Enzimi - Unife

G. Enzimi
Sono catalizzatori biologici,
alcuni dei quali agiscono su
substrati specifici.
Gli enzimi possono essere
utilizzati per aiutare i
conservatori, ma sono anche
strumenti essenziali dei
microrganismi nell’attacco
ed assimilazione
dei vari materiali.
Enzimi nel
biodeterioramento e
nella conservazione
Cosa sono gli enzimi?
Sono proteine, polimeri composti di aminoacidi,
prodotti da tutti gli organismi viventi.
Agiscono come catalizzatori in tutte le reazioni
delle cellule di piante, animali, uomo e
microorganismi. Normalmente necessitano di
ACQUA per la loro attività.
Gli enzimi sono essenziali per
tutti i processi metabolici ma
non sono in grado di
autoprodursi e si distinguono
dalle altre proteine
per la loro attività catalitica.
Cosa fanno gli enzimi?
Sono molecole proteiche naturali che agiscono come
catalizzatori ad elevata efficienza nelle reazioni
biochimiche.
Un catalizzatore è un facilitatore delle reazioni,
che avvengono molto più velocemente in sua
presenza e non cambia dopo la fine della reazione.
Alcune razioni sono velocizzate in presenza di enzimi (es. in
circa 24 ore in assenza mentre in 4 ore in presenza
dell’enzima).
Gli enzimi sono specifici: ognuno catalizza un ristretto range
di reazioni – spesso una sola.
Il primo step è la formazione di un complesso tra il
substrato e l’enzima.
Nel campo del biodeterioramento gli
enzimi sono normalmente dei NEMICI
Essi catalizzano la digestione di:
•
•
•
•
proteine – es. Pelle, uova usate nella pitture a tempera
grassi – es. olii
zuccheri – es. cellulosa (carta)
polimeri – es. vernici, plastica
Nella vignetta è scritto che
questo libro della biblioteca deve
essere restituito prontamente.
Sembra che i funghi la possano
distruggere grazie alla presenza
di enzimi cellulosolitici!
Ma a volte gli enzimi lavorano PER noi: ci
sono alcuni esempi in tutto il mondo
• Sostituiscono gli acidi nel settore di
trasformazione dell’amido
• Sostituiscono acidi, alcali e agenti
ossidanti nella fabbricazione dei tessuti;
• Rimuovono il perossido di idrogeno dai
tessuti prima della tintura;
• Riducono l'impiego di solfuri nelle concerie;
• Sostituiscono la pomice per "jeans stone
wash", e quindi riducono i rifiuti
("biostoning");
• Predigeriscono cibi per animali per
aumentare l’efficienza di conversione in
carne;
• Agiscono come smacchiatori-detersivi
biologici nei prodotti per il bucato
Enzimi nei detersivi
Proteasi
Amilasi
Lipasi
Cellulasi
Rimuovono macchie di
natura proteica –
sangue, uova
Rimuovono le macchie di
amido – patata, riso,
crema pasticcera
Rimuovono le macchie
grasse – olio, burro,
rossetto
Ammorbidiscono e
rischiarano i tessuti,
eliminando la sporcizia
intrappolata nelle fibre.
Poichè gli enzimi sono
così importanti è
necessario conoscere
quali sono le loro
attività e come si
possono controllare.
Che tipi di enzimi ci sono?
• Gli enzimi vengono classificati in base ai composti
sui quali agiscono: le proteasi attaccano le
proteine, le cellulasi la cellulosa, le lipasi
trasformano i grassi in glicerolo e acidi grassi, le
amilasi gli amidi in zuccheri semplici.
• Alcuni enzimi agiscono su un vasto range di
substrati (es. le proteasi), mentre altri sono meno
specifici (es. collagenasi, che idrolizza il collagene
della pelle e cheratinasi, che attacca la cheratina
delle piume).
• Solo gli enzimi di vecchia scoperta non finiscono in
“asi” – es. rennina, pepsina, tripsina.
Cosa condiziona l’azione
degli enzimi ?
• Condizioni fisico-chimiche - come
temperatura, pH e forza ionica.
• Tutti gli enzimi hanno un OPTIMUM
di temperatura e pH, al di fuori del
quale sono meno (o per nulla)
efficienti.
• Possono essere inibiti (o distrutti) da
talune sostanze chimiche.
