81388921 enzimele note de curs

7/28/2019 81388921 Enzimele Note de Curs

1/11

Biochimie-ENZIMELE 2011

1

ENZIME

Organismele vii, mono- i pluricelulare sunt caracterizate prin unele activiti ca: micare,producere de energie, lumin etc., activiti care au la baz reacii chimice. Organismele vii sunt supuseprimului principiu al termodinamicii, adic legii conservrii masei i energiei. Energia pentru sintezamoleculelor complexe din elemente sau molecule mai mici este furnizat prin degradarea moleculelorcomplexe n intermediari i compui mai simpli. n consecin este necesar cuplarea celor dou aspecte alemetabolismului (anabolism i catabolism) printr-un transfer de energie. O reacie chimic de forma

A + B C + D

poate avea loc cnd o parte din moleculele A i B se gsesc ntr-o stare de energie ridicat, stare activat(stare de tranziie) n care exist o mai mare probabilitate ca legturilor din compuii A i B s se rup i sse formeze produii C i D. starea de tranziie este o barier nalt de energie care delimiteaz reactanii deproduii de reacie. Viteza unei astfel de reacie este proporional cu moleculele aflate n stare de tranziie

(activat). Exist dou posibiliti de accelerare a reaciei chimice:- creterea temperaturii ce favorizeaz agitaia molecular, creterea numrului de molecule

activate i accelerarea vitezei de reacie care n cele mai multe reacii este aproximativ dubl pentru ocretere a temperaturii cu 10oC;

- utilizarea catalizatorilor.

Catalizatorul se combin temporar cu reactanii determinnd scderea energiei de activare. Cu ctenergia de activare va fi mai mic cu att catalizatorul va fi mai eficace. De exemplu, descompunerea apeioxigenate:

2 H2O2 2 H2O + O2

Necatalitic, are loc cu un consum de energie, G = 18 Kcal/mol; n prezena catalizatorului de Pt

coloidal, G = 13 Kcal/mol; iar n prezena enzimei, catalaza, numai 2 kcal/mol.O reacie chimic este endergonic (endoterm) dac variaia energiei libere este pozitive, deci

necesit un aport de energie i exergonic (exoterm) cnd variaia energiei libere va fi negativ, deci varezulta energie.

n timpul unei reacii, catalizatorul sufer o serie de modificri, dar odat reacia terminat, acestarevine la starea iniial.

Enzimele sunt catalizatori proteici pentru reaciile chimice care se petrec n sistemele biologice. nabsena enzimelor, majoritatea reaciilor din celula vie s-ar petrece cu viteze foarte mici.

Spre deosebire de catalizatorii neproteici (ioni metalici, H+, OH

-) fiecare enzim catalizeaz un

numr mic de reacii, de cele mai multe ori, una singur. Exist un numr foarte mare de enzime; pentru fiecare compus organic, ct i pentru muli compuianorganici, exist mcar o enzim capabil s reacioneze cu acesta i s catalizeze o anumit modificarechimic.


2/11


2

2.1 Nomenclatura i clasificarea enzimelor

Numele tiinific al unei enzime se formeaz astfel: Donor: Acceptor reacia catalizat. De exemplu:enzima responsabil de oxidarea alcoolului etilic se numete Alcool: NAD+-oxireductaz.

Pe lng denumirea tiinific, se utilizeaz acea denumire uzual, care este n acord cu numeletiinific. Denumirea uzual este format din dou pri: prima parte indic substratul sau substratelor asupracrora acioneaz enzima, iar partea a doua indic reacia catalizat. De exemplu, alcool: NAD+-oxireductazase numete curent alcool-dehidrogenaza (ADH).

innd seama de reacia catalizat, enzimele se clasific n ase clase:

1.Oxidoreductazecatalizeaz reaciile de oxido-reducere; nfuncie de acceptorul de electroni

se pot distinge:

oxidazetransfer electronii de la un substrat direct la oxigen;dehidrogenazetransfer electronii de la un substrat la alt substrat (altul dect oxigenul);oxigenazencorporeaz direct oxigenul n substrat;peroxidazetransfer electronii de la substrat la H2O2 ca acceptor.

