Il Tunneling Quantistico negli Enzimi: quando la biologia sfrutta le scorciatoie della fisica

Questo è il terzo di una serie di quattro articoli dedicati al sorprendente ruolo della meccanica quantistica nei sistemi biologici.

Se ti sei perso i primi due, puoi recuperarli qui e qui.

Gli enzimi sono i grandi acceleratori della vita. Senza di loro, le reazioni chimiche nelle nostre cellule sarebbero così lente da risultare inutili. Ma come riescono a essere così straordinariamente efficienti? La risposta, almeno in alcuni casi, potrebbe arrivare dalla meccanica quantistica. E più precisamente da un fenomeno affascinante: il tunneling quantistico.

Una scorciatoia quantistica

Per capire cos’è il tunneling quantistico bisogna partire da un’immagine semplice: c’è una pallina che sta rotolando verso una collina. Se la pallina ha abbastanza energia, la supera. Se non ce l’ha, si ferma.

Nel mondo quantistico le regole sono diverse: la pallina può sparire da un lato e riapparire dall’altro, come se avesse attraversato un tunnel invisibile. È il cosiddetto effetto tunnel, un comportamento bizzarro ma reale, tipico delle particelle più leggere, come protoni ed elettroni.

Questo fenomeno è stato osservato e descritto in contesti fisici, ma negli ultimi decenni ha iniziato ad attirare l’attenzione anche nel campo della biochimica. Alcuni enzimi sembrano in grado di sfruttare il tunneling quantistico per catalizzare reazioni con una velocità che sfida le leggi della chimica classica.

Cosa succede dentro un enzima?

Tradizionalmente, si spiega la catalisi enzimatica con l’abbassamento dell’energia di attivazione della reazione chimica. In poche parole, l’enzima agisce come un facilitatore: lega i reagenti, li orienta correttamente e li aiuta a trasformarsi nei prodotti. Un modello efficace, ma che in certi casi non basta a spiegare la rapidità osservata.

Alcuni studi mostrano che, in reazioni specifiche, i protoni o gli elettroni coinvolti nel processo non “scalano” la barriera energetica, ma la attraversano direttamente. Questo permette una velocità di reazione molto superiore a quella prevista dai modelli termodinamici classici.

Le particelle leggere passano prima

Il tunneling è più probabile per particelle piccole e leggere. Protoni, elettroni e ioni idruro sono i candidati ideali proprio perché la loro natura ondulatoria favorisce il passaggio attraverso le barriere. Questo rende il fenomeno particolarmente rilevante per alcune reazioni biologiche, dove il trasferimento di un protone è spesso il passaggio chiave.
Oggi la ricerca si sta concentrando sull’osservazione sperimentale di questi fenomeni in diversi tipi di enzimi, combinando tecniche avanzate come la cristallografia, la spettroscopia e le simulazioni computazionali. L’obiettivo? Comprendere quanto sia diffuso questo “trucco quantistico” nei processi vitali.

Perché ci interessa?

Capire il ruolo del tunneling quantistico nella biologia non è solo una curiosità teorica. Potrebbe rivoluzionare la progettazione di enzimi artificiali, l’ingegneria di farmaci, e persino offrire nuovi strumenti per la medicina e la biotecnologia. Se la natura usa la fisica quantistica per essere più efficiente, possiamo farlo anche noi.

Per approfondire
• Vol’kenshtein M.V. et al. (1972). The theory of enzyme catalysis. Molecular Biology, 6(3), 347–53.
• Garcia-Viloca M. et al. (2004). How Enzymes Work: Analysis by Modern Rate Theory and Computer Simulations. Science, 303(5655), 186–195.
• Klinman J.P., Kohen A. (2013). Hydrogen tunneling links protein dynamics to enzyme catalysis. Annual Review of Biochemistry, 82, 471–96.
• Masgrau L. et al. (2006). Atomic description of an enzyme reaction dominated by proton tunneling. Science, 312(5771), 237–241.