Enzimologie Aplicată

Introducere

Considerată astăzi de mulţi specialişti ca ştiinţă de sine stătătoare, enzimologia are numeroase implicaţii practice în cele mai diverse domenii ale activităţii umane: medicină, industrie (alimentară, textilă şi de medicamente), chimie analitică etc. În acelaşi timp, studiul enzimelor sub toate aspectele prezintă o importanţă deosebită din punct de vedere fundamental, contribuind la înţelegerea mecanismelor moleculare ce stau la baza transformărilor metabolice din celula vie şi la dezvoltarea altor ştiinţe moderne şi domenii interdisciplinare cum ar fi biologia moleculară, genetica şi ingineria genetică, microbiologia, fiziologia animalelor, plantelor şi microorganismelor, biotehnologia şi altele.

I. SCURT ISTORIC AL DEZVOLTĂRII ENZIMOLOGIEI

Încă din antichitate se cunoşteau diferite procese de transformare realizate de către organismele vii, în special microorganisme (obţinerea vinului, oţetului, pâinii etc.). Mult timp însă, mecanismele moleculare ce stau la baza acestor procese, locul şi rolul enzimelor în desfăşurarea lor au rămas total necunoscute. Chiar şi astăzi, multe mecanisme de acţiune ale enzimelor precum şi unele procese biochimice rămân încă neelucidate.

Primele noţiuni ştiinţifice de enzimologie apar la începutul secolului XIX însă dezvoltarea rapidă a acestei ramuri a biochimiei s-a realizat abia în ultimele decenii. Ţinând cont de multitudinea proceselor biochimice neelucidate încă, precum şi de importanţa practică imensă a enzimelor (acestea constituind obiectul de studiu al unuia din domeniile prioritare ale biotehnologiei) se poate afirma cu certitudine că şi în secolul XXI enzimologia va cunoaşte o dezvoltare spectaculoasă.

Primele date ştiinţifice ce au condus mai târziu la definirea noţiunii de enzimă au apărut în 1833 când Persoz şi Payen obţin un “principiu activ” din extractele apoase de germeni de orz, capabil să hidrolizeze amidonul. Prin precipitări repetate cu etanol, autorii reuşesc să îl purifice sub forma unei pulberi, numind preparatul obţinut diastază (gr. = separare).

După formularea conceptului de cataliză de către Berzelius în 1834-1837, acesta sugerează că diferite fenomene biologice cum ar fi digestia şi fermentaţia pot fi realizate de unii catalizatori specifici lumii vii. În perioada imediat următoare, această teorie a fost confirmată prin descoperirea pepsinei gastrice, a emulsinei din migdale, lipazei şi tripsinei pancreatice, invertazei din drojdii şi a altor enzime. Pentru toate aceste substanţe, Khun propune în 1877, denumirea de enzimă care, în limba greacă înseamnă “în drojdii”. În perioada respectivă se mai utiliza şi termenul de ferment (de la latinescul ferveo = fierbere), însă primul termen a fost treptat acceptat de marea majoritate a cercetătorilor.

În 1860 începe o dispută ştiinţifică între Pasteur şi Liebig, nerezolvată timp de 37 de ani. În această dispută, Pasteur susţinea noţiunea de fermenţi organizaţi, atribuită celulelor microbiene integre capabile să realizeze procese fermentative, în timp ce Liebig utilizează noţiunea de ferment solubil pe care o atribuie principiului activ sintetizat de celulele vii şi nu celulelor intacte. Teoria lui Liebig a avut câştig de cauză, fiind confirmată în 1897 de către fraţii Büchner care au demonstrat că extractul acelular obţinut din celule de Saccharomyces cerevisiae păstrează întreaga activitate catalitică a celulelor din care a fost obţinut.

La sfârşitul secolului XIX apare şi prima teorie asupra mecanismului de acţiune a enzimelor şi anume teoria lacătului şi a cheii elaborată de Fischer, conform căreia, în procesul catalitic, enzima recunoaşte substratul datorită unei similitudini structurale între molecula substratului şi centrul activ al enzimei, această asemănare fiind comparată cu cea existentă între un lacăt şi cheia lui.

Chiar şi după elaborarea acestei teorii, structura chimică a enzimelor a rămas foarte mult timp neelucidată. Astfel, ediţia din 1929 a Enciclopediei Britanice arată că “enzimele par a fi proteine, dar aceasta nu este sigur”.

În primii ani ai secolului XX se pun bazele cineticii enzimatice prin cercetările lui Henri şi Brown, iar în 1913 se realizează prima exprimare matematică a cineticii reacţiilor enzimatice cu un singur substrat de către Michaelis şi Menten. Studiile de cinetică enzimatică au fost ulterior dezvoltate prin cercetările unor biochimişti de frunte ai lumii: Haldane, Lineweaver, Burk, Chance, Theorel, Dixon, Webb şi alţii.

Studiul structurii chimice a enzimelor a fost posibil abia după elaborarea metodelor de izolare şi purificare a proteinelor în general şi a enzimelor în special, din sursele biologice.

Din acest punct de vedere, o importanţă deosebită o prezintă separarea, purificarea şi cristalizarea ureazei de către Sumner în 1926 şi demonstrarea structurii ei proteice. A urmat o perioadă de intense cercetări când au fost cristalizate pepsina, tripsina, chimotripsina etc. După 1940, în paralel cu cercetările de cinetică enzimatică, în aproape toate laboratoarele din lume s-au efectuat experimente privind separarea şi purificarea enzimelor din cele mai diferite surse biologice, atât de natură microbiană cât şi vegetală şi animală.

Sfârşitul secolului XX este marcat de apariţia şi dezvoltarea unei noi direcţii de cercetare în enzimologie cu largi implicaţii în biotehnologie – imobilizarea enzimelor, organitelor celulare şi a celulelor întregi pe suporturi solide. Biocatalizatorii heterogeni astfel obţinuţi şi-au găsit deja largi aplicaţii în medicină, industria alimentară şi de medicamente, chimia analitică, epurarea apelor reziduale şi alte domenii ale activităţii umane