UNIVERSITATEA DE TIINE AGRONOMICE I MEDICIN VETERINAR BUCURETI

FACULTATEA DE AGRICULTUR

Specializarea Biologie

Curs cu frecven redus

Referat

BIOCHIMIE

Tem:

Ezimele, catalizatori ai lumii vii.

Student: Brnzea George Ciprian

Anul: II

Bucureti

2012

n organismele vii se petrec cu o uimitoare uurin, la temperatur joas i n soluie practic neutr, un numr mare de reacii pe care chimistul nu le poate efectua n laborator dect lucrnd la temperaturi i presiuni ridicate, n prezena de acizi sau de baze tari, de dizolvani neapoi sau de catalizatori heterogeni metalici. Printre aceste reacii se numr att degradri de molecule (hidrolize i oxidri) ct i sinteza de compui cu structura complicat. ntelegerea mersului acestor reacii este important, n primul rnd pentru cunoaterea unor fenomene naturale de cea mai mare amploare i rspndire, n al doilea rnd pentru interesul practic pe care l prezint. S-a recunoscut nc de mult ca organismele folosesc, pentru realizarea acestor transformri chimice, catalizatori organici, coninuti n concentratii mici n celule sau n sucurile secretate de acestea, cum sunt sucurile digestiei, laptele, urina etc. S-a dat acestor catalizatori numele de fermeni sau enzime (de la enzyme, literal: "n aluat"). Reaciile enzimatice au fost folosite din timpurile cele mai vechi pentru fabricarea vinului, a oetului, a berii i a brnzei. O cercetare sistematic a lor a fost interprins abia n epoca modern. n 1713, Reamur a observat dizolvarea crnii n sucul stomacal al ciorii. De asemenea, fiziologul Spallanzani (1783) a hrnit animale cu buci de carne nvelite n reele de srm i a observat dizolvarea crnii n stomac. Stahl, fondatorul teoriei flagisticului, explic fermentaia ca un proces n care una din substanele prezente transmite "micarea sa intern" substanei care fermenteaz (1697). n 1680, van Leeuwenhoeck a observat la microscop celulele drojdiei de bere, dar aceast descoperire nu a fost luat n seam timp de dou secole. Lavoisier (1789) a fcut un bilan de materiale al fermentaiei, artnd ca oxigenul, hidrogenul i carbonul din zahr se regsesc n alcoolul i bioxidul de carbon ce iau natere.

n cursul sec. al XIX-lea au fost preparate multe extracte de enzime. Astfel, dup ce Kirchoff a observat , n 1820 , ca o component glutinoas din bobul de orz ncolit, numit mal, transform cantiti de amidon mult mai mari dect propria sa greutate, ntr-un zahr solubil, maltoza, Dubrunfaut a gsit , n 1830, ca extractul apos, limpede, de mal are aceeai aciune solubilizant asupra amidonului ca malul nsui. Din acest extract, Payen i Persoz(1833) au izolat, prin precipitarea cu etanol, prima enzim, amilaz (firete foarte inpur), sub forma unui material solid alb, amorf, capabil s solubilizeze o cantitate de amidon de 2000 de ori mai mare dect propria sa greutate. n 1830, Robiquet si Boutron-Chalard au descoperit hidroliza amigdalinei, cu extract de migdale amare, iar n 1837, Liebig i Wohler au izolat enzima respectiv, numind-o emulsin. Printre primele enzime izolate (n stare impur) vom mai meniona: pepsina din sucul gastric (Schwann, 1836);tripsina, din sucul pancreatic (Kuhne, 1848); lipaza (Claude Bernard, 1849); invertaza (Mitscherlich, 1841; Berthelot, 1860); ureeza (Musculus, 1882) etc.

Un moment istoric deosebit de important este recunoaterea clar, de ctre Berzelius, n 1835, a caracterului catalictic al reaciilor enzimatice, precum i a rolului esenial pentru viaa animalelor i a plantelor jucat de aceste reacii. n anul 1940,cercettorul american Edward Howell a fcut, n acelai domeniu, o i mai mare descoperire: cercetnd substanele vitale propriu-zise i anume, enzimele, a dovedit ca ele sunt purttori vieii din orice organism viu, fiind deci i materia vie din alimentele noastre (asta atta timp ct nu sunt distruse prin fierbere). Este uimitor cum de stiina nu a preuit corespunztor aceast descoperire extraordinar i cum de nu s-a fcut nici un fel de "publicitate" n favoarea enzimelor, cum fcuse, la vremea lor, pentru vitamine.Ezimele, catalizatori ai lumii vii.

