Reacțiile Enzimatice

SCURT ISTORIC

Reacţiile enzimatice au fost folosite din timpurile cele mai vechi pentru fabricarea vinului, a oţetului, a berii şi a brânzei dar explicaţia mecanismului acestor procese complexe, rolul şi locul enzimelor în transformările substan¬ţelor celulare au fost mult timp necunoscute, multe mecanisme şi procese biochimice rămânând neclare şi astăzi.

O cercetare sistematică a lor a fost întreprinsă abia în epoca modernă. În 1713, Réaumur a observat dizolvarea cărnii în sucul stomacal al ciorii. De asemenea, fiziologul Spallanzani (1783) a hrănit animalele cu bucăţi de carne învelite în reţele de sârmă şi a observat dizolvarea cărnii în stomac.

Stahl, fondatorul teoriei flogisticului, explică fermenaţia ca un proces în care una din substanţele prezente transmite „mişcarea sa internă” substanţei care fermentează (1697). În 1680, van Leeuwenhoeck a observat la microscop celulele drojdiei de bere, dar această descoperire nu a fost luată în seamă timp de două secole. Lavoisier (1789) a făcut un bilanţ de materiale al fermentaţiei, arătând că oxigenul, hidrogenul şi carbonul din zahăr se regăsesc în alcoolul şi bioxidul de carbon ce iau naştere. Continuarea acestor idei a condus la ecuaţia lui Gay-Lussac a fermentaţiei alcoolice.

După ce Kirchoff a observat, în 1820, că o componentă glutinoasă din bobul de orez încolţit, numit malţ, transformă cantităţi de amidon mult mai mari decât propria sa greutate, într-un zahăr solubil, maltoza, Dubrunfaut a găsit, în 1830, că extractul apos, limpede, de malţ are aceeaşi acţiune solubilizantă asupra amidonului ca malţul însuşi. Din acest extract, Payen şi Persoz (1833) au izolat prin precipitare cu etanol, prima enzimă, amilaza, sub forma unui material solid alb, amorf, capabil să solubilizeze o cantitate de amidon de 2000 de ori mai mare decât propria sa greutate. Aceşti autori denumesc acest preparat, care s-a dovedit a fi extrem de termolabil, diastaza de la grecescul didotabis — separare.

Un moment istoric deosebit de important este recunoaşterea clară, de către Berzelius, în 1835, a caracterului catalitic al reacţiilor enzimatice, precum şi a rolului esenţial pentru viaţa animalelor şi a plantelor jucat de aceste reacţii. Chimistul suedez Berzelius formulează conceptul de cataliză, conform căruia un catalizator măreşte viteza reacţiilor chimice şi rezultă la sfîrşitul lor, nemodificat-cantitativ şi calitativ. Berze¬lius sugerează că diferite fenomene biologice, ca fermentaţia şi digestia pot fi explicate prin prezenţa unor catalizatori biologici specifici materiei vii.Această concepţie este confirmată de izolarea primelor enzime: în 1830, Robiquet şi Boutron-Chalard au descoperit hidroliza amigdalinei, cu extract de migdale amare, iar în 1837, Liebig şi Wöhler au izolat enzima respectivă, numind-o emulsină; pepsina din sucul gastric (Schwann, 1836); tripsina din sucul pancreatic (Kühne, 1848); lipaza (Claude Bernard, 1849); invertaza (Mitscherlich, 1841; Berthelot, 1860); ureeaza (Musculus, 1882), etc.

Cagnard-Latour şi, simultan şi independent, Kützing (1838) au atribuit fermentaţia alcoolică celulelor din drojdie, considerate ca fiinţe vii, probabil de natură vegetală. În aceste observaţii îşi are originea teoria vitalistă a fermentaţiei. Susţinătorul principal al acestei teorii, Pasteur, a publicat în 1857 cercetarea sa celebră asupra fermentaţiei alcoolice, în care susţine sau sugerează că fermentaţia este un proces legat direct de metabolismul celulelor drojdiei. Liebig (1839) considera dimpotrivă că fermentaţia este o descompunere a zahărului, datorită unor vibraţii moleculare provocate de fenomenele chimice din celulele vii ale drojdiei.

În jumătatea a doua a secolului al IXX-lea, în urma lucrărilor lui Pasteur, mulţi chimişti făceau deosebire între fermenţii formaţi sau figuraţi presupuşi legaţi inseparabil de anumite elemente din celule sau chiar consideraţi identici cu celula vie, şi fermenţi neformaţi sau solubili, de tipul acelora din sucurile digestive sau din extractele apoase ale diferitelor materiale biologice. Fermenţii neformaţi sunt deci substanţe care îşi exercită acţiunea şi în afara celulei vii. Termenul enzimă, pentru a desemna fermenţii neformaţi, a fost introdus de Kühne, în 1878, de la grecescul enzyme,care înseamnă “în drojdi”, pentru toate substan’ele descoperite cu acţiune de catalizator al unei reacţii biochimice. Această denumire, în acea perioadă, la mare concurenţă cu termenii “diastază” şi “ferment”, este astăzi unanim acceptată şi utilizată de biochimişti. Termenul de “ferment” provine de la latinescul ferveo-a fierbe şi a fost introdus datorită fierberii aparente cauzate de eliberarea de CO2 în timpul proceselor fermentative. În 1860, Pasteur denumeşte “fermenţi organizaţi" însăşi microorganismele implicate în procesele fermentative, în contra¬dicţie cu Liebig care consideră „ferment solubil"-principiul elabo¬rat de celula vie şi nu celula însăşi. Celebra dispută ştiinţifică Pasteur-Liebig este rezolvată în 1897 cînd fraţii Buchner demonstrează că sucul acelular al unei culturi de Saccharomyces cerevisiae conservă în¬treaga activitate fermentativă proprie acestui microorganism. Buchner a izolat din drojdia de bere un suc liber de orice celulă şi totuşi capabil să provoace fermentaţia. Acest suc conţine deci o enzimă pe care Buchner a numit-o zimază. Aceasta este de fapt un amestec de mai multe enzime, după cum s-a dovedit mai târziu. În urma acestor descoperiri, deosebirea dintre termenii ferment şi enzimă a pierdut semnificaţia sa.

În ultimii ani ai secolului al XlX-lea, Fischer efectuînd studii asupra unor enzime hidrolitice elaborează binecunoscuta teorie a lacătului şi cheii conform căreia în cursul unei reacţii enzimatice, enzima recunoaşte structura chimică a substratului ei natural datorită complementarităţii stereo-specifice. Între enzimă şi substrat există un raport structural similar cu cel dintre lacăt şi cheia lui. Această teorie a impulsionat mult studiul substan¬ţelor înrudite structural cu substratul şi a stimulat cercetările de enzimo-iogie.

Natura chimică a enzinielor a rămas mult timp necunoscută. În edi¬ţia din 1929 a Enciclopediei Britanice se putea citi: „enzimele par a fi proteine, dar aceasta nu este sigur...". Descoperirea naturii reale a enzimelor a fost posibilă numai după perioada când chimia proteinelor a atins stadiul în care izolarea şi purificarea acestei categorii de substanţe organice a devenit o practică curentă de laborator. În jurul anului 1920, Willstatter a reuşit să purifice unele enzime utilizând diferite metode de adsorbţie selectivă. Din această perioadă începe să se contureze concepţia cu privire la natura proteică a enzimelor.