‒ SUBSTANȚE ORGANICE CU ROL FUNCȚIONAL ‒

1. ENZIMELE

Enzimele sunt biocatalizatori ai reacțiilor chimice care au loc în organismele vii. În

absenţa enzimelor, majoritatea reacţiilor din celula vie s-ar petrece cu viteze foarte mici.

Acestea reprezintă instrumentul prin intermediul căruia se realizează totalitatea

transformărilor chimice din organismul viu, transformări ce alcătuiesc metabolismul

substanţelor şi energiei.

Prima enzimă a fost descrisă în 1833- diastaza (în prezent α-amilaza)- cu acțiune

asupra amidonului. Ulterior au fost descrise și alte enzime de către Loius Pasteur, care le-a

numit fermenți.

Locul de formare a enzimelor în celulă îl constituie citoplasma și organitele celulare.

Unele enzime rămân dizolvate în citoplasmă, altele rămân în mitocondrii și lizozomi unde au

loc intense procese metabolice (endoenzime), iar alte enzime părăsesc mediul celular și trec

extracelular, în lichidele biologice pentru a-și exercita activitatea (exoenzime).

Exemple: -pepsina se formează în celulele mucoasei gastrice; ea părăsește celula și intră în

compoziția sucului gastric

-tripsina și chimotripsina sunt produse de celulele pancreasului endocrin; ele

ajung în sucul pancreatic, iar acesta ajunge în duoden unde va acționa asupra proteinelor.

Substanţa asupra căreia acţionează enzima se numeşte substrat, iar compusul chimic

rezultat în urma acţiunii enzimei se numeşte produs de reac ţ ie .

Nomenclatura și clasificarea enzimelor

Denumirea enzimelor se poate face în două moduri:

a) denumirea substratului + sufixul -ază; ex. lipază, protează, amilază

b) denumirea tipului de reacție + sufixul –ază; ex. hidrolază, dehidrogenază

O clasificare a enzimelor se poate face în funcţie de natura reacţiei catalizate; după

acest criteriu enzimele se grupează în 6 clase:

1. Oxidoreductaze – cuprinde enzime care catalizează reacţiile de oxido-reducere,

respectiv transferul de H și electroni între substanța care se oxidează și cea care se reduce.

Ex: oxidaze, dehidrogenaze, peroxidaze

2. Transferaze – enzime care catalizează transferul de grupări ce conțin azot, carbon

sau fosfor de pe un substrat (donor) pe alt substrat (acceptor).

Ex: aminotransferaze (TGO, TGP), kinaze

3. Hidrolaze – cuprind clasa enzimelor care catalizează reacțiile de scindare a

legăturilor covalente cu ajutorul apei.

Ex: proteaze, fosfataze

4. Liaze – catalizează ruperi ale legăturilor C-C, C-S și C-N; reacții de eliminare a

unei grupări funcționale din substrat

Ex: decarboxilaze

5. Izomeraze – catalizează reacţiile de interconversiune a izomerilor optici, geometrici

şi de catenă

Ex: mutaze, racemaze

6. Ligaze sau sintetaze – enzime care catalizează unirea a doi compuşi utilizând

energia eliberată prin hidroliza unei molecule de ATP.

Ex: aminoacil- sintetaza, ADN-ligaza

Structura enzimelor

Din punct de vedere biochimic, toate enzimele sunt proteine; structura proteică este

avantajoasă din mai multe considerente, cum ar fi:

- resturile de AA din proteine dispun de o mare varietate de grupări funcționale care participă

la legarea substratului, cât și la desfășurarea catalizei;

- enzimele sunt proteine globulare, ele au deci structură secundară, terțiară și deseori structură

cuaternară; structurile secundare și terțiare asigură posibilități multiple de constituire a

centrelor active ale enzimelor (locul unde se desfășoară reacțiile).

În funcție de structura lor chimică pot fi :

enzime monocomponente sunt proteine simple (holoproteine) cu moleculele

alcătuite numai din radicali de aminoacizi legaţi între ei prin legături peptidice; ex.

chimotripsina, ribonucleaza, lizozimul

enzime bicomponente care fac parte din clasa proteinelor complexe (heteroproteine) şi

au molecula alcătuită din:

‒ componenta proteică= apoenzimă

‒ o grupare de natură neproteică= cofactor enzimatic

Cofactorii legaţi puternic, covalent cu apoenzimele lor se numesc grupări prostetice,

iar cei uşor disociabili se numesc coenzime.

