CURS 12

Prof.dr.ing. Brandusa Ghiban

ENZIME

Enzimele sunt compui macromoleculari de natur proteic, produi i prezeni numai n organismele vii, cu rol de biocatalizatori ai tuturor transformrilor biochimice caracteristice metabolismului. Necesitile plastice i energetice ale organismelor vii sunt acoperite, pe de o parte, din substanele nutritive, relativ stabile chimic, iar pe de alt parte de o serie de reacii de ardere la care particip oxigenul. Apariia i evoluia fiinelor vii organizate a fost nsoit de selecionarea i perfecionarea unor mecanisme capabile s asigure o vitez mare de desfurare a proceselor biochimice, n condiii de activitate relativ menajate (soluii apoase, temperaturi joase, mediu neutru etc.). Aceast problem, a fost rezolvat n decursul evoluiei, prin apariia catalizatorilor biologici care sunt enzimele. Enzimele au rol esenial n biosinteza i biodegradarea substanelor din materia vie. In lipsa enzimelor, majoritatea reaciilor chimice din organism nu s-ar putea produce i deci nu ar mai exista procese metabolice i nici fenomene de via.

2

Bogate n enzime sunt plantulele, frunzele tinere, esuturile

meristematice, seminele n stare de germinaie, fructele. In general,

plantele tinere au un coninut mai ridicat de enzime dect plantele

adulte. Activitatea catalitic a enzimelor din organismele n cretere

este mai mare dect a celor din organismele adulte.

Dup locul unde acioneaz, se pot evidenia:

endoenzime (enzime intracelulare);

exoenzime (enzime extracelulare).

Endoenzimele, acioneaz n celulele n care s-au sintetizat. Ele

sunt lioenzime (legate mai slab n celul) i desmoenzime (legate mai

puternic n celule).

Exoenzimele, dup etapa de formare n celule, sunt eliminate n

lichidele din organism, unde i exercit activitatea catalitic. Astfel,

acioneaz de exemplu, enzimele din lichidele interstiiale, din diferite

caviti, din seva elaborat etc.

Substana asupra creia acioneaz enzimele se numete

substrat.

3

STRUCTURA CHIMIC GENERAL A ENZIMELOR

a) Enzimele monocomponente (holoproteice, proteine biocatalitice) sunt

constituite numai din proteine. Aciunea lor biocatalitic se datoreaz

anumitor fragmente din catena polipeptidic, care includ grupe funcionale

componente ale catenelor laterale ale aminoacizilor (-OH, -NH2, -SH, -COOH

etc.), constituind centrul activ sau situsul catalitic. Prin acest centru activ

enzima fixeaz substratul (l recunoate) sub forma unui complex enzim-

substrat, simbolizat E-S, i biocatalizeaz transformarea substratului.

Pentru recunoaterea i formarea complexului E-S, geometria

centrului activ trebuie s fie complementar cu cea a substratului. Blocarea

sau inactivarea centrului activ (de exemplu denaturarea proteinei) conduce la

pierderea activitii catalitice a enzimei holoproteice. In schimb, denaturarea

unei pri a proteinei, care nu cuprinde centrul activ, nu modific activitatea

catalitic a enzimei. 4

Enzimele se pot clasifica, din punct de vedere chimic n dou clase:

enzime monocomponente (holoproteice);

enzime bicomponente.

b) Enzimele bicomponente (heteroproteice) sunt constituite din: componenta proteic (apoenzim, apoferment), care determin specificitatea enzimei (o anumit secven a aminoacizior prin care enzima recunoate substratul i l fixeaz), este caracterizat prin mas molecular mare, termolabilitate etc.; componenta neproteic (prostetic, coenzim, cofactor), care determin mecanismul i viteza reaciei enzimatice poate fi: o vitamin, un hormon, un colorant, nucleotide, metale. Ea este caracterizat prin mas molecular mic, termostabilitate. n majoritatea cazurilor, aciunea catalitic a enzimelor se manifest numai n prezena unor substane speciale, denumite cofactori, care se clasific n trei grupe: coenzime sau cofermeni specifici, sunt substane organice cu mas molecular mic, termostabile i care dializeaz uor din soluiile enzimei. Coenzimele se caracterizeaz prin nsuirea lor de a reaciona reversibil cu proteina care intr n structura enzimei (apoenzima sau apofermentul); gruprile prostetice, substane combinate mult mai strns cu apoenzima, se disociaz greu i, n general, rmn fixate pe o singur apoenzim; activatorii, denumii uneori i cofactori anorganici, sunt substane nespecifice (diferite metale, ageni reductori etc.), care mediaz trecerea enzimei ntr-o stare catalitic activ. 5

Este greu de precizat o demarcaie clar ntre cele trei grupe de cofactori, clasificai dup natura i raportul lor fa de apoenzim. Multe dintre coenzime i grupri prostetice sunt de fapt derivai ai vitaminelor hidrosolubile. O mare parte dintre coenzime i grupri prostetice identificate n componena unor enzime sunt nucleotide sau derivai ai acestora. Dei n cazul enzimelor bicomponente, componenta care particip efectiv la realizarea procesului biocatalitic enzimatic este coenzima, totui, pentru manifestarea activitii enzimatice, prezena apoenzimei de natur proteic este absolut obligatorie, deoarece gruparea prostetic luat separat are slabe proprieti catalitice. In complexul format de apoenzim i coenzim (holoenzim) activitatea catalitic crete de 1000 de ori, comparativ cu activitatea catalitic a coenzimei libere. Legturile dintre apoenzim i coenzim sunt de natur diferit, variind de la o enzim la alta i pot fi: legturi covalente, legturi van der Waals etc. Datorit structurii proteice macromoleculare, enzimele au o mas molecular mare i formeaz soluii coloidale. Starea coloidal a enzimelor prentmpin difuzia lor dintr-o celul n alt celul, condiionnd o localizare strict a reaciilor biochimice n organism la nivelul diferitelor organe, esuturi, celule.

6

CARACTERISTICI ALE ACTIVITII ENZIMATICE

Enzimele, asemntor catalizatorilor chimici obinuii,

biocatalizeaz numai acele reacii metabolice posibile din punct de

vedere termodinamic (care se desfoar spontan, avnd energia

liber G < 0). Rolul enzimelor, ca i al catalizatorilor chimici, este de

a reduce energia de activare (nu modific echilibrele chimice, dar

grbete atingerea lor).

Energia de activare n cazul enzimelor este ns mult mai mic.

De exemplu, energia de activare la descompunerea apei oxigenate

conform reaciei:

2 H2O2 = O2 + 2 H2O

este diferit, n funcie de tipul de catalizator utilizat:

fr catalizator: 18 kcal/mol;

cu catalizatorul chimic FeCl3: 11,7 kcal/mol;

cu biocatalizatorul catalaz: 5,5 kcal/mol 7

Viteza reaciei enzimatice este mult mai mare dect n cazul reaciei catalizat de catalizatori chimici. De exemplu, enzima catalaza realizeaz descompunerea H2O2 de 10 miliarde de ori mai repede dect FeCI3

(ambii catalizatori au n structur cationul Fe3+). Sensibilitatea reaciei enzimatice este foarte mare, astfel o molecul de catalaz descompune 5 milioane de molecule de H2O2 ntr-un minut, la 0 0C i la pH = 6,8. Enzimele catalizeaz reacii de desfacere i formare de legturi n condiii fiziologice compatibile cu viaa. Aceleai reacii ar necesita n laborator condiii de temperatur, presiune, pH, improprii vieii. Spre deosebire de catalizatorii chimici, enzimele se caracterizeaz prin specificitate (absolut sau relativ) de substrat sau de aciune. Specificitatea de substrat absolut este proprietatea enzimelor de a aciona asupra unui singur substrat (de exemplu, ureaza catalizeaz numai descompunerea ureei). Acest tip de specificitate este determinat de o anumit secven a aminoacizilor componeni ai apoenzimei. 8

