia di basi, si ritaglia fuori da solo senza alcuna proteina; nel 1983 il gruppo di Sidney Altman mostrò che la componente a RNA della ribonucleasi P taglia i precursori del tRNA da sola, mentre la componente proteica da sola non fa nulla. Il premio Nobel per la chimica del 1989 andò ai due proprio per la scoperta delle proprietà catalitiche dell'RNA. Il caso più importante arrivò nel 2000: nella struttura atomica della subunità grande del ribosoma non c'è nessun atomo di catena laterale proteica a meno di circa 18 ångström dal legame peptidico che si sta formando, cioè la macchina che costruisce tutte le nostre proteine è essa stessa un RNA catalitico. La definizione ufficiale della IUBMB, l'unione internazionale di biochimica e biologia molecolare, ne tiene conto: la maggior parte degli enzimi sono proteine, ma i ribozimi rientrano nella definizione. (§7)

Perché da adulti molti non digeriscono il latte?
Perché smettere di produrre lattasi dopo lo svezzamento è la condizione normale della nostra specie, e continuare a produrla è l'eccezione. L'enzima non è guasto: si spegne l'interruttore che lo fa produrre, cioè una sequenza regolatrice che sta dentro un gene vicino, MCM6, a monte del gene della lattasi. Chi digerisce il latte da adulto ha ereditato una variante di quell'interruttore, e in Europa è quasi sempre la stessa singola sostituzione di una lettera, mentre in Arabia e in Africa orientale sono state trovate almeno quattro varianti diverse: la persistenza è comparsa più volte, indipendentemente. Sulle percentuali mondiali le fonti istituzionali divergono e le riportiamo tutte: circa il 65 per cento secondo MedlinePlus, circa il 68 per cento secondo il NIDDK, circa due terzi secondo una rassegna del 2020 (dati di seconda mano, e stime su popolazioni campionate in modo diverso). In Asia orientale si va dal 70 al 100 per cento, nell'Europa del nord si scende intorno al 5 per cento. Sull'Italia esistono misure vere: su 205 soggetti classificati per luogo di nascita dei nonni il malassorbimento è risultato del 52 per cento al nord, del 19 per cento al centro e del 41 per cento al sud (misurato), il che contraddice l'idea di un aumento continuo da nord a sud. Va detto anche che la meta-analisi mondiale più citata su questo argomento è stata ritirata dalla rivista nel gennaio 2025. (§12)

Si può dire che un enzima «muore»?
No, e non è una questione di parole: un enzima non è vivo, quindi non può morire. Quello che gli succede col calore si chiama denaturazione, e consiste nella rottura delle interazioni deboli che tengono ripiegata la catena: la catena polipeptidica resta intera, la sequenza degli amminoacidi è identica a prima, salta la forma. Siccome il sito attivo è fatto di pezzi di catena lontanissimi nella sequenza e avvicinati dal ripiegamento, perdere la forma vuol dire perdere il sito attivo. La denaturazione non è nemmeno sempre definitiva: l'albume dell'uovo cotto è il caso irreversibile da manuale, ma la ribonucleasi denaturata e ridotta di Christian Anfinsen, tolti i denaturanti, si ripiega da sola e recupera l'attività piena. Il freddo, alle temperature del frigorifero e del ghiaccio, non denatura: rallenta soltanto la frequenza degli urti (la denaturazione a freddo esiste ed è documentata, ma per quasi tutte le proteine cade sotto lo zero e si osserva solo in condizioni particolari), e infatti il rapporto ufficiale degli esaminatori Cambridge del giugno 2024 segnala due volte l'errore degli studenti che scrivono che gli enzimi si denaturano anche a bassa temperatura. Anche «è denaturato» detto da solo non è una spiegazione: va detto che cosa cambia nella struttura e perché questo impedisce la catalisi. (§8)

Perché lo stomaco e il pancreas non si digeriscono da soli?
Perché gli enzimi che digeriscono le proteine escono spenti e vengono accesi soltanto dove devono lavorare. La forma spenta si chiama zimogeno, ed è la stessa catena con un pezzo in più davanti che va tagliato via. Il pepsinogeno viene secreto inattivo e si attiva nel lume acido dello stomaco, dove il pH basso gli permette di tagliare se stesso e diventare pepsina. Nel pancreas il sistema è a più mandate: il tripsinogeno esce con un peptide di attivazione di otto amminoacidi, e a tagliarlo è l'enteropeptidasi, un enzima che sta nel duodeno e non nel pancreas; una volta accesa, la tripsina attiva tutti gli altri, dal chimotripsinogeno alla procarbossipeptidasi. Ci sono anche due lucchetti di riserva: la tripsina umana porta in sé un punto di autotaglio dopo l'arginina 122, che è probabilmente un meccanismo di autodistruzione, e nel pancreas c'è un inibitore proteico dedicato chiamato SPINK1. Che questi lucchetti servano davvero si vede da come vanno le cose quando saltano: l'evento iniziale della pancreatite acuta è proprio l'attivazione prematura della tripsina dentro le cellule pancreatiche invece che nell'intestino, e mutazioni di quel punto di autotaglio causano pancreatite ereditaria. (§11)