Acţiunea catalitică a enzimelor este condiţionată de existenţa în moleculele lor a unor

regiuni distincte, denumite situsuri (centre) active sau catalitice

Apoenzima este macromolecula proteică a enzimei, sensibilă la temperaturi ridicate,

cu activitate catalitică; determină specificitatea de acțiune a enzimelor.

Apoenzima poate prezenta în structura sa:

situsul catalitic (centrul activ)- este zona distinctă la care se leagă specific substratul

asupra căruia acționează enzima; aminoacizii participanţi la formarea centrului activ

sunt grupaţi într-o geometrie spaţială, la nivelul căreia se află grupele funcţionale

implicate în legarea directă a substratului şi în transformarea catalitică a acestuia.

Situsurile active ale enzimelor bicomponente cuprind pe lângă aminoacizii respectivi,

de asemenea coenzima sau gruparea prostetică, care interacţionează cu substratul şi

facilitează desfăşurarea reacţiei enzimatice.

situsul allosteric Enzimele care exercită pe lângă funcția catalitică si rol reglator se

numesc enzime allosterice. Acestea conțin pe lângă situsul catalitic un al doilea situs

numit allosteric, la care se pot lega efectori allosterici (inhibitori sau activatori) care

modulează tranzițiile enzimei între două conformații posibile (activă și inactivă) prin

care se permite sau nu accesul substratului la situsul catalitic.

Coenzimaeste partea neproteică, care participă efectiv la reacţia catalitică (se

modifică temporar în timpul reacţiei); în funcţie de natura lor chimică, coenzimele se împart

în patru grupe:

- coenzime cu structură alifatică

– coenzime cu structură aromatică

– coenzime cu structură heterociclică

– coenzime cu structură nucleozidică și nucleotidică

1. Coenzime cu structură alifatică: acidul lipoic, glutationul

Datorită capacităţii sale de a trece uşor şi reversibil din forma disulfidică (oxidată) în

forma ditiolică (redusă), acidul lipoic este implicat în diferite procese metabolice legate de

oxidarea biologică.

Glutationul este o tripeptidă implicată în procese de oxidoreducere datorită punților

disulfidice:

2. Coenzime cu structură aromatică: ubichinonele sau coenzimele Q (apar în ţesuturile

animalelor şi plantelor superioare, în special în mitocondrii unde sunt componente ale catenei

respiratorii).

3. Coenzime de natură heterociclică: vitamina B1 și derivați ai vitaminei H (biotina) și

ai vitaminei B6.

4. Coenzime cu structură nucleozidică și nucleotidică: ATP, FAD, NAD, NADP, CoA

Fig. 1. Adenozin-trifosfat (ATP)

Fig. 2. Flavin-adenin-dinucleotid

Fig.3. Nicotinamid-adenin-dinucletid/ Nicotinamid-adenin-dinucleotidfosfatul

Fig. 4-Co A

Proprietăţile enzimelor

Datorită naturii lor proteice, enzimele posedă toate proprietăţile fizică-chimice

specifice acestor macromolecule (solubilitate, proprietăţi osmotice, sarcină electrică netă,

denaturare termică, reacţii chimice etc.).

Enzimele sunt catalizatori şi respectă legile catalizei:

‒ catalizează reacţii posibile din punct de vedere termodinamic,

‒ scad energia liberă a sistemului accelerând reacţia,

‒ sunt necesare în cantităţi mult mai mici comparativ cu substratul,

‒ se regăsesc nemodificate din punct de vedere cantitativ şi calitativ la sfârşitul reacţiei.

Cataliza enzimatică prezintă o serie de particularităţi care o deosebesc net de cataliza

chimică:

‒ viteză de reacţie mult mai mare decât în cazul reacţiilor chimice,

‒ acţionează în condiţii blânde de reacţie care sunt condiţiile fiziologic normale de pH,

temperatură, presiune osmotică

‒ prezintă o înaltă specificitate de acţiune concretizată în capacitatea enzimelor de a

cataliza transformarea unui substrat sau a unui grup restrâns de substrate, înrudite

structural.

În funcție de modul de manifestare, există mai multe tipuri de specificitate:

specificitatea de reacție, specificitatea de substrat și specificitatea stereochimică.

a) Specificitatea de reacție= fiecare enzimă catalizează un anumit tip de reacție (ex. o

hidrolază va cataliza o hidroliză)

b) Specificitatea de substrat=constă în aria mai restrânsă sau mai largă de acțiune a

fiecărei enzime; poate fi absolută sau relativă.