Specificitatea de substrat relativ este proprietatea enzimelor de a aciona asupra unui grup de substraturi cu structur chimic apropiat. De exemplu, maltaza catalizeaza hidroliza poliglucidelor n care componentele glucide sunt legate -glicozidic. Specificitatea de substrat poate fi: stereochimic, dac enzima catalizeaz transformarea doar a unui singur izomer din mai muli posibili (de exemplu: a izomerului trans, sau a izomerului cis; a izomerului dextrogir, sau a celui levogir). Specificitatea de substrat poate fi specificitate de legtur, dac enzima catalizeaz formarea sau scindarea unui anumit tip de legtur (peptidic, glicozidic, eteric, esteric etc.), indiferent de natura substanei care o conine. De exemplu: lipazele catalizeaz hidroliza gliceridelor indiferent de natura acidului gras component. Specificitatea de aciune absolut este caracteristica enzimelor de a cataliza o singur reacie, dintre multiplele reacii posibile. Specificitatea de aciune relativ este proprietatea enzimelor de a cataliza un anumit tip de reacie, dat de un grup de substraturi nrudite. Acest tip de specificitate a enzimelor este determinat mai ales de natura cofactorilor (gruparea prostetic, coenzima) i mai rar de natura apoenzimei. 9

MECANISMUL DE ACIUNE A ENZIMELOR. CINETICA REACIILOR ENZIMATICE

Mecanismul de aciune a enzimelor este analog cu cel al catalizatorilor

chimici. Enzimele sunt capabile s accelereze viteza de desfurare a diferitelor reacii

(micoreaz energia de activare), absolut necesare pentru meninerea i reproducerea

materiei vii. Enzimele catalizeaz numai reacii termodinamic posibile, care se pot

produce i fr participarea lor, dar ntr-un timp mai ndelungat i uneori n condiii

incompatibile cu materia vie.

Spre deosebire de catalizatorii nebiologici, enzimele au un randament mult

mai ridicat, care asigur mersul reaciei biochimice, n majoritatea cazurilor ntr-un

singur sens, fr reacii secundare. Ele prentmpin descompunerea unor substane

instabile n anumite condiii i permit realizarea unor procese chimice complexe, cu o

cantitate minim de energie.

Enzimele particip activ la procesele catalitice, parcurgnd urmtoarele

etape:

activarea moleculelor substratului (S), prin scderea energiei de activare a

acestuia, i formarea complexului intermediar disociabil, enzim-substrat (ES), mai

activ dect substratul ca atare;

transformarea complexului enzima-substrat (ES) n produsul de reacie

(procesul catalitic efectiv), mai nti legat de enzim (EP), i n final, prin eliberarea

enzimei, obinerea produsului de reacie, (P). 10

Schematic, mecanismul catalizei enzimatice,

conform teoriei etapelor intermediare, poate fi

reprezentat astfel:

E + S = ES ; ESEP ; EP P + E

sau considerat ca echilibru:

innd cont c transformarea ES EP este

practic instantanee iar reacia de transformare P + E

EP este nul (enzima fiind specific pentru substrat nu

i pentru produs), sistemul de ecuaii de mai sus devine:

i poart denumirea de echilibrul Michaelis-Menten. 11

FACTORII CARE INFLUENEAZ VITEZA

REACIILOR ENZIMATICE

Reaciei de formare i de descompunere a compusului enzim-substrat i se poate aplica legea

aciunii maselor i se poate determina astfel constanta de echilibru. Viteza reaciilor enzimatice

depinde n mare msur de concentraia enzimei i de concentraia substratului.

a) Influena concentraiei enzimei asupra vitezei reaciei enzimatice

Viteza reaciei enzimatice este direct proporional cu concentraia enzimei prezente n

mediul de reacie.

Fig. 6.1. Influena concentraiei enzimei

asupra vitezei reaciei enzimatice

12

n unele cazuri, de obicei cnd sunt prezeni n sistem i ali factori, curba care reprezint dependena vitezei de concentraia enzimei, este deviat fa de cea normal. Abaterile de la aceast comportare se pot datora prezenei inhibitorilor, folosirea unei concentraii de substrat sub limita de saturare a enzimei etc. b) Influena concentraiei substratului asupra vitezei reaciei enzimatice S-a constatat c dac se pleac de la o cantitate fix de enzim i se mrete treptat concentraia substratului, se va forma o cantitate mai mare de complex enzim-substrat, viteza reaciei va crete treptat, pn cnd toat enzima s-a combinat cu substratul. Acest stadiu reprezint momentul de saturare a enzimei, iar viteza va fi maxim (vmax). Dac se mrete n continuare concentraia substratului, viteza de reacie nu se va mri, deoarece nu exist enzim liber care s intre n reacie cu substratul. Momentul de saturare a enzimei este dificil de stabilit, deoarece acesta variaz n funcie de concentraia enzimei i de concentraia substratului. n practic, activitatea enzimatic se apreciaz dup concentraia substratului, cnd jumtate din cantitatea de enzim este combinat cu substratul sub form de complex enzim-substrat. n acest caz, viteza reaciei este jumtate din valoarea sa maxim. 13

Acest punct reprezint constanta Michaelis (KM) i reprezint concentraia

substratului pentru care viteza de reacie este jumtate din viteza maxim.

Deci, pentru v = vmax/2, rezult KM = [S].

Constanta Michaelis are valorile unor concentraii i se exprim n moli/L.

Constanta Michaelis se poate utiliza pentru a determina afinitatea enzimei fa

de substrat. Cu ct KM va avea o valoare mai mare, cu att afinitatea enzimei

fa de substrat va fi mai mic i invers. Relaia cantitativ dintre viteza

reaciei enzimatice, concentraia substratului i valoarea KM, care exprim

viteza reaciei enzimatice n fiecare moment, este dat de ecuaia Michaelis-

Menten:

Fig. 6.2. Influena concentraiei substratului

asupra vitezei reaciei enzimatice

14

Constanta lui Michaelis este o mrime important nu doar din punct de vedere al cineticii enzimatice ci i pentru msurtorile cantitative ale activitii enzimatice din esuturi. Cercetri recente au pus n eviden importana medical a constantei KM. Unele cazuri de leucemie (n care are loc o cretere enorm a numrului de leucocite) pot fi regresate prin administrarea intravenoas a enzimei asparaginaza care catalizeaz reacia de hidroliz a asparaginei la acid aspartic i amoniac. Prin injectarea intravenoas a asparaginazei (factor de cretere a leucocitelor), fenomenul de cretere a leucocitelor este stopat. Cercetrile asupra surselor de asparaginaz au demonstrat ca enzima are valori diferite ale KM n funcie de provenien (bacterii, plante, animale). Deoarece concentraia de asparagin din snge este foarte mic, cantitatea de asparaginaz injectat va avea efect terapeutic, doar dac valoarea KM va fi suficient de mic pentru a hidroliza rapid asparagina aflat n concentraii mici n snge. Activitatea enzimatic se exprim prin unitatea enzimatic, respectiv cantitatea de enzim care poate cataliza transformarea unui micromol de substrat n timp de un minut. Activitatea enzimatic n cazul enzimelor pure se determin prin numrul de molecule de substrat care pot fi metabolizate ntr-un minut de o singur molecul de enzim. Aceast mrime se numete raport de transformare (turnover number).