2.Transferaze catalizeaz transferul de grupri de pe un substrat (donor) pe alt substrat(acceptor).

C1-transferazetransfer uniti de un atom de carbon ntre substrate (exemplu: metil-transferaze);amino-transferazetransfer gruparea amino de pe un aminoacid pe un cetoacid (transaminazele);kinazetransfer un radical fosfat din ATP pe un substrat; fosforilazetransfer radicalul fosfat din fosfat anorganic (Pa) pe un substrat.3.Hidrolazecatalizeaz scindarea legturilor chimice cu ajutorul apei:

fosfatazendeprteaz radicalul PO3H2-de pe un substrat;

fosfodiesterazecliveaz legturile fosfatdiesterice, cum ar fi cele din acizii nucleici;proteazescindeaz legturile peptidice din proteine.

4.Liazecatalizeaz scindarea nehidrolitic a unei grupri de pe un substrat cu formarea uneiduble legturi sau fixeaz o grupare la o dubl legtur:

decarboxilazendeprteaz CO2 de pe substrat;aldolazeformeaz aldehide n reacii de eliminare;sintazeleag dou molecule fr implicarea ATP-ului.5. Izomeraze catalizeaz reaciile de interconversiune a izomerilor optici, geometrici i de

caten:

racemaze i epimerazecatalizeaz interconversiunea stereoizomerilor L i D;mutazetransfer grupri ntre atomii aceleiai molecule; cis-trans-izomerazeinterconversiunea izomerilor geometrici; izomerazecare catalizeaz reacia reversibile (in ambele sensuri) de transformare a aldoz in cetoz

(cetoza in aldoza).

6.Ligaze sau sintetazeunirea a doi compui utiliznd energia eliberat prin hidroliza unei

molecule de ATP.


3/11


4/11


4

2.4. Specificitatea enzimelor

Dup specificitate de aciune enzimele pot fi grupate n: enzime cu specificitate absolut, enzime cuspecificitate relativ i enzime cu specificitate optic sau stereochimic.

Specificitatea absolut. Unele enzime acioneaz numai asupra unui singur substrat, catalizndo singur reacie, de exemplu ureaza:

Aceast enzim este total inactiv fa de compui foarte asemntori structural tioureea H2N-CS-NH2. De asemenea, arginaza enzima care catalizeaz hidroliza L-argininei la uree i ornitin nu poatecataliza hidroliza esterul metilic al argininei sau scindarea agmatinei, amina rezultat prin decarboxilareaargininei.

Specificitatea relativ. Multe enzime sunt specifice numai pentru anumite tipuri de legturichimice indiferent de structura moleculelor respective.

Din acest grup fac parte esterazele care fac posibil scindarea mono-, di- trigliceridelor i chiar aliesteri cu structur chimic mult mai complicat. De exemplu, acetilcolinesteraza, specific pentru acetil-colin, poate scinda i ali esteri ai colinei cu acizii propionic, butiric etc. Butiril-colina pare a fi substratul deelecie, fiind hidrolizat mai rapid dect ali esteri ai colinei.

Enzimele proteolitice care hidrolizeaz legturile peptidice din proteine i din ali compuineproteici, fac parte tot din acest grup.

Specificitatea optic. Enzimele catalizeaz transformarea numai a unui stereoizomer;specificitatea optic este de obicei absolut, cellalt antipod optic rmnnd neschimbat. Excepie facracemazele care catalizeaz interconversiunea antipozilor optici.

Enzimele care recunosc substrate cu izomeri geometrici au o specificitate geometric.Fumaraza, de exemplu, permite hidratarea acidului fumaric (izomer trans) i nu a acidului maleic

(izomer cis) cu formarea acidului malic ca produs final:

H2N C NH2

O

+ H2Oureaza

2 NH3 + CO2

HOOC C C COOH

H

H

H2OHOOC CH

OH

CH2 COOHFumaraza


5/11


5

2.5. Centrul catalitic al enzimei

Structura binar a enzimelor este indispensabil aciunii catalitice. Luate separat, att coenzima cti apoenzima nu au activitate catalitic.