Enzimele sunt proteine solubile specializate n cataliza reaciilor chimice din celula vie. Enzimele sunt biocatalizatori, ele determinnd viteze de reacie. Astfel prin puterea catalitic i specificitatea lor enzimele se difereniaz foarte mult de ceilali catalizatori. Natural or proteic a fost demonstrat prin purificarea i cristalizarea unui numr mare de enzime. Enzimele sunt biomolecule fundamentale ale vieii care asigur desfurarea, coordonarea i reglarea tutror reaciilor biochimice de biosintez i degradare din organism.

Structur i propieti

Toate enzimele sunt proteine globulare solubile, dar se difereniaz de celelalte proteine prin puterea lor catalic. Anumite enzime sunt exclusiv de natur proteic, iar altele au i componente neproteice numite cofactori.Cofactorii pot fi fie un ion metelic, o grupare prostetic sau o coenzim (molecul organic).

Coenzimele sunt molecule organice care conin n structura lor o vitamin. Vitaminele sunt de asemenea substane organice, care n cantiti infime sunt vitale pentru funcionarea tuturor celulelor i sunt necesare n hrana anumitor specii de animale ce nu pot s i le sintetizeze singure.

n structura fiecrei enzime exist o zon cu o anumit constituie specific, anumit suucesiune de circa 10 aminoacizi la care se ataeaz coenzima i reprezint situsul catalitic al enzimei. De acest situs se va ataa substratul de reacie ce va suferi transformarea n reacia catalizat de enzim. Unele enzime se caracterizeaz prin prezena unui al doilea situs, situs allosteric, fiind vorba de enzimele allosterice, proteine cu structur oligomer. Acestea au rol de reglare i coordonare a reaciilor metabolice datorit caracteristicilor lor specifice. Enzimele au urmtoarele proprieti specifice:

O mic cantitate de enzim poate cataliza transformarea unor mari cantiti de substrat; La sfritul reaciei enzima se regsete chimic nemodificat;

Enzimele pot cataliza numai reacii termodinamic posibile, reacii care au loc cu scderea entalpiei libere de reacie;

n reaciile reversibile se mrete att viteza reaciei directe , ct i cea a reaciei inverse. Enzimele prezint o specificitate de reacie i de substrat. Specificitatea de reacie se refer la faptul c o enzim catalizeaz numai un anume tip de reacie. Specificitatea de substrat caracterizeaz faptul c o enzim catalizeaz transformarea numai a substraturilor nrudite structural, specificitate determinat de situsul catalitic. Mecanismul de aciune al enzimelor

Enzimele reacioneaz ca oricare alt catalizator, iar aciunea lor catalitic este reprezentat de creterea vitezei de reacie pe care acestea o catalizeaz. Aceast cretere de vitez are loc datorit faptului c enzimele determin scderea energiei de activare a moleculelor din substrat, avnd loc astfel transformarea n produi de reacie cu viteze mai mari. Formarea complexului activat al substratului S necesit o energie mult mai mare dect formarea complexului activat enzim-substrat, Enz S. Micsornd energia de activare necesar atingerii strii de tranziie, crete nimrul de molecule de substrat care se pot transforma n unitatea de timp n produi de reacie, crete deci si viteza de reacie. Rezult c mecanismul de aciune al enzimelor implic formarea unui complex activat enzim-substrat Enz S. n transformarea substratului S n produs de reacie P, sub aciunea enzimei, mecanismul de cataliz implic de fapt dou etape:

1. Formarea complexului enzim substrat Enz S Enz + S Enz S

2. Transformarea complexului enzim substrat Enz n produs de reacie P i eliberarea enzimei care poate relua reacia. EnzS P + Enz