15

c) Influena temperaturii asupra vitezei reaciei enzimatice Activitatea enzimelor este foarte mult influenat de temperatur. Asemntor celor mai multe dintre reaciile chimice, viteza reaciei enzimatice crete cu creterea temperaturii (se dubleaz la creterea temperaturii cu 10 0C). Pentru fiecare enzim exist o temperatur la care activitatea enzimatic este maxim, numit temperatur optim (n general, cuprins ntre 20-40 0C. Pn la atingerea temperaturii optime, activitatea enzimatic crete proporional cu creterea temperaturii. Dup atingerea acestei temperaturi, activitatea enzimatic scade rapid cu creterea temperaturii, datorit denaturrii prii proteice a enzimei, acelai fenomen avnd loc la scderea temperaturii sub cea optim (fenomene utilizate n practic la pstrarea alimentelor prin fierbere sau congelare). Cele mai multe enzime sunt inactivate la temperaturi peste 55-600C, cu excepia enzimelor din bacteriile termofile (din izvoarele termale), active i peste 85 0C.

16

Unele enzime, cum ar fi ribonucleazele, i pierd activitatea la nclzire, dar i-o regsesc rapid la rcire, fapt care indic refacerea conformaiei iniiale a catenelor polipeptidice desfcute. Temperatura critic a unei enzime este temperatura la care enzima pierde jumtate din activitatea sa, n timp de o or. Temperatura optim a enzimelor variaz cu durata de expunere a acestora la o anumit temperatur. Pentru o durat de timp mai scurt, temperatura optim are valori mai mari dect pentru o perioad de timp mai lung. Aceast comportare este important deoarece reprezint un mod de adaptare a enzimelor la condiiile de mediu.

Fig. 6.3. Influena temperaturii

asupra vitezei reaciei enzimatice

17

Legarea enzimei de substrat mrete rezistena acesteia la temperaturi ridicate. Enzimele n stare uscat sau sub form cristalin rezist la nclzire pn la temperaturi de 100 0C (bobul de cereal uscat suport temperaturi mai ridicate dect acelai bob n stare umed). Temperaturile joase nu distrug activitatea enzimelor ci numai o micoreaz sau o opresc n mod reversibil. Soluiile enzimatice diluate (1%) prin congelare, urmat de topire, i mresc activitatea enzimatic, datorit eliberrii de noi centri activi din molecula enzimei, n urma proceselor de nghe-dezghe. n cazul soluiilor concentrate, activitatea enzimatic se micoreaz dup nghe, datorit formrii unor agregate moleculare care blocheaz centrii activi. Fiecrei enzime i se poate stabili o temperatur minim (ncepnd cu 0 0C) la care ncepe activitatea enzimatic, o temperatur optim, la care activitatea enzimatic este maxim, i o temperatur maxim la care activitatea enzimatic nceteaz.

18

d) Influena valorii pH asupra activitii enzimatice

Activitatea enzimelor este influenat n mod accentuat i de concentraia

ionilor de hidrogen din mediul de reacie, deci de pH. Enzimele i manifest

activitatea numai ntre anumite limite de pH (limite inferioare i limite superioare).

Cele mai multe enzime manifest activitate maxim la valori caracteristice ale pH-ului

(pH optim). Valoarea pH-ului optim depinde de natura i de originea enzimei, de

mediul de reacie, de proprietile acido-bazice ale enzimei i de factorii biologici.

Fig. 6.4. Influena valorii pH

asupra activitii enzimatice

19

n general, pH-ul optim coincide cu pH-ul lichidelor din

organism, unde enzimele i exercit activitatea. Astfel, pH-ul optim al

pepsinei din stomac este cuprins ntre 1,4-1,5; pH-ul optim al tripsinei

din pancreas ntre 7,8-8,7; al amilazei din mal ntre 4,7-5,2 etc.

Majoritatea enzimelor vegetale au un pH optim cuprins ntre 5,3-7,6. n

afara limitelor de pH stabilite, enzimele devin inactive.

Valori prea mari ale pH-ului (alcalinitate mrit) sau prea mici

(aciditate mrit), afecteaz activitatea enzimatic prin denaturarea

prii proteice sau perturbarea echilibrelor de disociere ale grupelor

funcionale ale centrului activ al enzimei, ca i modificarea geometriei

centrilor activi.

Valoarea pH-ului optim este influenat de temperatur, de ionii

din soluie, de natura i de concentraia substratului, de originea

enzimei, de factorii biologici etc.

Aciunea pH-ului asupra activitii enzimatice se explic prin

influena ionilor de hidrogen asupra gradului de ionizare a enzimei i a

substratului. Unele enzime au activitate maxim sub form nedisociat,

altele sub form disociat. 20

e) Influena activatorilor enzimatici Activatorii sunt compui chimici care mresc activitatea enzimelor (intervin n mecanismul aciunii enzimatice), fie prin stimularea direct a acestora, fie prin ndeprtarea unor inhibitori din sistem. Activatorii se clasific dup efectul produs n: Activatori care acioneaz prin deblocarea centrilor activi din molecula enzimelor. Unele enzime, denumite proenzime, sunt secretate sub form inactiv, cu gruprile active blocate (mascate) de polipeptide sau de alte substane. Proenzimele se transform n enzime active sub influena unor enzime kinaze, care ndeprteaz substanele inhibitoare. Activatori care acioneaz asupra enzimei prin nlturarea din sistem a unor inhibitori ai enzimei. Substanele, adugate unei soluii enzimatice pentru protejarea enzimei mpotriva factorilor care o inactiveaz sau o denatureaz, se numesc protectori. De exemplu, proteinele activeaz ureaza prin captarea ionilor inhibitori din sistem (de exemplu, ionul cianur (CN) nltur efectul inhibitor al Cu2+ asupra ureeazei, prin formarea cianurii complexe de cupru, stabil). Activatori care sunt componente ale enzimelor sau care stimuleaz direct activitatea acestora. Sunt activatori specifici pentru anumite enzime o serie de cationi metalici i anioni, astfel, fosforilaza este activat de Mg2+, fosfoglucomutaza de Mg2+, i de Mn2+, fosfataza de Ca2+ i de Mn2+, amilaza salivar este activ numai n prezena ionilor de clor, proteazele vegetale sunt activate de glutationul redus etc.

21

f) Inhibitori ai enzimelor Inhibitorii sunt substane care acionnd asupra enzimelor, influeneaz negativ desfurarea activitii enzimatice pn la anularea ei, reversibil sau ireversibil. Studiul inhibitorilor furnizeaz informaii utile asupra specificitii de substrat, tipului de grupe funcionale i mecanismului de aciune enzimatic. Inhibitorii ireversibili modific profund structura moleculelor enzimatice, provocnd denaturarea proteinei i deci anularea activitii catalitice a enzimei. Complexul enzim-inhibitor format, este nedisociabil, iar prin ndeprtarea inhibitorului, enzima nu-i mai recapt funcia catalitic, partea proteic fiind distrus. Astfel de inhibitori ireversibili sunt: compuii cu Pb2+, Hg2+, CN, cu CO, compuii cu arsen etc. Inhibitorii reversibili acioneaz asupra cineticii reaciei enzimatice, fr a produce modificri la nivelul structurii enzimei. Inhibiia produs de aceti inhibitori poate fi (n funcie de natura i de specificul ei) de tip: competitiv, necompetitiv i alosteric. Inhibiia competitiv rezult dintr-o competiie (pentru ocuparea situsului activ al enzimei), ntre substrat i inhibitorul care are o structur molecular asemntoare cu a substratului. Deoarece o parte din enzim se combin cu inhibitorul, se micoreaz cantitatea de enzim care se combin cu substratul i scade astfel viteza de reacie. Influena inhibitorului se poate micora prin mrirea concentraiei substratului. 22

Exemple de inhibiie competitiv: acidul malonic HOOC-CH2-COOH,

care prezint analogie structural cu acidul succinic HOOC-CH2-CH2-COOH,

poate fi inhibitor competitiv n reacia de dehidrogenare a acestuia cu

succinatdehidrogenaza (reacie din ciclul Krebs):

n afar de acidul malonic, i ali acizi dibazici (acidul oxalic, acidul

oxalilacetic, acidul pirofosforic) pot fi inhibitori competitivi ai

succinatdehidrogenazei. Inhibiia competitiv se produce i n cazul vitaminelor

de ctre antivitamine, hormoni-antihormoni, enzime-antienzime.