Multe enzime acționează asupra unui singur substrat (specificitate absolută-ex. ureaza)

sau în cazuri izolate asupra unui grup mic de substrate foarte înrudite structural (specificitate

absolută de grup-ex: alcool-DH) și care conțin legături chimice de același tip (specificitate

relativă de grup-ex: endopeptidazele):

‒ ureazacatalizează descompunerea ureei

H2N‒CO‒NH2 +H2O2 NH3 +CO2

‒ alcool-dehidrogenazacatalizează transformarea prin dehidrogenare a alcoolilor

monohidroxilici inferiori în aldehidele corespunzătoare:

R‒CH2‒OH +NAD+ R‒CHO + NADH +H+

‒ endopeptidazele digestiveacționează asupra legăturilor peptidice din interiorul

proteinelor

c) Specificitatea stereochimică sau opticăse referă la faptul că enzimele catalizează

transformarea numai a unui stereoizomer; specificitatea optică este de obicei absolută, celălalt

antipod optic rămânând neschimbat.

Exemplu: lactat-dehidrogenaza din mușchiul striat catalizează oxidarea acidului L-

lactic cu formare de acid piruvic, în timp ce aceeași enzimă, dar izolată din microorganisme

catalizează oxidarea acidului D-lactic.

Centrul activ (catalitic) și mecanismul de acțiune al enzimelor

Reacțiile enzimatice se desfășoară cu o anumită viteză, în 2 etape:

1. Substratul se unește cu enzima (la nivelul centrului activ), rezultând un produs

intermediar (complexul enzimă-substrat=ES):

Enzimă + Substrat ES

2. Se formează produsul de reacție (P) și se recuperează enzima, care va participa la un

nou ciclu catalitic:

ES P + E

Structura binară a enzimelor este indispensabilă acţiunii catalitice. Luate separat, atât

coenzima cât şi apoenzima nu au activitate catalitică.

În legătură cu organizarea spațială a centrului activ al enzimelor (raportată la structura

substratului) s-au elaborat 2 modele:

1. Modelul clasic Fischer- centrul activ al enzimelor a fost conceput multă vreme ca un

tipar rigid, preformat, substratul potrivindu-se în enzimă ca şi “cheia în lacăt” (lock and key).

Deşi în acest model centrul activ este rigid, el se mai foloseşte încă pentru explicarea unor

proprietăţi enzimatice, cum ar fi legarea într-o anumită ordine a substratelor.

Fig. 5. Modelul lacăt-cheie de interacțiune a enzimei cu substratul

2. Un model mai perfecţionat este cel imaginat de Koshland, numit ”centrul activ

indus” (“induced fit”) modelul cu cel mai puternic suport experimental. Principala

caracteristică a acestui model este flexibilitatea centrului activ. În absenţa substratului

grupările catalitice şi de legare a substratului sunt depărtate unele de altele, separate de mai

multe resturi de aminoacizi. Apropierea substratului induce o modificare conformaţională a

enzimei încât grupările care participă la legarea substratului sau la reacţia catalitică se apropie

spaţial.

Fig. 6. Modelul ”centrul activ indus” de interacțiune enzimă-substrat

Situsul (centrul) activ dintr-o enzimă poate fi pus în evidenţă prin tratarea cu anumite

substanţe ce au capacitatea de a se combina specific cu aminoacizii centrului catalitic,

inactivând enzima.

Factori care influenţează activitatea enzimatică

1. Concentrația enzimei dacă se utilizează concentraţii crescânde de enzimă

cantitatea de substrat transformat în unitatea de timp creşte proporţional cu concentraţia

enzimei.

2. Temperatura mediului Viteza reacţiilor enzimatice creşte cu ridicarea

temperaturii pe un interval mic de temperatură.

‒ Valoarea maximă a vitezei de reacţie corespunde la temperatura optimă de acţiune a

enzimei.

‒ Dacă temperatura se măreşte în continuare are loc o diminuare rapidă a vitezei de

reacţie prin denaturarea termică a enzimei.

În general majoritatea enzimelor de origine animală prezintă o eficienţă catalitică

maximă între 35 şi 400 C. La temperaturi mai mari de 700 C majoritatea enzimelor se

inactivează. Funcţia catalitică a enzimelor este anulată reversibil la temperaturi sub 00

C.

3. pH-ului mediului fiecare enzimă manifestă o activitate maximă într-un domeniu

determinat al concentraţiei ionilor de hidrogen, care se numeşte pH optim de acţiune.