Effetti della temperatura
Molti enzimi animali hanno un optimum di temperatura
intorno ai 37oC e sono rapidamente denaturati (distrutti)
a 40oC. Agiscono debolmente a temperatura ambiente e
possono essere conservati a 4oC. Per gli enzimi microbici
invece i valori sono molto più vari.
Effetti del pH
Il valore ottimale del pH varia molto tra gli enzimi.
La lipasi dello stomaco ha un optimum a 4-5, mentre
quella del pancreas a pH 8.
L’optimum pH degli enzimi microbici non è
necessariamente uguale a quello della crescita cellulare.
Inibitori degli Enzimi
• Possono essere specifici o non-specifici.
Poiché l'enzima deve reagire con il suo
substrato, tutto ciò che "sembra" substrato
reagisce con l'enzima e così inibisce il vero
substrato.
• Questa è l’inibizione specifica - gli enzimi
che agiscono su altri substrati non sono
coinvolti.
• Si chiama "inibizione competitiva", perché
l'inibitore compete con il substrato.
Inibizione competitiva dell’enzima
REAZIONE
Enzima
Substrato
Enzima rilasciato
Complesso Enzima-substrato Substrato degradato
INIBIZIONE
Inibitore
Substrato bloccato dalla reazione con l’enzima
Inibizione non-specifica
dell’enzima
• Calore (come abbiamo già visto!!)
• Le sostanze chimiche che reagiscono
con l'enzima cambiano la sua
configurazione – ad esempio i solventi.
• Poiché tutti gli enzimi sono proteine,
molte di queste sostanze agiscono su
tutti gli enzimi. Questa è "l'inibizione
non-competitiva".
Inibizione non-competitiva dell’enzima
L’inibitore causa un
cambiamento nella
conformazione
dell’enzima che
previene la
formazione di un
legame col
subbstrato. Due
esempi:
1
Inibitore
Enzima
Substrato
2
L’Inibitore non
reagisce (ma induce
un cambiamento) nel
sito di legame del
substrato e quindi
blocca il legame col
substrato.
?
Denaturazione
dell’inibitore che
cambia la forma della
proteina (enzima)
Si possono usare le conoscenze sull'azione degli
enzimi per cercare di prevenire il degrado ed il
deterioramento di materiali importanti.
Se non si può fermare la crescita dei
microrganismi si potrebbero inibire gli enzimi
che causano il danno.
Questa parte della conservazione non è stata
ancora sviluppata adeguatamente ma
rappresenta forse il futuro!!
C'è un ulteriore tipo di inibizione degli enzimi,
ma è improbabile che possa essere utile per
questi scopi:
“Inibizione del Substrato”
• A volte può succedere che l'enzima
venga "inondato" da grandi quantità di
substrato, allora non può agire.
• L'unico modo per aumentare la sua
attività è di aumentare la quantità di
enzima (o di ridurre la quantità di
substrato).
• Ricordate che il substrato deve essere
in soluzione perchè l'enzima possa agire
su di esso: un blocco di legno massello
non è "sommerso" dalla Cellulasi!!
Ora che conoscete un pò più
gli enzimi diamo un'occhiata a
come questi influenzano il
mondo dell’arte e dei beni
culturali
In primo luogo, i loro effetti
NEGATIVI biodeterioramento e
biodegradazione
Sculture in cera di Degas alla
National Gallery of Art di Washington
Più del 50% dei batteri in coltura produce enzimi in grado
di attaccare la cera (lipasi), quasi il 60% produce enzimi
che possono digerire l’amido (amilasi) e il 24% produce
entrambi i tipi di enzimi. Nelle sculture sono presenti sia le
cere sia gli amidi…..
La contaminazione da funghi su questa pellicola
fotografica ha portato alla rottura della gelatina
da parte degli enzimi della gelatinasi fungina.
Indirettamente gli enzimi sono anche responsabili
della corrosione dei metalli. Questo foglio di alluminio
mostra la presenza di ife fungine.
Il metabolismo cellulare (con la produzione di
ENZIMI) ha portato al rilascio di acidi organici,
concentrati sotto i filamenti, che hanno causato la
corrosione.