Inhibiia necompetitiv se caracterizeaz prin faptul c inhibitorul nu

are o structur asemntoare cu substratul. n inhibiia necompetitiv,

inhibitorul reacioneaz cu enzima, cu complexul enzim-substrat i foarte rar

cu substratul, formnd complexe inactive enzim-inhibitor (EI), sau enzim-

substrat-inhibitor (ESI). Prin formarea acestor complexe inactive (EI, ESI),

care nu conduc la formare de produs de reacie (P), viteza reaciei enzimatice

este micorat, deoarece chiar dac se mrete concentraia substratului (S),

inhibitorul nu poate fi nlturat din complexul EI.

HOOC-CH2-CH2-COOH + FAD HOOC-CH=CH-COOH + FADH2

acid succinic acid fumaric

23

Inhibiia necompetitiv se poate realiza n mai multe moduri:

Inhibiia prin blocarea sau transformarea grupelor funcionale

tiolice (-SH), centrii activi ai enzimelor, prin reacii cu metale grele (Hg, Pb,

Ag, As etc.) cu formare de mercaptide, prin reacii de oxidare sau reacii de

alchilare.

Inhibiia prin blocarea metalului din componena enzimei sau a

activatorilor din mediul de reacie. De exemplu, fluorurile i oxidanii extrag

ionii de Mg2+ i de Ca2+ din molecula enzimei, iar cianurile, H2S i CO scot

fierul din enzimele feroporfirinice.

Inhibiia prin combinarea inhibitorului cu substratul se datoreaz

scderii concentraiei substratului.

Tipul de inhibiie se poate determina dac se menine constant

concentraia inhibitorului i se modific concentraia substratului. Dac se

constat creterea vitezei de reacie cu creterea concentraiei substratului,

are loc o inhibiie competitiv, n caz contrar inhibiia este necompetitiv.

Inhibarea enzimelor se produce i prin agitare ndelungat, sub

aciunea diferitelor radiaii ionizante (UV, X etc.), la presiuni ridicate i sub

influena substanelor care determin precipitarea proteinelor (acid

tricloracetic, tanin etc.).

24

NOMENCLATURA I CLASIFICAREA ENZIMELOR

Denumirea enzimelor s-a acordat iniial, innd cont de numele substratului asupra cruia acioneaz, sau de numele reaciei catalizat, la care se adaug sufixul aza. De exemplu, enzima care biocatalizeaz descompunerea amidonului se numete amilaza cea care acioneaz asupra zaharozei se numete zaharaza etc., enzimele care biocatalizeaz reacii de hidroliz se numesc hidrolaze, cele care catalizeaz reacii de oxido-reducere se numesc oxido-reductaze etc. Odat cu creterea numrului de enzime izolate i caracterizate, pentru prevenirea confuziilor n stabilirea numelui enzimelor, innd cont c ele pot manifesta specificitate relativ (pot aciona asupra mai multor substraturi) i c asupra unui substrat pot aciona enzime diferite, a fost adoptat noua nomenclatur i sistemul de clasificare (Congresul Internaional de Biochimie, Moscova, 1961).

25

Sistemul de clasificare i numerotare a enzimelor, precum i noua

nomenclatur sistematic se bazeaz pe reacia chimic catalizat de

enzim, unicul criteriu care permite deosebirea enzimelor ntre ele. n

acest sistem enzimele sunt mprite n clase, dup tipul reaciei

catalizate, iar acestea sunt mprite n subclase care definesc mai exact

caracterul reaciei enzimatice respective. Numele fiecrei enzime se

definete printr-un termen alctuit din trei pri:

denumirea substratului asupra cruia acioneaz enzima;

denumirea tipului de reacie catalizat de enzim;

sufixul aza.

De exemplu, enzima care catalizeaz dehidrogenarea acidului

lactic se numete lactatdehidrogenaza, cea care catalizeaz decarboxilarea

acidului piruvic se numete piruvatdecarboxilaza. Denumirea

transferazelor se formeaz din prefixul trans, numele substratului i

sufixul aza (transaminaze, transmetilaze, transfosfataze etc.).

Noua clasificare prin sistemul zecimal prezint avantajul c

reaciile chimice catalizate de enzime pot fi grupate ntr-un numr mic

de tipuri de reacii. 26

Conform acestui sistem zecimal de clasificare, fiecare enzim este caracterizat printr-un cod format din patru cifre. Prima cifr precizeaz clasa din care face parte enzima. Enzimele cunoscute n prezent sunt grupate n 6 clase principale: 1. Oxidoreductaze 2. Transferaze 3. Hidrolaze 4. Liaze 5. Izomeraze 6. Ligaze (Sintetaze). A doua cifr a codului definete subclasa, furniznd informaii asupra tipului de grup funcional, respectiv asupra tipului de legtur chimic implicat n reacie. De exemplu, din clasa hidrolazelor fac parte subclasele esteraze (hidrolizeaz legtura esteric), glicozidaze (hidrolizeaz legtura glicozidic), amidaze (hidrolizeaz legtura amidic) etc. n cazul transferazelor, a doua cifr indic natura grupelor funcionale transferate; la ligaze i liaze, tipul de legturi chimice care se formeaz i se degradeaz; la oxidoreductaze se specific natura chimic a grupei funcionale supus oxidrii (alcoolic, aldehidic, cetonic etc.) iar la izomeraze se indic tipul reaciilor de izomerizare.

27

Cifra a treia precizeaz subdiviziunile din cadrul unei subclase

(de exemplu, natura unei grupe funcionale transferate, natura

acceptorului etc.). Astfel, n subclasa esterazelor exist mai multe grupe

de enzime care acioneaz asupra anumitor substraturi. De exemplu:

fosfolipazele acioneaz numai asupra fosfolipidelor, clorofilazele numai

asupra cloroglobinelor etc. n cazul oxidoreductazelor, cifra a treia

indic natura acceptorului care ia parte la reacie (NADPH+, citocromi,

oxigen molecular etc.).

Cifra a patra din cod reprezint numrul de ordine al enzimei n

subdiviziunea din interiorul subclasei. De exemplu: enzima ATP: D-

fructozo-6-fosfotransferaza, are cifrul 2.7.1.4. dup care se identific

drept o transferaz (2, clasa 2), care transfer reziduu fosfat (cifra 7,

subclasa 7), la gruparea alcoolic (cifra1, subdiviziunea 1 a subclasei 7)

i are numrul de ordine 4.

