Enzime-REFERAT-

Arad 2012

Reacţiile chimice din organismele vii au loc datorită acţiunii catalizatorilor biologici numiţi enzime. Acestea reprezintă instrumentul prin intermediul căruia se realizează totalitatea transformărilor chimice din organismul viu, transformări ce alcătuiesc metabolismul substanţelor şi energiei. Substanţa asupra căreia acţionează enzima se numeşte substrat iar compusul chimic rezultat în urma acţiunii enzimei se numeşte produs de reacţie. Toate enzimele fără nici o excepţie sunt proteine. În funcţie de structura lor chimică ele pot fi enzime monocomponente şi enzime bicomponente.

Enzimele monocomponente – sunt proteine simple (holoproteine) cu moleculele alcătuite numai din radicali de aminoacizi legaţi între ei prin legături peptidice, iar enzimele bicomponente fac parte din clasa proteinelor complexe (heteroproteine) şi au molecula alcătuită dintr-o componentă proteinică numită apoenzimă şi o grupare de natură neproteică numită cofactor enzimatic. Cofactorii legaţi puternic 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. 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.

O altă clasificare a enzimelor se poate face în funcţie de natura reacţiei catalizate. După acest criteriu enzimele se grupează în 6 clase:

1. oxidoreductaze2. transferaze3. hidrolaze4. liaze5. izomeraze6. ligaze (sintetaze)

Fiecare clasă se subdivide în subclase şi subsubclase. În acest sistem (elaborat de Comisia de Enzimologie a Uniunii Internaţionale de Biochimie) o enzimă este definită printr-o denumire şi un cod de patru cifre. Prima cifră indică clasa la care aparţine enzima, a doua cifră subclasa şi precizează natura grupelor chimice sau a legăturilor chimice din molecula substratului, a treia cifră natura chimică a substratului, a acceptorului etc., iar a patra cifră indică numărul de ordine al enzimei în cadrul subsubclasei date. De regulă înaintea codului enzimei se înscriu literele EC (Enzyme Commission).

CoenzimeÎn funcţie de natura lor chimică se împart în patru clase:– coenzime cu structură alifatică– coenzime cu structură alifatică– coenzime cu structură heterociclică– coenzime cu structură nucleozidică

1. Coenzime cu structură alifatică. Din această grupă fac parte acidul lipoic, glutationul şi acidul ascorbic (vit. C).

Acidul lipoic poate exista sub o formă aciclică şi una ciclică:

forma oxidată forma redusăDatorită 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:

– dehidrogenarea α-cetoacizilor– biosinteza şi degradarea glicocolului– biosinteza prostaglandinelor

Glutationul este o tripeptidă:

C

CHO

C

C

HO

C

CH2 OH

HO

H

O

O

H

C

CO

C

C

HO

C

CH2 OH

HO

H

O

O

H

C

CO

C

C

O

C

CH2 OH

HO

H

O

O

H

_ H+;

_ e-

H+ e-+ ; +

_ H+;

_ e-

H+ e-+ ; +

acid L-ascorbic radical ascorbicliber

acid L-dehidroascorbic

CH3

(CH2 CH C CH2) H

CH3

O

O

O

O

H3C

H3C n

ubichinonele ( coenzimele Q )

HOOC CH

NH2

CH2 CH2 C N

O

H

CH

CH2

SH

C N

O

H

CH2 COOH

glutation (glutamil-cisteinil-glicina)Rolul coenzimatic al glutationului este asigurat prin prezenţa grupării –SH în moleculă care

se poate oxida reversibil:

Glutationul redus (G-SH) poate fi oxidat enzimatic sub acţiunea glutation-dehidrogenazei în prezenţa acidului ascorbic. Datorită acestei proprietăţi glutationul este coenzimă pentru o serie de dehidrogenaze importante.

Acidul ascorbic Din grupa coenzimelor de natură alifatică face parte şi acidul L-ascorbic, deşi mecanismul de acţiune prin care acesta este implicat în diferite procese metabolice nu justifică pe deplin apartenenţa vitaminei C la clasa coenzimelor.

