Gli enzimi: prospettiva storica

La grande varietà di reazioni biochimiche che cooperano al mantenimento della vita sono praticamente tutte mediate da una serie di catalizzatori biologici fondamentali, noti come enzimi. Le caratteristiche più importanti di questi catalizzatori sono:
Velocità di reazione elevate: la velocità delle reazioni catalizzate enzimaticamente sono più elevate di quelle delle reazioni non catalizzate di un fattore che può variare da 106 a 1012;
Condizioni di reazioni moderate: le reazioni catalizzate enzimaticamente avvengono in condizioni relativamente moderate, la temperatura è al di sotto dei 100 °C, la pressione è atmosferica e il pH è pressoché neutro;
Elevate specificità della reazione: gli enzimi hanno un elevatissimo grado di specificità sia nei confronti dell'identità chimica dei loro substrati (reattanti), sia per quella dei prodotti;
Capacità di regolazione: l'attività catalitica di molti enzimi varia in funzione alla concentrazione di sostante diverse dai loro substrati. I meccanismi di questi processi di regolazione comprendono il controllo allosterico, la modificazione covalente degli enzimi e variazioni nella quantità di enzima sintetizzato.
L'inizio della storia dell'enzimologia, lo studio degli enzimi, coincide in gran parte con la storia della biochimica; queste due discipline si sono evolute insieme a partire dagli studi sulla fermentazione e sulla digestione condotti nel diciannovesimo secolo. Si è soliti datare l'inizio della ricerca sulla fermentazione nel 1810, quando Joseph Gay-Lussac stabilì che l'etanolo e la CO2 erano i principali prodotti della decomposizione dello zucchero da parte del lievito. Nel 1835, Jacob Berzelius, nella prima teoria generale sulla catalisi chimica, stabilì che un estratto di malto, conosciuto come diastasi (oggi si sa che contiene α-amilasi) catalizzava l'idrolisi dell'amido. Il termine “enzima”, però, fu coniato soltanto nel 1878 da Fredrich Wilhelm Kuhne, per enfatizzare che nel lievito vi era qualche cosa che catalizzava le reazioni della fermentazione. Successivamente, nel 1897, Eduard Buchner ottenne un estratto cellulare che poteva sintetizzare l'etanolo a partire da glucosio (fermentazione alcolica). La scoperta di Emil Fischer, nel 1894, che gli enzimi glicolitici possono distinguere tra stereoisomeri, portò alla formulazione dell'ipotesi della serratura e chiave: la specificità di un enzima (la serratura) per il suo substrato (la chiave) deriva dalle loro forme geometriche complementari. La composizione chimica degli enzimi non fu però definitivamente stabilita fino a questo secolo. Nel 1926, James Sumner, che cristallizzò per la prima volta un enzima, l'ureasi che catalizza l'idrolisi dell'urea in ammoniaca e anidride carbonica, dimostrò che questi cristalli contenevano una proteina. Comunque, la natura proteica degli enzimi non fu generalmente accettata fino alla metà degli anni '30, quando John Northrop e Moses Kunitz stabilirono che esisteva una correlazione diretta tra l'attività della pepsina, della tripsina e della chimotripsina, tutte in forma cristallina, e la quantità di proteina presente. L'esperienza enzimologica ha poi ampiamente dimostrato che gli enzimi sono proteine. Nel 1963 fu resa nota per intero la prima sequenza amminoacidica di un enzima, la ribonucleasi A del pancreas bovino e nel 1965 si ottenne, sempre per la prima volta, una struttura a raggi X di un enzima, cioè del lisozima dell'albume dell'uovo. Da allora sono stati purificati e caratterizzati circa 2000 enzimi, numero che sta rapidamente crescendo.