Perché tanti nomi finiscono in -asi, e che cosa significa il numero con quattro cifre?
Il suffisso -asi è la regola ufficiale, ma con eccezioni dichiarate: le regole di nomenclatura della IUBMB stabiliscono che i nomi in -ina di alcuni enzimi che tagliano le proteine restano quelli storici, e infatti si dice tripsina, pepsina e chimotripsina, non tripsinasi. Il numero con quattro cifre si chiama numero EC, dal nome della commissione per gli enzimi, e si legge da sinistra a destra: la prima cifra dice la classe, la seconda la sottoclasse, la terza la sotto-sottoclasse, la quarta è il numero d'ordine dentro quel gruppo. Le classi oggi sono sette, e qui c'è una divergenza dentro la stessa fonte ufficiale che vale la pena conoscere: la pagina delle regole della IUBMB riproduce il testo del 1992 e parla ancora di sei divisioni, mentre l'elenco ufficiale aggiornato contiene la settima classe, le translocasi, istituita nell'agosto 2018. Vale il documento aggiornato. Attenzione infine a non confondere i numeri EC con gli enzimi: un numero EC identifica una reazione catalizzata, e lo stesso numero vale per l'enzima di specie diverse. Nel file ufficiale del database ENZYME, release del 10 giugno 2026, abbiamo contato riga per riga 8.456 voci di cui 6.965 valide (conteggio nostro sul file, non stima); il manuale che parla di 10.000-20.000 enzimi noti (valore convenzionale da manuale) sta contando un'altra cosa. (§7)

Perché l'ananas fresco impedisce alla gelatina di rapprendersi, e quello in scatola no?
Perché nell'ananas fresco c'è un enzima che taglia le proteine, la bromelina, e la gelatina è proteina: è collagene demolito, e il gel sta in piedi solo se quelle catene restano abbastanza lunghe da intrecciarsi. La bromelina le taglia, e il dessert resta liquido. Lo stesso effetto lo danno la papaina della papaia e l'actinidina del kiwi, che sono proteasi della stessa famiglia. L'ananas in scatola non fa niente perché è stato pastorizzato, cioè scaldato: l'enzima è denaturato e la sua forma non c'è più. Il numero che rende concreta la fragilità: in una preparazione ricavata da bucce di ananas l'attività massima si aveva a 70 gradi, ma dopo trenta minuti di permanenza a quella stessa temperatura ne restava il 28,96 per cento, e sopra i 90 gradi l'enzima era inattivo (misurato su quella preparazione, e i valori cambiano con la cultivar e con la parte della pianta). È anche un esperimento da fare in classe con quattro provette, succo fresco, succo fresco tenuto a 70 gradi, succo in scatola e acqua come controllo. (§8)

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Errori tipici, ponte col libro di testo, ripasso

Livello: si legge a qualsiasi livello, come dichiarato nella mappa della sezione 1. Questa sezione non aggiunge nulla di nuovo: raccoglie, e serve per il ripasso e per il momento in cui la guida e il tuo libro dicono cose diverse.

Gli errori tipici, in fila

Nessuna di queste frasi è inventata per l'occasione: vengono dai rapporti ufficiali degli esaminatori (Cambridge IGCSE Biology 0610, giugno 2024; AQA A-level 7402/1 giugno 2022 e 7402/3 giugno 2018) e dagli inventari di misconcezioni somministrati davvero agli studenti (Shi e coll. 2010, oltre 700 studenti; ESICI di Bretz e Linenberger 2012, 15 domande somministrate a 707 studenti, le cui 19 misconcezioni sono elencate da Terrell e colleghi 2021; Halim e coll. 2018).


Sono ventitré, e ciascuno rimanda alla sezione che lo costruisce: la correzione da sola non basta, va capito il meccanismo.

Il ponte col libro di testo: sette divergenze dichiarate

Portale in classe con la citazione accanto, non senza.