Formarea complexului activat enzim substrat Enz S este condiionat tocmai de structura situsului catalitic, care trebuie s se potriveasc, s fie complementar cu structura substratului. ntre aceste dou structuri trebuie s existe o corespondent, o complementaritate geometric, asemeni unui mecanism broasc cheie. Substratul trebuie s posede o legtur chimic susceptibil la atacul enzimei, dar s prezinte i alte particulariti structural necesare legrii lui la situsul catalitic al enzimei, mai ales de orientare a molecule de substrat ntr-o poziie geometric propice. Comportarea cinetic a enzimelor poate fi chiar mai variat de multe ori, aprnd dou sau trei complexe intermediare Enz + S Enz S EnzZ EnzP Enz Enz +P unde EnzZ este un complex intermediar, iar EnzP un complex enzim substrat. Activitatea enzimatic este reprezentat de valoarea vitezei de reacie pe care enzima o determin, adic prin cantitatea de substrat transformat n unitatea de timp. Activitatea enzimatic se exprim convenional prin uniti internaionale (UI), iar un U.I. se definete prin numrul de micromole de substrat transformat ntr-un minut, la temperatura de 25C, n condiii optime de reacie. Ca n orice reacie, la o concentaie constan de enzim, viteza reaciei enzimatice crete direct proporional cu concentraia n substrat S, dar numai pn la o anumit valoare a acesteia, la care se atinge viteza maxim. Viteza nu mai poate crete deoarece are loc saturarea enzimei, ocuparea tuturor situsurilor catalitice cu molecule de substrat.Factorii care influeneaz activitatea enzimatic- vitezaunei reacii enzimatice depinde de mai muli factori. Pe lng influena concentraiei substratului, ali factori importani sunt: concentraia enzimei, temperature, pH-ul, prezena unor efectori.1. Concentraia enzimei ntr-o reacie enzimatic, concentraia nzimei este faorte mic n comparaie cu cea a substratului. De aceea viteza de reacie este direct proporional cu concentraia enzimei, pn la o anumit valoare peste care rmne constant.2. Temperatura - ca n toate reaciile chimice activitatea enzimatic crete odat cu temperature, pe intervalul n care enzima este stabil i activ. Aceasta se datoreaz mririi energiei cinetice a moleculelor de substrat, precum i a creterii numrului de ciocniri eficace ntre moleculele de substrat i enzim. Pentru majoritatea reaciilro enzimatice, viteza aproape se dubleaz la fiecare cretere a temperaturii cu 10C. Cele mai multe enzime se caracterizeaz printr-o temperatur optim, sau un interval de temperatur optim, interval n care activitatea este maxim. Majoritatea enzimelor au o temperatur optim cuprins n intervalul 25-37C. La temperaturi mai mari viteza de reacie scade, deoarece are loc denaturarea termic a proteinei i deci pierderea proprietilor catalitice. Temperatura optim aparent este rezultanta a dou procese:

Creterea obinuit a vitezei de reacie cu temperatura;

Creterea vitezei denaturrii termice a proteinei peste o temperatur critic.