Verranno forniti specifici esempi di
enzimi che causano biodeterioramento
nei seguenti moduli:
•
•
•
•
Legno - cellulasi e lignina
Tessili - cellulasi, proteasi e lipasi
Vetro - enzimi manganese-ossidanti
Film fotografici - gelatinasi, cellulasi,
esterasi, lipasi, proteasi
• Muffe all'interno degli edifici - una vasta
gamma di enzimi prodotti da funghi.
Ora il modo POSITIVO
– uso degli enzimi nella
conservazione.
Enzimi “non processati”
La Saliva umana è usata da sempre per rimuovere macchie
difficili da materiali sensibili come i quadri. Non c'è stato
alcun particolare studio scientifico ma, ovviamente, gli
enzimi della saliva (lipasi, proteasi) sono efficaci.
.
Qui la saliva viene utilizzata per eliminare i segni su una
pittura acrilica. La parte sul lato destro è già stata
pulita..
Vantaggi e svantaggi di talune
soluzioni (naturali) di enzimi
• Gli enzimi si trovano in soluzione alle giuste
condizioni per l'attività - pH, ecc - senza il
nostro intervento
• Sono a buon mercato
MA:
• Non vi è alcuna standardizzazione. Non
sappiamo che cos’è esattamente la soluzione.
Ad esempio la saliva varia da persona a
persona. Materiali sconosciuti vengono aggiunti
alla pittura e questi possono avere effetti
negativi. Un problema potenziale è che le
proteine e gli zuccheri nella saliva possono
aumentare la crescita microbica.
Enzimi nella cellula
microbica
• Il batterio Pseudomonas stuzeri è
stato utilizzato per avviare la
degradazione della resina organica,
in parte lasciata sulla superficie
dell'affresco Conversione di S.
Efisio e Battaglia del 14 ° secolo.
Dopo il trattamento con i batteri,
per completare il processo, è
stato utilizzato un cocktail misto
di isolati degli enzimi proteasi e
collagenasi
Enzimi estratti da cellule viventi
(che possono essere
microorganismi):
• Collagenasi - utilizzata per la rimozione
di colla animale
• Proteasi e amilasi per la rimozione di
colle e dimensionamento degli agenti di
carta
• Gli enzimi possono essere utilizzati sia in
soluzione acquosa sia come pasta o gel.
In entrambi i casi i residui dell'enzima, o
dei suoi prodotti, devono essere rimossi
dopo il trattamento, col lavaggio o con
strategie alternative
Gel o liquidi?
• Gel:
Applicazione controllata
Facilità di diffusione
omogenea su un'area
selezionata
La rimozione richiede
un'azione meccanica
che potrebbe
danneggiare la
superficie
• Liquidi:
Più economici e facili da
usare
Difficili da distribuire
uniformemente
Hanno una maggiore
diffusione sull'oggetto.
Alcuni solventi per la
rimozione delle vernici
penetrano nel dipinto
solo circa 10 millimetri
al secondo e possono
rapidamente essere
rimossi dal sito d’azione
Rimozione degli enzimi dopo
trattamento della carta
• Acqua (almeno 2 lavaggi)
• Tampone - acetato o fosfato,
generalmente più efficace
• Alcool - non è meglio del tampone verso
2 amilasi
• I danni provocati da piccole quantità di
enzima residuo (circa l'1%, equivalente a
toccare la superficie 10 volte con un
dito) non sono stati quantificati.
• Gli enzimi non continuano a lavorare a
lungo, ma loro, o i loro resti, possono
influenzare negativamente il materiale.
Conclusioni
Gli enzimi possono lavorare per noi o contro di noi.
Se vogliamo impedire la loro attività o usarli per i nostri scopi è
necessario sapere come agiscono e quali sono le condizioni
necessarie per un’attività ottimale.
Se si utilizza un preparato enzimatico per la pulizia la
mancanza di efficienza può essere dovuta a una non corretta
applicazione delle condizioni fisico-chimiche o alla presenza di
una sostanza che influenza l'azione degli enzimi (vedi
diapositive su azione enzimatica e inibizione).
Se si desidera prevenire la biodegradazione può essere
efficace modificare le condizioni ambientali ma ricordate che
impedendo la crescita microbica non necessariamente si
interrompe l'attività enzimatica correlata.
I processi di decomposizione continueranno fino a quando gli
enzimi liberi non verranno inattivati!!!
Fine Modulo G: Enzimi