1) Il modello chiave-serratura è del 1894, non del 1890: E. Fischer, «Einfluss der Configuration auf die Wirkung der Enzyme», Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft, vol. 27, pp. 2985-2993, 1894.
2) Maud Menten è nata nel 1879, non nel 1897 (Dictionary of Canadian Biography, voce MENTEN, MAUD LEONORA; morta nel 1960).
3) La Km è la concentrazione di substrato a metà della velocità massima; misura l'affinità solo in casi particolari (Johnson, FEBS Letters 587, 2013, pp. 2753-2766).
4) Il fattore di accelerazione va etichettato: 10^17 è misurato sulla orotidina-5'-fosfato decarbossilasi (Radzicka e Wolfenden, Science 267, 1995); 10^14 e 10^16 sono cifre convenzionali di manuale; il 10^20 non è sostenuto da alcuna misura che abbiamo potuto aprire e resta fuori.
5) Le energie di attivazione della decomposizione dell'acqua ossigenata stampate in kilocalorie non tornano nella conversione: 18,1 kcal/mol fanno 75,7 kJ/mol e coincidono con il valore senza catalizzatore; 13 kcal/mol fanno 54,4 kJ/mol, che coincide con lo ioduro (56,5) e non con il platino (49); meno di 7 kcal/mol fanno meno di 29 kJ/mol, contro gli 8,4 kJ/mol della catalasi. Sono tutti valori convenzionali dei testi di cinetica: in nessuna delle tre fonti c'è una misura primaria.
6) Le classi EC sono sette: la classe 7, traslocasi, è stata istituita nell'agosto 2018 (IUBMB, «Translocases (EC 7): A new EC Class»).
7) «Gruppo prostetico» è dichiarato non accettabile e «coenzima» fortemente sconsigliato dal Comitato di nomenclatura IUPAC/NC-IUBMB (Newsletter 2023), che raccomanda cofattore e cosubstrato. Il tuo libro li userà e la verifica te li chiederà: usali, sapendo che cosa sono.

Che cosa abbiamo escluso, e perché

Dichiararlo è metodo, non reticenza. Sono sette dati che avrebbero fatto bella figura e non sono entrati.

L'emivita di 45-50 minuti della Taq polimerasi a 95 gradi: non verificata alla fonte, e al suo posto usiamo i 9 minuti a 97,5 gradi, che è di prima mano. La media di 3,5 residui catalitici per enzima: la fonte non torna nella propria aritmetica, perché 598 diviso 178 fa 3,36, e usiamo il valore di 5,2 residui per enzima ricavato su 648 meccanismi curati a mano (Ribeiro e coll., J Biol Chem 2020). I «18 millisecondi» della decarbossilasi: circolano attribuiti a Radzicka e Wolfenden 1995, ma nell'abstract non ci sono. Il 90 per cento di formaggio prodotto con chimosina da fermentazione: trovato solo su materiale divulgativo, mai su una fonte istituzionale. Il fattore «un milione» della cascata dell'adrenalina. Il coefficiente di Hill dell'emoglobina, che non siamo riusciti ad aprire alla misura. E infine Km e kcat/Km della catalasi, dove due fonti divergono di quasi due ordini di grandezza e nessuna misura primaria è stata accessibile: della catalasi teniamo il kcat di banca dati, 2,83x10^6 s^-1 (BRENDA), e niente altro.

Dove sta questo argomento nei programmi

È la risposta da dare all'insegnante, ed è l'argomento più forte per l'esistenza di questa guida.

Nelle Indicazioni nazionali dei licei (DM 211/2010) la parola «enzimi» compare una sola volta in tutti gli allegati, e non per definirli: come strumento dell'ingegneria genetica, al quinto anno delle scienze applicate. «Catalizzatore», «catalisi» ed «energia di attivazione» compaiono zero volte. La biochimica sta al quinto anno; cinetica e termodinamica stanno al secondo biennio, in chimica; e fra i due passaggi l'enzima non è mai nominato. In tre percorsi liceali — artistico, musicale e coreutico, scienze umane opzione economico-sociale — le scienze naturali si insegnano solo nel primo biennio, quindi la biochimica non compare mai. Nelle nuove Indicazioni del primo ciclo (DM 221 del 9 dicembre 2025) la parola non compare, benché alle medie si studino fotosintesi e respirazione, che sono processi enzimatici. Nelle linee guida del primo biennio degli istituti tecnici c'è il catalizzatore e «enzima» compare zero volte. Nei quattro syllabus ufficiali del semestre filtro di medicina non compaiono mai le parole «Michaelis», «Vmax» né «allosterico», contrariamente a quanto scrivono molti siti di preparazione ai test. Il punto del sistema scolastico italiano in cui gli enzimi sono trattati più esplicitamente è il quinto anno degli istituti tecnici a indirizzo chimico e biotecnologico, dove nomenclatura, classificazione, meccanismo e cinetica sono contenuto d'obbligo.