Pentru unele dintre enzime se mai pstreaz denumirile vechi,

conferite cu mult nainte de stabilirea regulilor referitoare la noua

nomenclatur (pepsina, tripsina, papaina, emulsina, chimozina etc.). 28

Este prezentat n continuare, la nivelul clasificrii n clase i subclase:

Cheia codului de numerotare i clasificare a enzimelor

1.1. Acioneaz asupra gruprilor CH-OH ale donorilor

1.2. Acioneaz asupra gruprilor aldehidice sau cetonice ale donorilor

1.3. Acioneaz asupra gruprilor CH-CH ale donorilor

1.4. Acioneaz asupra gruprilor CH-NH2 ale donorilor

1.5. Acioneaz asupra gruprii C-NH a donorilor

1.6. Acioneaz asupra NAD+ i NADP+ n form redus, ca donori

1.7. Acioneaz asupra altor compui cu azot, ca donori

1.8. Acioneaz asupra gruprilor sulfurice ale donorilor

1.9. Acioneaz asupra gruprilor hemului ca donor

1.10. Acioneaz asupra difenolilor i substanelor asemntoare lor

1.11. Acioneaz asupra H2O2 ca acceptor

1.12. Acioneaz asupra H2 ca donor

1.13. Acioneaz asupra unui singur donor cu ncorporare de oxigen (oxigenaze)

1.14. Acioneaz asupra unei perechi de donori cu ncorporarea oxigenului ntr-un singur donor (hidrolaze)

29

2.1. Transfer grupri care conin un singur atom de carbon

2.2. Transfer resturi aldehidice sau cetonice

2.3. Aciltransferaze

2.4. Glicoziltransferaze

2.5. Transfer grupri alchil sau nrudite

2.6. Transfer grupri cu azot

2.7. Transfer grupri care conin fosfor

2.8. Transfer grupri care conin sulf

3.1. Acioneaz asupra legturilor esterice

3.2. Acioneaz asupra compuilor glicozilici

3.3. Acioneaz asupra legturilor eterice (tiolice)

3.4. Acioneaz asupra legturilorilor peptidice (peptidhidrolaze)

3.5. Acioneaz asupra legturilor C-N, altele dect cele din legturile peptidice

3.6. Acioneaz asupra legturii acidoanhidridice din acizi

3.7. Acioneaz asupra legturii C-C

3.8. Acioneaz asupra legturii halogenilor

3.9. Acioneaz asupra legturii P-N

30

4.1. C-C liaze 4.2. C-O liaze 4.3. C-N liaze 4.4. C-S liaze 4.5. C-halogen liaze

5.1. Racemaze i epimeraze 5.2. Cis-trans izomeraze 5.3. Oxidoreductaze intramoleculare 5.4. Transferaze intramoleculare 5.5. Liaze intramoleculare

6.1. Particip la formarea legturilor C-O 6.2. Particip la formarea legturilor C-S

6.3. Particip la formarea legturilor C-N

6.4. Particip la formarea legturilor C-C

31

REPREZENTANI AI PRINCIPALELOR CLASE DE ENZIME

Oxidoreductaze sunt enzime care biocatalizeaz reaciile

de oxidoreducere din organismele vegetale i animale. Ele au un

rol important deoarece, prin reaciile de oxidoreducere,

organismele i procur cea mai mare parte din energia necesar

activitilor fiziologice. Reaciile de oxidoreducere se realizeaz

prin transfer de electroni i prin transfer de atomi de hidrogen.

Dup mecanismul de aciune, oxidoreductazele se

clasific n trei subgrupe:

dehidrogenaze;

transelectronaze;

oxidaze.

32

Dehidrogenaze Oxidrile biologice decurg preponderent n absena oxigenului, fiind

de fapt dehidrogenri, care au loc prin transfer de atomi de hidrogen de pe o

molecul (care se oxideaz) pe alt molecul (care se reduce). Enzimele care

catalizeaz transferul atomilor de hidrogen de la un substrat la altul sunt

dehidrogenazele. Coenzimele lor particip continuu la oxidri i reduceri, fr

s se consume n timpul reaciei. Atomii de hidrogen nu rmn legai n mod

permanent pe molecula coenzimei, ci sunt transferai printr-o nou reacie

redox pe o alt molecul.

Dup natura acceptorului de atomi hidrogen, dehidrogenazele pot fi:

dehidrogenaze anaerobe;

dehidrogenaze aerobe.

a) Dehidrogenaze anaerobe Dehidrogenazele anaerobe sunt oxidoreductaze care transport

hidrogenul n interiorul celulelor, de la un substrat donor la altul acceptor (cu

excepia O2 atmosferic). Coenzimele care realizeaz aceast transformare sunt

codehidrazele de natura piridinnucleotidic:

codehidraza I (Co I): NAD nicotinamidadenindinucleotida;

codehidraza II (Co II): NADP nicotinamidadenindinucleotida fosfat.

33

Structura chimic a NAD

Codehidrazele piridinnucleotidice au o structur dinucleotidic.

n compoziia lor intr nicotinamida (vitamina PP), dou

molecule de riboz, acid pirofosforic i adenin.

NADP-ul are n plus fa de NAD un rest de acid fosforic la

atomul C2 al ribozei legate de adenin.

34

n condiii anaerobe mecanismul transferului de hidrogen este urmtorul: Ambele coenzime (NAD i NADP) se pot prezenta n dou forme: o form redus i o form oxidat. Mecanismul reaciei de oxidoreducere implic transformarea reversibil a structurii bazei azotate nicotinamidice (NAD, respectiv NADP) din forma oxidat n forma redus, prin transferul reversibil al atomilor de hidrogen, astfel:

S-H2 + NAD+ S + NADH + H+

substrat donor

forma redus

coenzima

forma oxidat

substrat donor

forma oxidat

coenzima

forma redus

NADH + H+ + S' NAD + S'- H2 coenzima

forma redus

substrat donor

forma oxidat

coenzima

forma oxidat

substrat donor

forma redus

35

n transportul hidrogenului, rolul principal revine

nucleului piridinic. Codehidraza oxidat preia de pe substrat doi

atomi de hidrogen, pe care i fixeaz unul la C4 i unul la atomul

de N1 (structur de ion cuaternar de amoniu). Se formeaz un

produs instabil, care prin eliminarea unui proton de la N1 se

transform n forma redus. Deoarece formele oxidate au la

atomul de azot sarcina pozitiv, este corect s se scrie formula

acestor coenzime NAD+ i NADP+, iar pentru formele reduse

NADH+H+ (nu NADH2 i NADPH2).

Codehidrazele I i II pot suferi reacii de interconversiune

n prezena ATP-ului i sub aciunea fosfatazei:

NAD+ + ATP NADP+ + ADP

Exemple de enzime dehidrogenaze anaerobe care au n

structur NAD+ sau NADP+: alcooldehidrogenaza (implicat n

fermentaia alcoolic), aldehiddehidrogenaza, izocitricdehidroge-

naza (implicat n ciclul Krebs) etc. 36

b) Dehidrogenaze aerobe Dehidrogenazele aerobe sunt enzime oxidoreductaze care transport hidrogenul de la un substrat donor la oxigenul liber (acceptor), formnd apa oxigenat, care va fi descompus ulterior de peroxidaze sau catalaze. Coenzimele componente care realizeaz aciunea biocatalitic sunt de natur flavinnucleotidic: FMN flavinmononucleotida FAD flavinadenindinucleotida. Ambele coenzime au ca i component principal vitamina B2

cu structur izoaloxazinic. Componenta proteic (apoenzima) este de obicei o albumin. Legtura dintre apoenzim i coenzim se desface uor n mediu acid i n prezena sulfatului de amoniu.

Flavinmononucleotida (FMN) este format dintr-un nucleu izoaloxazinic, din ribitol i acid fosforic.

37

Legtura dintre FMN i apoenzim se poate realiza la

nivelul nucleului izoloxazinic i la nivelul acidului fosforic.

Dintre flavinenzimele mononucleotidice se pot meniona:

fermentul galben respirator, L-aminoacidoxidaza etc.

Flavinadenindinucleotida (FAD) este format dintr-un

nucleu izoloxazinic, ribitol, acid pirofosforic i adenin. FAD are

o structur de dinucleotid, fiind format prin unirea a dou

mononucleotide: FMA i AMP.