Centrul catalitic a fost conceput mult vreme ca untipar rigid, preformat, substratul potrivindu-se n enzim cai cheia n broasc (lock and key) sau template(modelul Fischer). Dei n acest model centrul activ esterigid, el se mai folosete nc pentru explicarea unorproprieti enzimatice, cum ar fi legarea ntr-o anumitordine a substratelor sau curba de saturare cu substrat.

Un model mai perfecionat este cel imaginat deKoshland, numit induced fit (fixare indus), modelul cucel mai puternic suport experimental. Principala

caracteristic a acestui model este flexibilitatea centrului

activ. n absena substratului gruprile catalitice ide legare a substratului sunt deprtate unele dealtele, separate de mai multe resturi de aminoacizi.

Apropierea substratului induce o modificare

conformaional a enzimei nct gruprile careparticip la legarea substratului sau la reaciacatalitic se apropie spaial.

Situsul (centrul) activ dintr-o enzimpoate fi pus n eviden prin tratarea cu anumitesubstane ce au capacitatea de a se combinaspecific cu aminoacizii centrului catalitic,

inactivnd enzima.

2.6. Factori care influeneaz activitatea enzimatic

Influena concentraiei enzimei

Dac se utilizeaz concentraii crescnde deenzim cantitatea de substrat transformat n unitatea detimp crete proporional cu concentraia enzimei.

Influena concentraiei substratului

asupra vitezei de reacieDac se menine constant concentraia de

enzim i se mrete concentraia de substrat S, seconstat o cretere rapid a vitezei de reacie pn la o


6/11


6

valoare limit (vmax). Dac [S] continu s creasc, curba capt o inflexiune i pentru valori mari de S,viteza nu mai crete, curba tinde asimptotic ctre o valoare maxim (vmax).

Crescnd n continuare concentraia substratului viteza reaciei rmne constant deoarece nu maiexist enzim liber. Transformarea substratului n produs (produi) de reacie are loc cu formarea, pe ntru

scurt timp, a unui complex enzim-substrat.

Ipoteza formrii complexului ES a fost emis prima dat de Michaelis. Existena acestui complex afost demonstrat practic prin analiza spectrelor de absorbie n ultraviolet, vizibil, rezonan magneticnuclear, fluorescen sau prin dializ.

Cantitatea de produs P format depinde direct de concentraia complexului ES, care depinde deviteza de descompunere a compusului ES n E + S. Aplicnd legea aciunii maselor pentru reaciile deechilibru se obinerelaia:

Cnd toat enzima a fost fixat sub form decomplex ES, se atinge viteza maxim a reaciei.

KM= [S] (3) care a primit numele de constanta Michaelis, definit drept concentraia substratuluipentru care se atinge jumtate din viteza maxim.

Cnd numai jumtate din enzim este trecut n form [ES] i [E] =[ES] se atinge jumtate dinviteza maxim vmax.

Influena temperaturii asupra activitii enzimatice

Viteza de reacie crete cu cretereatemperaturii, dar n anumite limite. Studiul vitezeiiniiale a unei reacii enzimatice n funcie detemperatur determin apariia a dou faze distinctecare corespuns la dou fenomene diferite:

- n zona de temperaturi mai mici (0 i40

oC) viteza reaciei crete cnd temperatura crete.Aceast cretere a vitezei cu temperatura se explicprintr-o cretere a concentraiei complexului activat(intermediar) atunci cnd se furnizeaz mai mult

energie sub form termic sistemului n reacie.- la o temperatur ce depete 45oC se

asist la o denaturarea a proteinei.Temperatura optim pentru cele mai multe enzime este de 30oC40oC.

E + S ESK1

K2

K3E ^ P (1)

K2[E] [S]

[ES]= (2)


7/11

7

Exist microorganisme termofile care triesc n ap la 70oC 80oC i a cror enzime sunt active la aceasttemperatur. La 0oC unele enzime i nceteaz reversibil activitatea, aceast temperatur constituindtemperatura de conservare pentru unele enzime.