Il ripasso, riga per riga

Ventuno nomi di enzima incontrati in quattro guide di questo sito, mai definiti (§1). Una reazione favorita se ne sta ferma per via della barriera (§2). Il catalizzatore abbassa la barriera e non si consuma (§3). Quanto accelera si misura, e le unità sono U e katal (§4). Il sito attivo è una conca minuscola sulla superficie del gomitolo, e la specificità nasce da lì (§5). La catalisi si fa con mestieri chimici precisi, e con l'aiuto di cofattori e cosubstrati (§6). Ci sono voluti da Payen 1833 a Cech 1982 per capirlo, e i nomi si numerano a quattro cifre (§7). La campana di temperatura è una descrizione operativa, non una legge di natura (§8). Km, Vmax e kcat dicono tre cose diverse (§9). Un enzima si spegne in modi che si distinguono dai parametri, non dal luogo di legame (§10). Un enzima già presente può essere comandato in quattro modi (§11). Un enzima guasto si guasta in tre modi diversi, e si legge nelle analisi del sangue (§12). Le domande frequenti della sezione 13 le abbiamo previste noi, e quando arriveranno le vostre prenderanno il loro posto. E quando il libro dice altro, la ragione è quasi sempre una delle tre qui sotto (§14).

Perché il libro e questa guida divergono

Non perché uno dei due sia distratto. Quasi sempre la ragione è una di tre: uno dà un valore misurato e l'altro un valore rappresentativo; oppure i due usano la stessa parola con due definizioni diverse; oppure il manuale riproduce un testo scritto prima di un aggiornamento. Il terzo caso è quello delle classi EC, e la divergenza è perfino interna alla stessa fonte ufficiale, perché la pagina delle regole IUBMB riproduce ancora il testo del 1992 con sei divisioni mentre l'elenco aggiornato ne conta sette.

Il caso più chiaro da spiegare è l'anidrasi carbonica. Un manuale classico dà 600.000 giri al secondo (valore convenzionale da manuale, tabella 8.6 di Stryer). Per l'anidrasi carbonica II umana si riporta 1,4x10^6 s^-1 (valore di manuale: la misura primaria, Khalifah 1971, non l'abbiamo aperta). L'anidrasi carbonica più veloce conosciuta è quella del batterio termofilo Sulfurihydrogenibium azorense, con 4,40x10^6 s^-1 misurati a 293 K e pH 7,5. Non è che il manuale sbagli: il numero di turnover dipende dal pH, dalla temperatura, dall'isoforma e dall'organismo, e il manuale sceglie un valore rappresentativo. Dirlo esplicitamente vale più del numero stesso.

Vale però anche il contrario, e cioè che il libro si discute. Su tre punti — la data del modello della chiave-serratura, la definizione di Km, il numero delle classi EC — la fonte ufficiale dice altro, e va detto, con la citazione in mano.

Esercizio 40 — Il tuo manuale contro questa guida

Testo. Trova nel tuo libro almeno due dei sette punti di divergenza elencati qui. Per ciascuno scrivi tre righe da mostrare all'insegnante: che cosa dice il libro, che cosa dice la fonte ufficiale, e perché non è un errore di distrazione.

La mossa che sblocca. Non dire mai «il libro sbaglia». Di' quale delle tre situazioni è: valore rappresentativo contro valore misurato, stessa parola con due definizioni, oppure testo scritto prima di un aggiornamento.

Errore tipico. Portare in classe la conclusione senza la citazione: senza il riferimento bibliografico accanto alla data o al numero, chi ascolta conclude che a sbagliare sei tu.

Esercizio 41 — Dieci frasi da correggere

Testo. Scegli dieci righe della tabella degli errori tipici, coprine la colonna centrale e riscrivila da solo. Per ciascuna, la correzione in una riga e il numero della sezione che la costruisce.

La mossa che sblocca. Correggi sempre dicendo che cosa succede al posto dell'errore, non solo che l'errore è un errore. «Non è vero che l'enzima muore» non basta: si denatura, e va detto che cosa si rompe.

Errore tipico. Correggere «è denaturato» con «si è denaturato». Non è una correzione: la richiesta è di dire che cosa cambia nella struttura terziaria, che cosa succede al sito attivo e perché questo impedisce la catalisi.