38

n condiii aerobe mecanismul transferului de hidrogen este urmtorul: Mecanismul transferului de atomi de hidrogen n condiii aerobe este posibil datorit transformrii reversibile a structurii nucleului izoaloxazinic (vitamina B2) din structura FAD. Nucleul izoaloxazinic se poate prezenta sub o form oxidat, cu duble legturi conjugate i o form redus, fr legturi duble la atomii de azot N1 i N10. Forma oxidat a flavinenzimelor este colorat, iar forma redus este incolor.

S-H2 + FAD+ S + FADH2

substrat donor forma

redus

coenzima

forma oxidat

substrat donor

forma oxidat

coenzima

forma redus

FADH2 + O2 FAD + H2O2 coenzima

forma redus

substrat acceptor coenzima

forma oxidat

catalaza

H2O + O2

39

Dintre flavinenzimele cu FAD se pot meniona: xantinoxidaza,

D-aminoacidoxidaza, succindehidrogenaza, glucozoxidaza, aldehidoxidaza etc.

Glucozoxidaza acioneaz asupra substratului glucoz, pe care o oxideaz la

acid gluconic:

RCH=O + FAD RCOOH + FADH + H+

FADH + H+ + O2 FAD + H2O + O2

Aldehidoxidaza acioneaz asupra acetaldehidei, pe care o oxideaz la acid

acetic:

CH3CH=O + FAD + H2O CH3COOH + FADH + H+

FADH + H+ + O2 FAD + H2O + O2

Transelectronaze

Transelectronazele sunt enzime care catalizeaz reacii de oxido-

reducere care decurg prin transfer de electroni de pe un donor pe un acceptor.

Dac donorul este:

Oxigenul, enzimele sunt transelectronaze aerobe;

Nu este oxigenul, enzimele sunt transelectronaze anaerobe.

Transelectronazele sunt reprezentate prin cromoproteidele citocromi,

constituii dintr-o parte proteic (apoenzima cu caracter bazic) i o coenzim cu

structur feriporfirinic (citocromul propriu-zis). 40

Transportul de electroni se realizeaz prin modificarea cifrei de oxidare a fierului: Fierul porfirinic se leag prin dou legturi coordinative de atomul de azot imidazolic al aminoacidului histidina din catena polipeptidic a enzimei. Citocromii sunt prezeni numai n celulele aerobe i particip la realizarea procesului de respiraie. Cantitatea lor n celule depinde de capacitatea respiratorie a celulei. Se cunosc mai multe tipuri de citocromi care se deosebesc ntre ei prin substituenii nucleelor pirolice, potenialul redox etc. Eliberarea i transportul de electroni se realizeaz prin trecerea citocromului din starea feroas (Cit. Fe2+) n starea feric (Cit. Fe3+), n prezena O2 i a citocromoxidazei. Citocromii dein, ca transportori de electroni, un rol important n catena de respiraie celular (lanul respirator). Ei particip, ca intermediari, la procesul de formare a apei, produs final al metabolismului glucidic. Energia eliberat n procesele de oxidare (H - e = H+) este stocat n moleculele de ATP care se sintetizeaz. Transferul de electroni de la un tip de citocrom la altul se face n ordinea potenialelor redox:

citocrom b citocrom c1 citocrom c citocrom a citocrom a3 n toate organismele vegetale i animale s-au identificat citocromii a1, a3, b, b1, b5, c1 etc. Citocromii b3, b6, b7, f, s-au identificat numai n plante, iar citocromii c2, c3, b4 numai n microorganisme.

41

Oxidaze Oxidazele sunt enzime oxidoreductoare care catalizeaz

reaciile dintre diferite substraturi i oxigenul molecular sau cel

peroxidic.

Oxidazele se clasific n:

oxigenaze;

hidroxilaze;

oxidaze transportoare de electroni.

a) Oxigenazele determin combinarea direct a

substratului cu oxigenul molecular. Ele catalizeaz reacii de

tipul:

AH + O2 AOOH sau A + O2 AO2

Exemple de enzime oxigenaze: lipoxidaza, care catalizeaz

oxidarea acizilor nesaturai din esuturilor vegetale,

indoloxidaza, triptofanoxidaza etc. 42

b) Hidroxilazele (monooxigenaze) sunt enzime care catalizeaz oxidarea substratului cu formarea concomitent a apei. Din oxigenul molecular, un atom va servi la oxidarea substratului iar cellalt la formarea apei: AH2 + O2 + S H2O + SO + A sau AH2 + 1/2 O2

A + H2O Reaciile au loc n prezena unui donor de hidrogen (AH2) care poate fi: NADH + H+, NADPH + H+, FADH2 etc. Cele mai importante dintre enzimele hidroxilaze sunt: fenilalaninhidroxilaza, lizinhidroxilaza, steroidhidroxilaza etc. c) Oxidazele transportoare de electroni conin n molecul ioni metalici (Cu, Fe) i catalizeaz reacia de oxidare a substratului cu ajutorul oxigenului atomic foarte reactiv. Enzimele care conin atomi de cupru se numesc cuproxidaze, cele care conin atomi de fier se numesc feroxidaze. Dintre cuproxidaze fac parte fenolazele (fenoloxidaze, rspndite n regnul vegetal), enzime care catalizeaz oxidarea fenolilor la chinone, ascorbicoxidaza, care catalizeaz oxidarea acidului ascorbic la acid dehidroascorbic, tirozinaza etc.

43

Dintre feroxidaze, cele mai importante sunt peroxidazele i catalazele. Peroxidazele descompun apa oxigenat numai n prezena unui acceptor de oxigen sau a unui donor de hidrogen:

H2O2 + AH2 2 H2O + A H2O2 + A AO + H2O

Peroxidazele catalizeaz i reacii de polimerizare, cum ar fi, formarea melaninei i a ligninei. Ele sunt rspndite preponderent n plante, n organite denumite peroxizomi. Catalazele descompun apa oxigenat cu degajare de oxigen:

H2O2 H2O + 1/2 O2

Ca i peroxidazele, catalazele sunt rspndite n celulele vegetale unde acioneaz prin descompunerea apei oxigenate, substan toxic pentru organismele vii, care se formeaz sub aciunea unor flavinenzime sau a radiaiilor. Ca donatori de atomi de hidrogen pot funciona: metanolul, etanolul, fenolii, aminoacizii etc. 44

TRANSFERAZE

Sunt enzime care biocatalizeaz reaciile de transfer de

atomi sau grupe de atomi de la o molecul donor la una acceptor.

Coenzimele care realizeaz aciunea catalitic a

transferazelor sunt foarte diferite din punct de vedere chimic, iar

energia de legtur a gruprii transferate este pstrat.

n funcie de natura gruprii transferate deosebim

urmtoarele tipuri de enzime transferaze:

metiltransferaze (transmetilaze), enzime care transfer

grupe metil (-CH3);

transaminaze, care transfer grupa amino (-NH2);

transfosfataze, care transfer resturi de acid fosforic (-

H2PO3);

transaldolaze, transfer grupe carbonil aldehidice

(RCH=O);

transcetolaze, transfer grupe carbonil cetonice (R2C=O);

transacilaze, transfer grupe acil (R-C=O) etc.

45

Dintre substanele donatoare de grupe metil se pot meniona: colina, diferite betaine, nicotina etc. Aceste substane donatoare au, n general, grupa metil legat de un atom de azot sau de sulf. Dintre acceptorii de grupri metilice fac parte: colamina, cisteina, nicotinamida, glicina. Dintre coenzimele transaminazelor importan deosebit au piridoxalfosfatul i piridoxaminfosfatul. Transferul diferiilor radicali acil (provenii din acizi organici) este catalizat de coenzima A (HS~CoA), care particip la numeroase procese biochimice. Coenzima A este un precursor important n biosinteza colesterolului, a acizilor grai, de care se leag printr-o legtur macroergic (~). Partea activ a coenzimei A este gruparea tiolic (-SH) din cisteamin, de aceea coenzima se noteaz prescurtat HSCoA.