Influena pH-ului

Variaiile de pH pot avea efecte att la nivelul enzimei, ct i la nivelul substratului. Astfel, se poatemodifica gradul de ionizare a unor gruprifuncionale de pe enzim a cror sarcin pozitivsau negativ este necesar fie formrii complexuluienzim-substrat, fie meninerii conformaieitridimensionale native a protein-enzimei. De

asemenea, la nivelul substratului poate fi modificat

gradul de ionizare mpiedicnd sau favorizndformarea complexului enzim-substrat. Valoarea

pH-ului la care reacia enzimatic se desfoar cuvitez maxim se numete pH optim.

pH-ul optim pentru cele mai multe enzime

are valori cuprinse ntre 6 i 8. Excepie facenzimele digestive, pepsina (pH=1,5-2), arginaza (pH= 9,5-10).

Influena efectorilor asupra activitii enzimelor

Efectorii sunt substane care mresc sau scad aciunea catalitic a enzimelor. Acetia pot fiactivatori sau inhibitori.

Activatorii sunt compui de natur organic sau anorganic care n concentraii mici mresc

viteza unei reacii enzimatice atunci cnd se gsesc n mediul de reacie.O serie de ioni metalici, cum ar fi K, Cu, Fe, Mg, Mn, Co, Mo, au efecte pozitive asupra unor reacii

enzimatice. Fe, Mo, Cu particip n reaciile de oxido-reducere, Mg este necesar n reaciile de transfer ale

gruprii fosfat, iar Ca este necesar n reaciile enzimatice ce intervin n coagularea sngelui.

I nhibitorii enzimaticisunt compui care diminueaz sau anihileaz activitatea enzimelor. Ei aucompoziie chimic i mod de aciune diferit. Printre substanele capabile s se fixeze pe diferite grupri dinproteine (hidroxil, sulfhidril, carboxil) i s modifice proprietile catalitice, fie prin modificareaconformaiei, fie prin blocarea centrului activ al enzimei, se gsesc ionii metalelor grele, sau compui cumsunt acidul monoiodacetic sau acidul paraclormercuri-benzoic care reacioneaz cu gruprile -SH din

enzime.- I nhibitori i competitivisunt compui care prezint o analogie structural cu substratul enzimei i

pot intra n competiie cu acesta pentru a se fixa pe locul activ al enzimei. Enzima se poate combina fie cusubstratul, fie cu inhibitorul formnd complexele ES i EI:

E

ES

EI

E + P

PX


8/11

8

Este clar c enzima angajat n complexul EI nu poate funciona ca un catalizator, numai complexulES va permite formarea produilor de reacie.

Inhibiia depinde de concentraia substratului, inhibitorului, de afinitatea enzimei pentru substrat ipentru inhibitor.

La adugarea de cantiti mari de substrat inhibitorul este deplasat din centrul catalitic al enzimei,care va fi ocupat de substrat, iar viteza de reacie va reveni la valoare maxim ca i n absena inhibitorului.

Inhibiia competitiv are numeroase aplicaii practice, n special n terapeutic. Exemplul clasic estecel al sulfamidelor, analogi structurali ai acidului para-aminobenzoic:

Sulfamidele intr n competiie cu acidul p-aminobenzoic i inhib producerea de acid folic necesarcreterii bacteriilor.

Chimioterapia anticanceroas face apel la numeroi antimetabolii, n general analogi structurali aibazelor purinice sau pirimidinice, permind inhibiia biosintezei acizilor nucleici i blocarea diviziuniicelulare.

- Inhibitori i necompetiti vi se fixeaz fie pe enzim (dar ntr-un loc diferit de locul activ), fie pecomplexul ES pentru a forma un complex ESI, fie pe amndou.

Locul activ ale enzimei i pierd capacitatea de a reaciona cu substratul datorit unui fenomen de

mpiedicare steric. Gradul de inhibiie depinde de concentraia inhibitorului i de afinitatea enzimei pentruinhibitor. Exemple de inhibitori necompetitivi sunt cianurile, care se combin cu unele metale necesareactivitii enzimei (Fe2+, Fe3+) cu care formeaz complexe inactive asemntoare cu fero- sau fericianurile.

Unele metale grele (Hg, Pb, Cu, Ag) sunt inhibitori deoarece se combin cu gruprile SH aleenzimei formnd mercaptide

Enzim-SH + Ag+ Enzim-S-Ag + H+Agenii chelatani de tipul acidului etilendiaminotetraacetic (EDTA) leag Mg2+ sau Ca2+.