Majoritatea enzimelor sunt inactive la temperature de peste 60-80C. 3.pH-ul n general fiecare enzim are un pH characteristic, numit pH optim, la care activitatea sa este maxim. La valori mai mari sau mai mici de PH, activitatea enzimatic scade puternic. pH-ul variaz forte mult n funcie de natura enzimei. Astfel, el poate fi foarte acid (1,5-2 pentru pepsin) sau foarte bazic (9,5-10 pentru arginaz), dar majoritatea enzimelor au un pH optim apropiat de mediul neutru, ntre 6 i 8, pH characteristic majoritii mediilor celulare. De multe ori pH-ul optim al unei enzime, nu este identic cu pH-ul intracellular, la care eaactiveaz n mod normal. Aceast dependen este determinat de comportarea acid-baz att a enzimei, ct i a substratului, precum i de ali factori. Foarte important este modul n care sunt disociai unii aminoacizi din structura situsului catalitic, astfel nct s poat permite ataarea substratului. Pe de alt parte, modificarea accentuat a pH-ului fa de cel optim poate determina chiar o denaturare parial ducnd la inactivarea proteinei enzimatice. 4. Inhibitori o serie de substane pot intervene n cinetica de reacie a enzimei i au ca efect micorarea sau chiar anularea total a activitii enzimatice. Acest tip de substane poart numele de inhibitori ai activitii enzimatice. n funcie de sturctura lor i de modul lor de aciune, ei pot fi: inhibitori competitive i inhibitori necompetitivi. Inhibitorii competitivi sunt substane ce se pot lega direct cu enzima liber, concurnd cu substratul normal pentru situsul catalitic. Aceast concuren este determinat de analogia structural dintre substrat i inhibitor. Inhibitorii necompetitivi sunt substane ce nu afecteaz situsul catalitic al enzimei. Un astfel de inhibitor se ;eag fie cu enzima liber, dar la un alt situs dect cel catalitic, fie cu un complex enzim substrat, formnd un complex enzim-substrat inhibitor. Inhibiia necompetitiv depinde de concentraia n inhibitor i de afinitatea enzimei pentru acesta. Efectele inhibitorului necompetitiv nu sunt anulate prin creterea concentraiei substratului i deci acest tip de inhibiie este ireversibil. Ca inhibitori necompetitivi pot aciona o serie de reactivi ce constituie ageni de denaturare.. Ei se pot combina cu anumite grupe funcionale dinstructura enzimei( n afara situsului catalitic) dar care sunt eseniale pentru meninerea conformaiei tridimensionale a molecule de enzim activ. Tot ca inhibitori necompetititvi pot aciona unele substane capabile s legestabil ionul metallic cu rol esenial n activiatea unor metal enzime. Aa se explic efectul toxic al diferitelor sustane otrvitoare.5.Efectorii allosterici sunt molecule produse n mediul celular i acioneaz asupra enzimelor allosterice. Acestea sunt enzime cu rol de reglare ce poart numele de reglare allosteric sau feed-back. Modul acesta de reglare a proceselor metabolice prin intermediul activitii enzimelor allosterice este deosebit de benefic pentru organism, deoarece realizeaz meninerea concentraiei metaboliilor n limite sczute. Ca urmare se previne acumularea unor cantiti excesive att de metabolii finali, ct i de produi intermediari. n acest mod se face economie nu numai de substane, dar i de energie chimic ce ar interveni n procesele respective. Enzimele allosterice sunt proteine oligomere formate din dou sau mai multe lanuri peptidice(protomeri). Ele posed pe lng situsul catalitic i un al doilea situs numit allosteric (termenul allosteric nseamn (alt spaiu sau alt structur). La acest situs allosteric se poate lega reversibil i necovalent un efector allosteric sau un modulator specific. n funcie de actiunea lor, efectorii pot fi: Efectori negative (inhibitori) cu aciune inhibitoare,

Efectori pozitivi sau stimulatori (activatori),

n funcie de natura moleculei efectorului enzimele allosterice pot fi: Enzimele heterotrope, care au ca efector o molecul diferit de cea a substratului;

Enzime homotrope, pentru care substratul este i efector, ele au dou sau multe situsuri de legare a substratului. Majoritatea enzimelor allosterice sunt, ns, de tip mixt, homotropice-heterotropice. Pentru ele, att substratul ct i ali metabolii pot funciona ca modulatori (efectori). 6. Reglarea genetic reglarea genetic a activitii enzimatice implic reglarea vitezei de biosintez a proteinei enzim prin inducie i represie. Mecanismul acestui tip de reglare are la baz ropul pe care l joac prezena sau absena substratului n a induce sau nu biosinteza enzimei care catalizeaz transformarea sa. Reglarea genetic a activitii enzimatice este deosebit de important din punct de vedere biologic, deoarece permite organismului s se adapteze rapid la modificrile din mediu.Bibliografie:

Galben T., Enache Aurelia Curs de Chimie i Biochimie. Vol. II - Biochimie Vegetal. Lito I.A.N.B., 1986.

Leninger A. I. Biochimie. Ed. Tehnic, Bucureti, 1987.

Neamu G. Biochimie Vegetal. Ed. Ceres, Bucureti, 1997.

Pun Rodica-Ana Biochimie Vegetal. Seria Biologie-Agricultur, Facultatea de Agricultur, Bucureti, 2003.

Rodica Chiril Biochimie vegetal Ed. Printech Bucureti 200