Il mistero delle origini: la catalisi enzimatica

 

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Fra le tante ricerche i cui risultati condussero Berzelius alla formulazione del concetto di catalisi quella pubblicata da L.J.Thénard nel 1818 fu certo una delle più interessanti. Il chimico francese aveva appena scoperto l'eau oxygèné, e ne aveva studiato la decomposizione ad opera dei più svariati corpi, dal platino alla fibrina; questi fenomeni lo avevano indotto a metterli in rapporto, per analogia!, con i processi di secrezione nelle piante e negli animali: "Sarebbe irragionevole pensare che sia per una forza analoga che abbiano luogo tutte le secrezioni animali e vegetali?. Non lo credo (imagine). Si comprenderebbe così come un organo, senza nulla assorbire, senza nulla cedere, possa agire costantemente su un liquido e trasformarlo in nuovi prodotti". Dopo quasi venti anni quest'immagine riecheggia in una lettera di Berzelius a Liebig: "la faccia interna dei vasi degli organi di secrezione sono ricoperti con sostanze che provocano la trasformazione dei fluidi che vi scorrono". Questa lettera fu scritta nell'aprile 1835, quando il Maestro svedese aveva appena terminato la stesura del suo rapporto sullo stato delle scienze chimiche nel 1834, rapporto che come abbiamo già visto conteneva la proposta stessa della parola catalisi. Ora, mentre mi accingo a rintracciare alcuni punti salienti del la storia del la catalisi enzimatica, è utile leggerne un altro passo: "nelle piante e negli animali viventi migliaia di processi catalitici hanno luogo fra i tessuti e i liquidi, e portano alla quantità di composti diversi della cui formazione dai comuni materiali greggi, la linfa o il sangue, non possiamo intravedere nessuna causa plausibile: in futuro probabilmente la scopriremo nella forza catalitica dei tessuti organici, di cui consistono gli organi dei corpi viventi". Con eguale enfasi, un secolo dopo, R. Willstätter scriverà: "La vita none altro che l'ordinata cooperazione di processi enzimatici" (1929), e tuttavia questo grande chimico, premio Nobel 1915, mentre affermava la suprema importanza della catalisi enzimatica per la comprensione del "fenomeno vita", sosteneva sulla struttura degli enzimi una teoria ancora del tutto divergente da quella che noi ora ammettiamo. Come vedremo questa incertezza sulla natura degli enzimi era legata ad un'altra zona d'ombra, più profonda, che nascondeva la costituzione stessa delle proteine.

Pur nella sua estrema genericità il punto di vista proposto da Berzelius si dimostrò immedia­tamente fertile. In uno dei luoghi canonici per la comprensione dei fenomeni vitali, la digestione, Theodor Schwann (1810-1882) portò un contributo essenziale con la dimostrazione dell'esi­stenza nel succo gastrico di un principio digestivo che chiamò pepsina. Era il 1836, l'anno della pubblicazione in Germania dello Jahres-Bericht di Berzelius; il giovane botanico verificò che piccole quantità di pepsina erano in grado di agire su grandi quantità di albumina, e affermò che l'azione del nuovo principio doveva essere catalitica o di contatto. Questa tesi costò a Schwann un attacco violento e indegno da parte di Liebig, che ormai al culmino del suo prestigio nel mondo scientifico tedesco sbarrò così al suo avversario ogni possibilità di camera accademica in patria. Con il trascorrere degli anni le osservazioni su nuovi "principi attivi" si accumularono: Wöhler e lo stesso Liebig nel 1837 definirono l'esistenza dell'emulsina nelle mandorle amare, Claude Bernard ottenne la lipasi dal pancreas (1849), Berthelot l'invertasi dal lievito (1856), Kühne la tripsina ancora dal pancreas (1877). A questo punto si era ormai reso necessario un nome speciale, enzima, ed esso fu proposto dallo stesso Willy Kühne nel 1878, in riferimento ai fermenti non organizzati come l'invertasi, che erano stati trovati all'interno della cellula del lievito.

Per comprendere la definizione di Kühne occorre riprendere i termini della lunga polemica che oppose Liebig (tanto per cambiare!) e Pasteur. A dire il vero era stato lo scienziato francese a sparare il primo colpo nel 1860 quando aveva affermato che "il processo chimico della fermentazione è essenzialmente un fenomeno correlativo di un atto vitale", e che tutti i suoi risultati gli sembravano "in completa opposizione ai punti di vista di Liebig e di Berzelius". Nella polemica i "fermenti organizzati" (cioè viventi) di Pasteur si contrapposero ai fermenti variamente chiamati "non organizzati" o "solubili", in riferimento a tutte le sostanze attive già isolate, che mantenevano un buon grado di attività nelle loro soluzioni acquose. I termini del contendere resistettero oltre la morte dei contendenti, fino alle ricerche di Eduard Buchner (1860-1917), che fornirono nel 1897 la base di partenza di una nuova disciplina: l'enzimologia. Le vicende di queste ricerche potrebbero servire da canovaccio per una pièce de théàtre contro i vari propagandisti del metodo scientifico perfetto.