Efector i aloster ici

Activitatea catalitic a enzimelor poate fi alterat i de compui care se fixeaz pe enzim n locuri

ndeprtate de centrul activ (loc alosteric). Aceti compui pot crete activitatea catalitic i se numescefectori pozitivi, sau pot reduce activitatea catalitic i se numesc efectori negativi.Enzimele alosterice au o structur cuaternar, oligomer, formate dintr-un numr variabil de

monomeri legai prin legturi necovalente.n afara situsului catalitic unde se fixeaz substratul, aceste enzime posed unul sau mai multe

situsuri alosterice, care pot fi situate pe acelai lan polipeptidic unde se afl i centrul activ dar n zonediferite.

H2N COOH H2N SO2 NH2

acid para aminobenzoic sulfonamid\


9/11

9

- Activatorii alosterici se fixeaz la locul alosteric determinnd o modificare a conformaieienzimei, numit tranziie alosteric, care antreneaz o modificare a conformaiei la nivelul situsului catalitic.Acest situs determin o conformaie mai propice pentru fixarea substratului, crescnd afinitatea enzimeipentru substrat.

Legarea unui inhibitor alosteric produce o modificare conformaional care mpiedic legarea

substratului la locul activ (locul activ este deformat) i enzima este inhibat.

2.7. Reglarea metabolismului

Reaciile catalizate de enzime au loc cu viteze anumite, determinate de concentraia enzimei, asubstratului, pH-ului, temperaturii etc. Aceste reacii nu sunt independente unele de altele, ele sunt grupate ise succed formnd ci metabolice care funcioneaz simultan i n mod coordonat calitativ i cantitativ.

Principalele mecanisme prin care se moduleaz activitatea enzimelor dintr-o cale metabolic suntreprezentate de: reglarea alosteric, transformarea pre-enzimelor inactive n enzime active i sinteza de noimolecule de enzime.

Reglarea alostericeste mecanismul cel mai complex al coordonrii metabolice. Enzimeleimplicate n aceast reglare sunt enzime alosterice.

n unele ci metabolice, unul din produii de reacie poate inhiba prima enzim din calea respectiv:

Transformarea substratului A n produsul final G are loc printr-o succesiune de reacii catalizate dediferite enzime. Acumularea de produs G n exces, n celule, determinnd inhibiia enzimei E 1 care

catalizeaz transformarea substratului A n produsul B, considerat etap limitant a succesiunii de reaciienzimatice.

Acest tip de inhibiie se numete inhibiie prin produs final, inhibiie feed-back sau retroinhibiie.

Reglarea covalent

Un grup mare de enzime i regleaz activitatea prin adiia saundeprtarea unei grupri fosfat la un rezidiu de serin,treonin, tirozin. Fosforilarea se face pe baza ATP-ului, nprezena unei familii de enzime, denumite kinaze, iar

defosforilarea se face n prezena apei i a unor fosfataze.Rspunsul la fosforilare este diferit funcie de enzima

fosforilat. Astfel, n urma fosforilrii, unele enzime seactiveaz (glicogen fosforilaza), iar altele sunt inhibate(glicogen sintetaza).

n metabolismul glicogenului, n momentulfosforilrii, sunt fosforilate simultan dou enzime:

X Aactivatoralosteric

Activare Inhibi]ie

B C D F G inhibitor alostericE1 E2 E3

ATP ADPKinaz\

fosfatazeHPO4H2O

Enzim\

ser

OH

Enzim\

ser

O P

O

O

_

_


10/11

10

- glicogen fosforilaza, care este activat i declaneaz scindarea glicogenului;- glicogen sintetaza, care este inhibat i mpiedic reformarea glicogenului.

Transformarea pre-enzimelor n enzime activeare loc printr-un proces de proteoliz

limitat catalizat fie de enzime proteolitice, fie de H+, ca de exemplu:

Transformarea pepsinogenului i tripsinogenului poate fi catalizat de nsi forma activ a enzimei,printr-un proces de autocataliz.

Alte procese de transformare n forme active se ntlnesc la enzimele implicate n coagularea

sngelui i fibrinoliz.