2. Coenzime cu structură aromaticăDin această categorie fac parte ubichinonele, compuşi naturali ce conţin în molecula lor un

inel derivat de la hidrochinonă şi mai multe unităţi izoprenice:

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 heterociclicăa) coenzime derivate de la tiamină

Tiamina (aneurina sau vitamina B1)este un factor nutritiv foarte important. Forma în care vit. B1 îndeplineşte funcţie coenzimatică este tiamin-pirofosfatul. Această coenzimă este implicată in reacţiile de decarboxilare a α-cetoacizilor, reacţiile de dismutare a acidului piruvic şi reacţiile de decarboxilare oxidativă:

G SH G S S G22+ e-

H++ 2

2H+_ e-2_

;

;

glutationredus

glutationoxidat

N

CH2HO

H3C

COH

O PO3H2

N

CH2

CH2HO

H3C

NH2

O-PO3H2

Piridoxal-5-fosfat (PALP)

Piridoxamin-5-fosfat (PAMP)

b) coenzime derivate de la biotinăBiotina (vit. H) se prezintă sub 3 forme din care doar β-biotina joacă rol coenzimatic:

Rolul coenzimatic al biotinei este jucat în reacţiile enzimatice în care se realizează o activare urmată de un transfer de CO2, adică reacţiile de decarboxilare şi carboxilare. În aceste reacţii se formează întotdeauna un intermediar carboxilat al coenzimei. O astfel de reacţie enzimatică în care este implicată biotina este reacţia de carboxilare a acidului piruvic cu formare de acid oxalil-acetic.

c) coenzime derivate de la piridoxinăNumeroase reacţii enzimatice sunt catalizate de enzime ce conţin în calitate de cofactor

piridoxal-fosfatul, un derivat al formei aldehidice a vitaminei B6:

Această coenzimă este implicată într-o serie de reacţii extrem de importante ale metabolismului aminoacizilor cum ar fi transaminarea, decarboxilarea şi racemizarea acestora.

d) coenzime derivate de la acidul folic. Acidul folic a fost extras prima dată din frunzele de spanac după care a fost descoperit în ficat şi alte organe şi ţesuturi. Acidul folic (vitamina M) conţine în moleculă un rest de pteridină, un rest de acid p-aminobenzoic şi unul de acid glutamic:

N

CH2

CH2 OHHO

H3C

OH

N

CH2 OHHO

H3C

CO

H

N

CH2

CH2 OHHO

H3C

NH2

Piridoxol Piridoxal Piridoxamina

biocitina

O

HN NH

S(CH2)4 CO NH (CH2)4 CH COOH

NH2

O

HN NH

SCH2 CH2 CH CH3

COOH

O

HN NH

SCH2 CH2 CH2 CH2 COOH

-biotina -biotina

În stare liberă, acidul folic se întâlneşte foarte rar, fiind de obicei prezent sub forma unor derivaţi care îndeplinesc acelaşi rol biochimic. Cel mai adesea se întâlneşte sub formă parţial redusă care este acidul tetrahidro-folic sau acid folinic FH4 care îndeplineşte rol de transfer a unor grupări C1 (metil, formil, hidroximetil etc.)

4. Coenzime cu structură nucleozidică şi nucleotidică. Există mai multe coenzime de natură nucleozidică şi nucleotidică, cele mai importante fiind următoarele:

a) adenozintrifosfatul – este principalul compus macroergic al organismelor vii şi, în acelaşi timp, principalul transportor de grupări fosfat.Legăturile dintre radicalii fosfat ale moleculei de ATP au o energie liberă cu mult mai mare decât în cazul altor esteri fosforici din care cauză ele se numesc legături macroergice.

b) coenzima A – este un agent de activare şi transport a radicalului acetil şi în general a radicalilor acil.

Din punct de vedere structural, coenzima A este formată dintr-un rest de acid adenilic, un rest de ribozo-3-fosfat, un rest de pirofosfat, unul de acid pantotenic şi unul de tioetanolamină:

Gruparea funcţională –SH reprezintă partea activă a moleculei din care cauză notarea prescurtată este CoA-SH. Atomul de sulf al grupei –SH poate forma legături macroergice cu radicalii acil. Din această cauză, CoA-SH este implicată în reacţiile în care se realizează transfer de radicali acil.

N

N

N

NO

OH

OPOCH2O

NH2

~ ~P OH

OH

O

P O

OH

O

N

N

N

N

NH2

O

O

CH2

O

P

O

P

O

CH2 C CH C N CH2 CH2 C N CH2 CH2 SH

O

O

CH3

CH3

OH

O

H

O

H

HO

HO

P

OH

OHO

N

N

N

N

OH

H2N

CH2 NH CO NH CH

COOH

CH2 CH2 COOH

Acid folic

N

N

N

N

OH

H2N

CH2 NH CO NH CH

COOH

CH2 CH2 COOH

H

CHO

Acid formil-tetrahidrofolic

c) coenzime piridin-nucleotidiceMajoritatea organismelor animale precum şi numeroase microorganisme necesită un aport

zilnic de acid nicotinic sau nicotinamidă (vit. PP).În afară de rolul vitaminic jucat de acidul nicotinic şi amida sa, acesta intră în structura a

două coenzime importante: nicotinamidadenindinucleotid (NAD+) şi nicotinamidadenindinucleotidfosfat (NADP+)