 

All'inizio degli anni 1890 Eduard Buchner lavorava nell'Istituto di Baeyer a Monaco, dove aveva potuto installare un piccolo laboratorio per lo studio delle fermentazioni. Il fratello maggiore Hans, che sarebbe divenuto ordinario di igiene in quella città nel 1894, era un batteriologo e cercava conferma alla sua teoria che tossine e antitossine avessero origine nel protoplasma batterico. Sulla base di questa congettura (non valida), Hans chiese l'aiuto del fratello chimico per isolare le proteine del protoplasma cellulare, al fine di studiarne l'intervento nei processi immunitari. Poiché le ricerche di Eduard erano finanziate dall'Istituto di Baeyer, il nostro chimico chiese di poter seguire questa traccia, già concretatasi nello studio del succo ottenuto da cellule di lievito triturate con sabbia in un mortaio. Il permesso gli fu negato, in quanto la ricerca su un simile "sughetto" sembrò irrilevante. Così i due fratelli dovettero attendere tempi migliori.

Nel 1896 Hans Buchner decise di riprendere le ricerche nel suo istituto con Hahn, un assistente. Al momento dell'avvio delle ricerche immunologiche con il succo di lievito i due si scontrarono con l'immediata difficoltà della sua difficile conservazione. Memore delle capacita antifermentative delle generose quantità di zucchero impiegate nelle marmellate, Hans consigliò al suo assistente di aggiungere al sughetto un 40% di glucosio, ma Hahn partì per le vacanze estive, subito sostituito da Eduard Buchner, tornato da Tubingen per trascorrere presso il fratello le sue vacanze. Seguendo la ricetta del fratello Eduard preparò il succo addizionato di glucosio e ben presto si accorse che si sviluppava una vera corrente di bollicine. Dopo una lunga serie di esperienze di controllo (Hans pensava alla persistente attività di frammenti di protoplasma) i due si rivolsero nel marzo 1897 alle rispettive comunità, i medici di Monaco e chimici tedeschi. L'articolo di Eduard Buchner apparve sui Berichte con un titolo programmatico: "Fermentazione alcoolica senza cellule di lievito". La caratterizzazione della zimasi, condotta negli anni successivi dai due fratelli e da Hahn doveva diventare un paradigma per la nascente enzimologia.

Ma come ho già accennato, per molto tempo non si fu affatto d'accordo su cosa effettivamente l'enzimologia stesse studiando. A proposito delle difficoltà dell'epoca mi sembrano emblematici i contributi di Emil Fischer (1852-1919). Fin dal 1894 nel suo articolo "Influsso della configurazione sull'azione degli enzimi" Fischer aveva supposto la relazione "chiave-toppa" (SchIüssel-Schloss-Beziehung) per spiegare la specificità del rapporto fra enzima e substrato:

"Per usare un immagine, direi che l'enzima e il glucoside devono adattarsi l'uno l'altro come la chiave e la toppa, affinché possano esercitare una mutua azione chimica". Successivamente (1902) Fischer aveva ipotizzato che le proteine fossero costituite da catene di amminoacidi, legati fra di loro da un legame simile a quello esistente nelle ammidi acide, e da lui definito peptidico. Nel 1907, infine, il chimico tedesco era riuscito a sintetizzare in stadi successivi un polipeptide costituito a partire da 3 molecole di leucina e 15 molecole di glicina; in questa occasione aveva scritto: "Non si può sfuggire all'impressione che questa [unità di18 amminoacidi] sia un prodotto molto simile alle proteine". Tutti questi risultati non si erano però saldati nell'equazione enzima = proteina, per cui proprio nel 1907 Fischer animò una polemica sulla natura proteica della saccarasi, in cui negava la specificità della parte proteica e affermava la separabilità chimica della parte dotata di proprietà catalitiche. Willstätter sostenne a lungo, e con successo, questo modello di enzima, basato su una componente colloidale, non specifica, che funzionava da supporto trasportatore, e su una componente catalitica, di dimensioni molecolari ridotte, come tutte le normali molecole organiche. Uno dei "fatti"che sosteneva la teoria era la preparazione di soluzioni che mostravano ancora una particolare attività enzimatica, ma che non davano più le reazioni tipiche delle proteine. L'inizio della fine di questa teoria biocolloidale venne nel 1926 con la cristallizzazione da parte di J.B.Sumner (1887-1955) dell'ureasi, un enzima in grado di scomporre l'urea e ricavato dai legumi: segui la lenta accettazione della natura macromolecolare delle proteine, e la dimostrazione che le soluzioni di Willstätter non denunciavano la presenza di proteine per il semplice "fatto" che gli enzimi erano cataliticamente attivi a concentrazioni così basse da non poter essere rivelati con le normali reazioni di riconoscimento delle proteine.

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