Procesul de activare prin proteoliz limitat implic hidroliza unor legturi peptidice, ndeprtareaunor peptide de clivare i demascarea centrului activ al enzimei. Fenomenul se ntlnete i la uniihormoni proteici.

Reglarea sintezei de enzime reprezint un aspect particular al sintezei de proteine i seafl sub controlul aparatului genetic al celulelor, realizndu-se prin procese de inducie sau represie.

Inducia se refer la sinteza de novo a unei proteine ca r spuns la semnalul transmis de omolecul de inductor care, de multe ori, este chiar substratul enzimei (de exemplu lactoza induce sinteza debeta-galactozidaz).

Represia reprezint reprimarea sintezei de novo a unei proteine ca rspuns la prezena din mediua unui represor. De multe ori produii reaciei catalizate de o anumit enzim acioneaz n calitate derepresori limitnd sinteza respectivei enzime.

pepsinogen pepsin\

tripsinogen tripsin\

chimotripsinogen chimotripsin\

H^ sau pepsin\

tripsin\ sau enterokinaz\

tripsin\

activatori

Xa, Ca^^ , fosfolipide

plasmin\plasminogen

trombin\protrombin\


11/11

11

2.8. Importana biomedical a enzimelorrezid n utilizarea acestora n diagnosticul unorboli i instituirea unei terapii corecte, precum i folosirea unora n scop terapeutic.

Majoritatea proceselor enzimatice se petrec la nivel celular iar determinarea enzimelor se face nunele lichide biologice (snge total, urin, lichid cefalorahidian, plasm etc.).

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

aceste enzime din celule n snge. Din acest punct de vedere se deosebesc:

enzime secretate activ n plasm, mai ales de ficat, care acioneaz asupra unor substrate dinplasm ndeplinind aici un rol fiziologic. Astfel de enzime specifice plasmei se numesc enzime plasmaticefuncionale. Enzimele coagulrii, pseudocolinesteraza, sunt enzime plasmatice. Lezarea organului careproduce aceste enzime determin scderea activitii enzimelor n plasm. Pentru diagnosticarea afectiunilorhepatice se practica, alaturi de alte investigatii paraclinice, dozarea activitatii a peste zece enzyme plasmatice

nefunctionale.

enzime ale secreiilor exocrine care pot difuza pasiv n snge, fr a avea rol specific la acestnivel. Astfel de enzime sunt: amilaza, lipaza, tripsina pancreatic, pepsinogenul gastric, precum i fosfataza

alcalin biliar i fosfataza acid prostatic. Enzimele din aceast categorie vor scdea n snge n cazulatrofiei organului care le sintetizeaz sau vor crete cnd apar creteri ale permeabilitii membraneicelulelor ce le sintetizeaz;

enzimele celulare acioneaz exclusiv intracelular, se mai numesc i enzimele plasmaticenefuncionale deoarece substratele i cofactorii lor specifici nu se gsesc n plasm. Concentraia lor nspaiul intracelular este mult mai mare dect n plasm. Pentru diagnosticarea afectiunilor hepatice sepractica, alaturi de alte investigatii paraclinice, dozarea activitatii a peste zece enzime plasmatice

nefunctionale.

Ptrunderea enzimelor celulare n snge, n condiii patologice, are loc prin creterea permeabilitiimembranei celulare sub aciunea unor factori infecioi, toxici.

n leziunile distructive, attenzimele citoplasmatice ct i cele legate de organitele celulare, trec nsnge. O alt cale de ptrundere a enzimelor celulare n snge o constituie blocarea cilor de eliminarenormal a enzimelor (unele enzime hepatice, pancreatice) sau o cretere a concentraiei de enzime ca urmarea unei inducii enzimatice.

Scderea activitii enzimelor n plasm poate fi datorat scderii sintezei de enzime, consumuluiunor medicamente (cortizon, morfin, atropin) sau unor erori genetice.

Deosebit de util pentru diagnostic ar fi sa existe pentru fiecare tesut o enzima extrem de specifica in

ser. Un caz, este fosfataza acida a carei crestere a activitatii este in legatura cu carcinomul de prostata.

81388921 enzimele note de curs

Documents