46

Formarea acil-CoA din acizii organici, se realizeaz cu

consum de energie i decurge n prezena ATP-ului i a enzimelor

tiokinaze:

RCOOH + HS~CoA + ATP RCO~SCoA + AMP + P P

Coenzima A este format din adenin, riboz fosforilat,

acid pirofosforic, acid pantotenic i cisteamin. Structura chimic a

coenzimei A este:

47

Legtura dintre coenzima A i radicalul acil este o legtur macroergic, care elibereaz la hidroliz 8 Kcal/mol. Coenzima A i acetilcoenzima A (CH3-CO~SCoA) apar frecvent, n organismele vii, la ncruciarea unor ci biochimice, contribuind la stabilirea unor corelaii metabolice ntre glucide i lipide. Este un precursor important n biosinteza acizilor grai, a fitolului (component al clorofilei), n biodegradarea aerob a glucidelor etc. Transfosfatazele (fosfotransferaze) sunt enzime care catalizeaz transferul de radicali fosfat -H2PO3

de pe un donor pe un acceptor, fr formare de acid fosforic liber (H3PO4). Transfosfatazele poart denumiri caracteristice, n funcie de natura donorului i a acceptorului: - fosfomutaze (transfosfataze), dac transferul grupei fosfat se produce n aceeai molecul, de la o poziie la alta:

48

- fosfokinaza catalizeaz transferul restului de acid fosforic sau

pirofosforic de pe ATP pe un acceptor A, conform reaciei:

ATP + A A- P + ADP

ATP + A AMP + A- P P

Transglicozidazele catalizeaz biosinteza i biodegradarea oligoglucidelor, poliglucidelor i a unor glicozide, reacii care decurg cu transfer de radicali glicozil. - Nucleozidfosforilazele catalizeaz reaciile reversibile de biosintez, respectiv biodegradare a nucleozidelor prin transferul bazelor purinice pe riboz sau deoxiriboz. - Nucleotidfosforilazele catalizeaz reaciile de biosintez i biodegradare a nucleotidelor. - Polizaharidfosforilazele catalizeaz reaciile de transfer de resturi glicozil de pe un ester fosforic pe o poliglucid acceptoare, cu formarea unei poliglucide superioare.

49

HIDROLAZE

Sunt enzime care catalizeaz scindarea legturilor chimice din compuii biochimici cu implicarea ionilor apei. Hidrolazele au un rol important n procesul de germinare a seminelor i n procesul de digestie. Ele determin hidroliza unor substane compuse care conin n molecul legturi covalente: C-O, C-N, C-S, C-C, P-N etc. n general, reaciile de hidroliz sunt reversibile, nsoite de variaii de energie, mai ales n cazul hidrolizei tioesterilor cu coenzima A. Unele dintre cele mai importante hidrolaze sunt: C-O hidrolazele (esteraze i glicozidaze); C-N hidrolazele (amidaze i peptidaze). a) Esterazele sunt enzime care scindeaz legturi esterice i anume: fosfoesteraze, care catalizeaz scindarea hidrolitic a monoesterilor i diesterilor acidului fosforic cu formarea acidului ortofosforic i a unui alcool:

50

Fosfodiesterazele scindeaz hidrolitic legtura fosfodiesteric dintre

nucleotide.

Din clasa esterazelor fac parte i lipazele, lecitinazele,

colesterolesterazele, clorofilazele, pectinazele, sulfatazele etc.

carboxilesterazele scindeaz legturile din esterii acizilor carboxilici:

Din aceast subclas a hidrolazelor fac parte:

-lipazele (glicerolesterhidrolazele), care catalizeaz hidroliza gliceridelor

cu formare de glicerol i acizi grai superiori;

-fosfolipazele, care elibereaz acizii grai superiori din - i -

glicerofosfatide;

- tioesterazele, enzime care catalizeaz scindarea moleculelor tioesterilor.

R-CO-S-R' + HOH R-COOH + R'-SH

De exemplu, acil-SCo A hidrolazele scindeaz legtura tioesteric din

acil-coenzima A:

R-CO~SCoA + HOH R-COOH + HS-CoA

51

b) Glicozidazele (carbohidrazele) sunt hidrolaze care catalizeaz

scindarea legturilor glicozidice din oligo- i poliglucide,

conform reaciei generale:

Glicozidazele prezint specificitate fa de: tipul de glucid

(glicozidaze, galactozidaze etc.), natura legturii (-sau -

glicozidic), tipul de stereoizomer (D sau L).

Exemple de glicozidaze:

G1-O-G2 + HOH G1-OH + G2-OG

diglucid monoglucid 1 monoglucid 2

Substrat Enzima Legtura scindat Produs de reacie

maltoza maltaza (oligoglucozidaza) glicozidic C1-C4 glucoza

celobioza celobiaza

(oligoglucozidaza)

glicozidic C1-C4 glucoza

zaharoza zaharaza

(oligofructozidaza)

fructozidic C1-C2 glucoza + fructoz

amidon amilaza (poliglicozidaza) glicozidic C1-C4 i C1-C6

dextrine; maltoz; glucoz

52

c) Amidazele sunt hidrolaze care scindeaz legtura C-N din amide. De

exemplu, ureeaza catalizeaz descompunerea ureei n CO2 i amoniac:

Amidazele catalizeaz i transformarea amidelor n amoniac i acizii

corespunztori; de exemplu, amidaza glutaminaza catalizeaz scindarea

glutaminei n acid glutamic i amoniac.

d) Peptidazele sunt hidrolaze care acioneaz asupra legturilor

peptidice -CO-NH- din interiorul moleculelor peptidice sau proteice

(endopeptidaze), sau de la capetele catenelor peptidice (exopeptidaze), elibernd

aminoacizii componeni. Endopeptidaze mai importante sunt: pepsina, tripsina,

catepsina, chimozina etc.

Exopeptidazele (enzimele care elibereaz aminoacizii terminali din

catena peptidelor sau proteinelor) se clasific n:

aminopeptidaze, sunt exopeptidaze care catalizeaz scindarea hidrolitic a

legturii peptidice de la extremitatea catenei care posed un aminoacid terminal

cu grupa -NH2 liber;

carboxipeptidaze, sunt exopeptidaze care catalizeaz scindarea hidrolitic a

legturii peptidice de la extremitatea catenei care posed un aminoacid terminal

cu grupa -COOH liber.

53

LIAZE

Liazele sunt enzime care catalizeaz reaciile de scindare

de legturi chimice i ndeprtarea unor grupe din substrat,

printr-un mecanism care decurge fr implicarea proceselor

redox sau hidrolitice. Liazele determin scindarea legturilor C-

C, C-N, C-O, C-S, C-X etc. Dintre liazele mai importante fac

parte:

decarboxilazele (C-C liaze);

dehidratazele (C-O liaze);

dezaminazele (C-N liaze);

desulfhidrazele (C-S liaze). 54

a) Decarboxilazele sunt liaze care catalizeaz reaciile de

decarboxilare a substraturilor cetoacizi i aminoacizi, conform

reaciilor:

Enzima liaza implicat n decarboxilarea aminoacizilor

are drept grupare prostetic piridoxalfosfatul (derivat al

vitaminei B6), iar liaza care catalizeaz decarboxilarea

cetoacizilor are drept grupare prostetic tiaminpirofosfatul

(derivat al vitaminei B1).

b) Aldehidliazele catalizeaz scindarea legturii C-C cu

formare de produi carbonilici. De exemplu, o enzim implicat

n metabolismul glucidic este aldolaza (fructozo-1,6-

difosfatliaza), care scindeaz fructozo-1,6-difosfatul n dou

trioze: aldehida fosfogliceric i hidroxoacetonfosfatul.