NAD+ şi NADP+ sunt coenzime ale unor oxidoreductaze, deoarece au capacitatea de da reacţii redox reversibile:

d) coenzime flavinice: flavinmononucleotid (FMN) şi flavinadenindinucleotid (FAD):

Şi coenzimele flavinice sunt cofactori ai unor oxidoreductaze. Acestea au capacitatea de a da reacţii redox reversibile la nivelul nucleului izoaloxazinic:

N

NN

N

NH2

OXOHOHOH

OCH2OPOPOCH2O

O

NH2C

N

OH OH

O O

X = H

X = PO3H2

NAD+

NADP+

N

R

C

O

NH2

+ DH2N

R

C

O

NH2

+ D + H+

sau :

NAD(P)+ + S NAD(P)H + P + H+

CH2 O P OH

OH

O

C

C

C

CH2

H

H

HHO

HO

HO

N

N

N

NHH3C

H3C

O

O

CH2 O P O

OH

O

C

C

C

CH2

H

H

HHO

HO

HO

N

N

N

NHH3C

H3C

O

O

P

O

OH

O

CH2

O

OH OH

NH2

N

N

N

N

flavinmononucleotidul (FMN) flavinadenindinucleotidul (FAD)

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 necesari în cantităţi mult mai mici comparativ cu substratul, se regăsesc nemodificaţi 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 etc., cea mai importantă particularitate este înalta specificitate de acţiune concretizată în capacitatea enzimelor de a cataliza transformarea unui grup de substrate, înrudite structural.

Cinetica reacţiilor enzimatice – studiază dependenţa vitezei reacţiilor enzimatice de natura chimică a enzimei şi substratului, de pH-ul şi temperatura mediului de incubare, de concentraţia substratului etc.

Influenţa concentraţiei enzimei asupra vitezei de reacţie. Viteza reacţiei enzimatice depinde de concentraţia enzimei. Dacă concentraţia substratului este constantă, se observă o proporţionalitate directă între viteza de reacţie iniţială(când numai o cantitate foarte mică de S se transformă în P) şi concentraţiile crescânde ale enzimei. Această dependenţă liniară este caracteristică pentru majoritatea enzimelor.

Influenţa pH-ului mediului. Acţiunea tuturor enzimelor depinde de pH-ul mediului în care au loc reacţiile enzimatice. 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. pentru majoritatea enzimelor pH-ul optim se situează în domeniul neutru sau slab acid (fig. I.7.).

Fig. I.7. Influenţa pH-ului mediului de incubare asupra vitezei reacţiilor enzimaticeInfluenţa temperaturii mediuluiViteza reacţiilor enzimatice creşte cu ridicarea temperaturii pe un interval mic de temperatură

(fig. I.8.).

N

N

N

NHH3C

H3C

O

O

R

N

N

N

NHH3C

H3C

O

O

R H

H

DH2 D++

FMN (FAD) FMNH2 (FADH2)Donor dehidrogen

v

Vmax

pHoptim pH

Fig. I.8. Dependenţa vitezei reacţiilor enzimatice de temperatura mediului de incubare

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 40oC iar enzimele vegetale în domeniul de temperatură 45 şi 60oC. La temperaturi mai mari de 70oC majoritatea enzimelor se inactivează. Funcţia catalitică a enzimelor este anulată reversibil la temperaturi sub 0oC.

Influenţa concentraţiei substratuluiPentru majoritatea enzimelor, la concentraţii mici de substrat, viteza de reacţie este direct

proporţională cu concentraţia substratului. Pentru a găsi o dependenţă matematică între aceşti doi parametri, Michaelis, Menten şi Haldane au luat în considerare reacţia enzimatică cea mai simplă, adică cea cu un singur substrat şi cu un singur complex enzimă-substrat.

Conform teoriei acestor autori, viteza de reacţie enzimatică este de fapt viteza cu care complexul ES se descompune pentru a forma produsul de reacţie. Totodată autorii iau în considerare şi conceptul de stare staţionară conform căruia în sistem se instalează un echilibru atunci când viteza de formare (Vf) a complexului ES devine egală cu viteza de descompunere (Vd) a acestuia.

Vf = k1[E] . [S] = k1([Et] – [ES]) . [S] unde Et reprezintă cantitatea totală de enzimă iar diferenţa reprezintă enzima liberă

Vd = k2 [ES] + k3[ES] = (k2+ k3) [ES]La echilibru:

Vf = Vd

Rezultă:k1([Et] – [ES]) . [S] = (k2+ k3) [ES]