Valoarea sa variază cu natura şi originea enzimei, natura chimică a substratului, sistemul

tampon etc.

4. Concentraţiei substratului pentru majoritatea enzimelor, la concentraţii mici de

substrat, viteza de reacţie este direct proporţională cu concentraţia substratului.

5. Efectorii Se numesc efectori (modulatori) substanţele chimice care modifică

viteza unor reacţii enzimatice când sunt adăugate în mediul de reacție. În funcţie de modul

cum acţionează efectorii pot fi activatori sau inhibitori.

a. Activatorii influenţează pozitiv activitatea enzimelor pe care o intensifică sau stimulează;

între activatorii enzimatici se numără numeroşi ioni metalici (Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Zn2+,

Mn2+, Co2+, etc.), unii anioni (Cl– etc.), diferiţi compuşi organici cum ar fi unii tioli

(cisteina, glutationul etc.).

b. Inhibitorii enzimatici sunt modulatori care diminuează sau anihilează activitatea

enzimelor; ei au compoziţie chimică şi mod de acţiune diferit. Exemple: unele metale,

radiațiile UV, X, presiunea, detergenții anionici și cationici, gruparea tio (-SH)

În funcţie de modul de acţiune al inhibitorilor asupra enzimelor, inhibiţia poate fi:

inhibiţie reversibilă:

‒ competitivă : inhibitorii prezintă analogie structurală cu substratul și vor

interacționa cu centrul activ al enzimei

‒ necompetitivă : inhibitorul nu prezintă analogie structurală cu substratul

şi se leagă cu enzima într-o altă zonă a moleculei, diferită de centrul

activ.

inhibiţie ireversibilă - conduce la pierderea definitivă a activităţii enzimei, datorită

denaturării ei prin legarea covalentă a inhibitorului cu un aminoacid esenţial pentru

funcţia catalitică.

Importanţa biomedicală a enzimelor

Importanţa medicală a enzimelor rezidă în utilizarea acestora în diagnosticul unor boli

şi instituirea unei terapii corecte, precum şi folosirea unora în scop terapeutic.

Majoritatea proceselor enzimatice se petrec la nivel celular iar determinarea enzimelor

se face în unele lichide biologice (sânge total, urină, lichid cefalorahidian, plasmă etc.).

Este important de cunoscut locul de producere al diverselor enzime, mecanismele prin

care ajung aceste enzime din celule în sânge. Din acest punct de vedere se deosebesc:

enzime secretate activ în plasmă, mai ales de ficat, care acţionează asupra unor

substrate din plasmă îndeplinind aici un rol fiziologic. Astfel de enzime specifice

plasmei se numesc enzime plasmatice funcţionale. Enzimele coagulării,

pseudocolinesteraza, sunt enzime plasmatice. Lezarea organului care produce aceste

enzime determină scăderea activităţii enzimelor în plasmă;

enzime ale secreţiilor exocrine care pot difuza pasiv în sange, fără a avea rol specific

la acest nivel. Astfel de enzime sunt: amilaza, lipaza, tripsina pancreatică,

pepsinogenul gastric, precum şi fosfataza alcalină biliară şi fosfataza acidă prostatică.

Enzimele din această categorie vor scădea în sânge în cazul atrofiei organului care le

sintetizează sau vor creşte când apar creşteri ale permeabilităţii membranei celulelor

ce le sintetizează;

enzimele celulare acţionează exclusiv intracelular, se mai numesc şi enzimele

plasmatice nefuncţionale deoarece substratele şi cofactorii lor specifici nu se găsesc în

plasmă. Concentraţia lor în spaţiul intracelular este mult mai mare decat în plasmă.

Pătrunderea enzimelor celulare în sânge, în condiţii patologice, are loc prin creşterea

permeabilităţii membranei celulare sub acţiunea unor factori infecţioşi, toxici.

În leziunile distructive, atât enzimele citoplasmatice cât şi cele legate de organitele

celulare, trec în sange. O altă cale de pătrundere a enzimelor celulare în sânge o constituie

blocarea căilor de eliminare normală a enzimelor (unele enzime hepatice, pancreatice) sau o

creştere a concentraţiei de enzime ca urmare a unei inducţii enzimatice.

Scăderea activităţii enzimelor în plasmă poate fi datorată scăderii sintezei de enzime,

consumului unor medicamente (cortizon, morfină, atropină) sau unor erori genetice.