55

c) Dehidratazele catalizeaz scindarea legturilor C-O cu formare de ap. Exemple de dehidrataze sunt: aconitaza, fumaratdehidrataza care catalizeaz transformarea acidului malic n acid fumaric (reacie din ciclul Krebs de biodegradare aerob a glucidelor): Dehidrataza enolaza catalizeaz transformarea acidului 2-fosfogliceric n acid fosfoenolpiruvic (vezi biodegradarea anaerob a glucidelor). d) Dezaminazele sunt liaze care catalizeaz reaciile de dezaminare intramolecular cu formarea acizilor nesaturai. De exemplu, aspartaza, catalizeaz dezaminarea acidului aspartic cu formare de acid fumaric:

56

IZOMERAZE Izomerazele sunt enzime care catalizeaz reaciile de

izomerizare ale diferitelor substraturi. Dup natura reaciei de

izomerizare catalizat se pot clasifica astfel:

racemaze;

epimeraze;

izomeraze cis-trans;

oxidoreductaze intramoleculare.

a) Racemazele acioneaz asupra substraturilor cu un

singur centru de simetrie, cataliznd interconversia formelor D i

L ale aminoacizilor, hidroxiaminoacizilor, monoglucidelor etc.

De exemplu, alaninracemaza izomerizeaz izomerul steric

L-alanina la D-alanina:

57

b) Epimerazele acioneaz asupra substraturilor cu mai multe

centre de simetrie, cataliznd reaciile de epimerizare ale

monoglucidelor. Importan biologic au racemazele i epimerazele care

intervin n metabolismul glucidic.

De exemplu, epimerizarea UDP-glucozei n UDP-galactoz sub

aciunea UDP-glucozoepimerazei:

c) Izomerazele cis-trans catalizeaz interconversia celor doi

stereoizomeri. Izomerazele cis-trans sunt larg rspndite n natur, la

procesul de interconversie participnd i glutationul. De exemplu,

maleatcistransizomeraza catalizeaz transformarea acidului maleic n

acid fumaric:

58

d) Oxidoreductazele intramoleculare catalizeaz reaciile de

interconversiune a aldozelor i cetozelor, care implic reducerea

concomitent a grupei aldehidice la alcool primar i oxidarea

grupei alcool secundar la ceton. De exemplu, sub aciunea

fosfotriozizomerazei, aldehida 3-fosfogliceric se izomerizeaz la

hidroxoacetonfosfat:

e) Transferazele moleculare catalizeaz reaciile de transfer

intramolecular a unor grupe acil, fosfat, amino etc. De exemplu,

transferul grupei fosfat de la un atom de carbon al unei glucide la

alt atom de carbon din molecula glucidei respective.

59

LIGAZE

Ligazele sunt enzime care catalizeaz formarea de

legturi chimice noi ntre dou substraturi. Deoarece formarea

noilor legturi se realizeaz cu consum de energie, aceste reacii

sunt cuplate cu hidroliza unor legturi din compuii

macroergici (n special din nucleotidele trifosforilate, ATP, UTP,

CTP, GTP):

n funcie de tipul de legturi chimice noi formate liazele pot fi:

carboxilaze (C-C ligaze);

aminoacilsintetaze (C-O ligaze);

aminoacidamidsintetaze (C-N ligaze);

acilcoenzima A sintetaze (C-S ligaze). 60

a) Carboxilazele sunt enzime care catalizeaz fixarea CO2 pe un substrat. De exemplu: piruvatcarboxilaza catalizeaz transformarea acidului piruvic n acid oxalilacetic (vezi biodegradarea aerob a glucidelor):

H-CH2-CO-COOH + ATP + CO2 (activat) HOOC-CH2-CO-COOH + ATP + H2PO4

Carboxilazele au ca i coenzim vitamina biotin i sunt rspndite n regnul vegetal. b) Aminoacidsintetazele catalizeaz activarea aminoacizilor din citoplasm n vederea participrii lor la biosinteza proteinelor, prin intermediul tARN (vezi biosinteza proteinelor). c) Aminoacidamidsintetazele catalizeaz formarea legturilor C-N n reacia de sintez a amidelor unor aminoacizi. De exemplu: asparaginsintetaza catalizeaz formarea asparaginei din acidul asparagic (aspartic): d) Acil-CoA-sintetazele catalizeaz reaciile de activare a acizilor grai din metabolismul lipidic:

61

SISTEME MULTIENZIMATICE n organism, alturi de enzimele bine individualizate, cu structur specific, care prezint specificitate de substrat i de aciune, sunt prezente i sisteme enzimatice sau complexe multienzimatice constituite din dou sau mai multe enzime, care catalizeaz reacii succesive sau cuplate, a cror aciune catalitic este interdependent. Reaciile succesive se pot reda prin urmtoarea schem de reacii: Enzimele E1, E2, E3, care acioneaz asupra substraturilor A, B, C, sunt dependente funcional, se intercondiioneaz. Produsul de reacie obinut prin aciunea enzimei E1 formeaz substratul de aciune pentru enzima E2, iar asupra produsului su de reacie va aciona enzima E3 etc. Interdependena funcional a sistemelor enzimatice se bazeaz pe un suport morfologic comun, respectiv, enzimele au o distribuie spaial dependent de structura organitelor celulare. Un asemenea sistem multienzimatic este cel din mitocondrii, care catalizeaz reaciile care decurg n procesul de respiraie, sistemul format din enzimele participante la biosinteza i biodegradarea acizilor grai, sistemul multienzimatic format din cinci componente: hexakinaza, izomeraza, fosfohexokinaza, aldolaza, glicofosfodehidrogenaza, care acioneaz n metabolismul glucidic, n procesul glicolizei etc.

62

ENZIMELE ALOSTERICE (EFECTUL ALOSTERIC)

Enzimele alosterice sunt constituite din mai multe uniti

proteice, care pe lng situsul catalitic, mai posed i un situs alosteric

la care se poate lega efectorul alosteric (activator sau inhibitor).

Controlul alosteric al enzimelor este foarte important n reglarea

metabolismului. Prefixul alo se refer la existena pe moleculele

enzimelor a unuia sau mai multor centrii de legtur (situs alosteric),

alii dect cei ai situsului activ, de care se leag efectorii alosterici,

modificnd structura spaial a enzimei. Pentru o concentraie de

substrat dat, un efector pozitiv crete activitatea enzimatic, cnd se

leag la centrul alosteric, pe cnd un efector negativ scade activitatea

enzimatic.

O enzim poate, datorit unui efector alosteric, s se modifice

att de mult, nct s nu mai poat cataliza o reacie dect n prezena

activatorului alosteric (efectul vitezei maxime). Un exemplu l

constituie piruvatcarboxilaza care este practic inactiv n absena

efectorului acetilcoenzima A.

63

Se poate concluziona c, n general, un efector alosteric

stabilizeaz o anumit conformaie a unei enzime (fie ea cea activ

sau cea inactiv).

Inhibiia alosteric are o importan fiziologic deosebit i

se desfoar prin mecanism de inhibiie feed-back sau

retroinhibiie), aflat sub control genetic.

De exemplu, la biosinteza ferporfirinelor sau a

colesterolului, produsul final al reaciei enzimatice acioneaz ca

inhibitor alosteric asupra produsului de la nceputul lanului de

reacii. Creterea concentraiei lui stopeaz practic reacia; dac

produsul este utilizat n ntregime, sinteza se reia, deoarece efectul

alosteric este reversibil.

Enzimele alosterice reflect capacitatea organismelor vii,

vegetale i animale, de a coordona activitile lor celulare, astfel

nct s se realizeaz un echilibru ntre procesele anabolice i

catabolice eseniale pentru via.

64