Sau:([Et] – [ES]) . [S] (k2+ k3) = = const. = KM

[ES] k1

Constanta Km poartă numele de constanta Michaelis şi are o semnificaţie concretă, identificându-se cu acea concentraţie a substratului la care v=1/2 Vmax. Din relaţia de mai sus KM

este egală cu concentraţia molară a substratului la care jumătate din enzimă se găseşte legată cu substratul, iar cealaltă jumătate se află în stare liberă. Constanta KM se poate determina experimental prin trasarea curbei de viteză funcţie de concentraţia substratului. Pentru construirea graficului se determină viteza de reacţie la diferite valori ale concentraţiei substratului. Pentru evaluarea mai precisă a KM şi Vmax ecuaţia M. M. se prelucrează în următoarea ecuaţie liniară, numită ecuaţia Lineweaver-Burck (fig. I.9.)

v

Vmax

toptimt1t2 oC

E + S ES E + PK+1

K-1

K+2

1v

1/[s]O 1 KM

_

1 Vmax

Fig.I.9. Reprezentarea grafică a ecuaţiei Lineweaver-Burk

Graficul dependenţei între 1/v şi 1/[S] reprezintă o linie dreaptă a cărei pantă este egală cu KM/Vmax şi care intersectează ordonata în punctul 1/Vmax. din acest grafic se pot afla uşor Vmax şi KM.

Parametrul KM al unei enzime depinde de substrat şi condiţiile de reacţie valorile sale variind pentru diferite enzime în limite foarte largi. O constantă KM mare indică o afinitate mică a enzimei pentru substrat. Enzima cu KM mică va manifesta în organismul viu o activitate mare, posibil chiar maximă.

Influenţa efectorilor asupra activităţii enzimelor. Se numesc efectori (modulatori) substanţele chimice care modifică viteza unor reacţii enzimatice când sunt adăugate în mediul de incubare. În funcţie de modul cum acţionează efectorii pot fi activatori sau inhibitori.

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.).Inhibitorii sunt modulatori care diminuează sau anulează activitatea enzimelor. În funcţie de

modul de acţiune al inhibitorilor asupra enzimelor inhibiţia poate fi:- inhibiţie reversibilă- inhibiţie ireversibilă

Ultima conduce la pierderea definitivă a activităţii enzimei, datorită denaturării ei prin legarea covalentă a inhibitorului cu un aminoacid esenţial pentru funcţia catalitică. La rândul ei inhibiţia reversibilă este de 2 tipuri, în funcţie de mecanismul de acţiune al inhibitorului, competitivă şi necompetitivă. Inhibitorii competitivi interacţionează cu centrul activ al enzimei. Ei prezintă o analogie structurală cu substratul şi în consecinţă concurează cu acesta pentru centrul activ al enzimei. În inhibiţia necompetitivă inhibitorul nu prezintă analogie structurală cu substratul şi se leagă cu enzima într-o altă zonă a moleculei, diferită de centrul activ. Inhibitorii necompetitivi pot reacţiona atât cu enzima liberă cât şi cu complexul ES.

Reglarea activităţii enzimelor – se realizează prin mai multe mecanisme:Conversia precursorilor inactivi în enzime active. Unele enzime care funcţionează în

exteriorul celulei (în tractul digestiv sau în plasma sanguină) sunt sintetizate sub formă de precursori inactivi numiţi proenzime sau zimogene. Hidroliza unui număr limitat de legături peptidice în moleculele zimogenelor conduce la conversia lor în enzime active. Modificarea covalentă a unor enzime se poate realiza prin inserţia de grupări micromoleculare în moleculele lor. Spre exemplu activitatea enzimelor care catalizează sinteza şi degradarea glicogenului este reglată prin fosforilarea unui anumit radical de serină din moleculele acestor enzime.

Un mecanism de reglare mai răspândit decât modificarea covalentă, este inhibiţia de tip feed back, când acumularea produsului final al unei căi metabolice cauzează inactivarea enzimelor necesare pentru sinteza lui.

Cel mai răspândit mecanism de reglare a activităţii enzimelor în lumea vie se consideră reglarea allosterică. Caracteristica esenţială a enzimelor alosterice este susceptibilitatea lor de a fi activate sau inhibate de alţi metaboliţi decât substratele naturale. Aceşti metaboliţi se numesc efectori alosterici sau modulatori alosterici. Dacă modulatorul induce creşterea capacităţii catalitice a enzimei se numeşte activator sau modulator pozitiv, iar dacă acesta provoacă scăderea eficienţei ei catalitice se numeşte inhibitor sau modulator negativ. Un alt mecanism este reglarea vitezei de biosinteză a enzimelor sau reglarea genetică.

Bibliografie

1. Artenie, Vl. – 1991, Biochimie, Ed. Univ. „Al. I. Cuza” Iaşi.2. Cojocaru, D.C., Mariana Sandu – 2004, Biochimia proteinelor şi acizilor nucleici,

Ed. Pim, Iaşi3. Gavril Ardelean – 2001, Biochimia si energetica contractiei musculare, Ed. Bion,

Satul Mare