enzime

II. Apoenzime şi cofactori enzimatici

La enzimele complexe, proprietăţile catalitice rezultă din interacţiunea şi cooperarea dintre componenta proteică şi anumite macromolecule sau ioni metalici denumiţi cofactori.

Astfel, aceste enzime sunt constituite dintr-o componentă proteică purtătoare a situsului catalitic, denumită apoenzimă şi o componentă neproteică denumită cofactor, care se localizează la nivelul centrului catalitic.


Apoenzima şi cofactorul – inactive catalitic ca entităţi separate – formează un complex molecular enzimă – cofactor denumit în terminologia clasică holoenzimă.

Inactivă Inactiv Complex activ

III. Organizarea structurală a enzimelor

Enzimele reprezintă un edificiu macromolecular complex determinat de nivelurile de organizare structurală ale proteinelor.

ENZIME

Planul temei:

1. Caracteristica generală a enzimelor.

2. Apoenzime şi cofactori enzimatici.

3. Organizarea structurală a enzimelor.

4. Specificitatea enzimelor.

Particularităţile catalizei enzimatice.

5. Cinetica reacţiilor enzimatice.

6. Clasificarea şi nomenclatura enzimelor.

I. Caracteristica generală a enzimelor

Definiţia enzimei s-a conturat atunci, când s-a observat că în sistemele biologice au loc procese catalitice, survenite din extracte de orz germinal ce realizează hidroliza amidonului.

Astfel, în 1833 a fost obţinută diastaza (sub formă de pulbere albă).


Dacă în 1920 erau estimate 10 – 15 enzime prin observarea efectului acţiunii lor, astăzi sunt caracterizate parţial peste 2 000 enzime, dintre care circa 500 au fost obţinute sub forma unor preparate perfect purificate şi studiate din punct de vedere fizico-chimic şi biologic.


Enzimele sunt substanţe care catalizează reacţiile biologice din organism. Ele au un rol esenţial în biosinteza şi degradarea substanţelor din materia vie.

Se găsesc în toate organismele vegetale, animale şi microorganisme.

Toate transformările biochimice în ţesuturi şi celule sunt posibile doar prin acţiunea enzimelor, care se mai numesc şi biocatalizatori.


Enzimele sunt produse numai de organismele vii şi îşi pot manifesta activitatea enzimatică atât în interiorul, cât şi în afara organismului.

Substanţa asupra căreia acţionează enzimele poartă numele de substrat.


Exoenzimele, după formarea lor în celule, sunt eliminate în lichidele din organism, unde îşi exercită activitatea catalitică. Astfel de enzime sunt întâlnite în lichidele interstiţiale, din diferite cavităţi, din seva elaborată etc.

Endoenzimele, numite şi enzime intracelulare, îşi exercită acţiunea în celulele în care s-au format. Ele sunt de două feluri:

lioenzime, legate mai slab în celulă şi

desmoenzime, legate puternic.


Formarea şi degradarea enzimelor în organism se realizează cu o viteză mai mare decât se produce biosinteza şi degradarea proteinelor cu rol structural.

Enzimele nu s-au putut sintetiza până în prezent în laborator, dar s-a reuşit să se stabilească succesiunea aminoacizilor din lanţul polipeptidic al unor enzime.


Unele enzime, care reprezintă proteine omogene (proteine simple) posedă proprietăţi catalitice exercitate în exclusivitate numai de componenta proteică pe care este localizat

situsul catalitic.

Astfel, enzimele posedă în structura lor anumite zone, denumite situsuri.


Situsul catalitic – o zonă specifică şi delimitată, constituită dintr-un număr mic de radicali de aminoacizi, care formează o geometrie spaţială perfect ordonată şi structural asimetrică, la nivelul căreia se exercită proprietatea catalitică a enzimei prin capacitatea de a interacţiona cu moleculele de substrat asupra cărora acţionează.


E – enzimă

SC – situs catalitic

S – substrat

[ES] – complex enzimă-substrat


Caracteristicile enzimelor allosterice:

Au ca şi toate enzimele, centru catalitic, unde se fixează şi se modifică substratul, dar mai posedă un alt centru, care are o poziţie spaţială pentru fixarea metabolitului reglator, numit efector sau modulator. Acest centru e specific pentru fiecare modulator.

Moleculele enzimelor allolosterice sunt mai mari, mai complexe şi formate din două subunităţi identice şi simetrice.


Situsul allosteric – existent pe lângă situsul catalitic, la enzimele allosterice. Prin internediul situsului allosteric la enzimele reglatoare (allosterice) se leagă un efector allosteric (inductor sau inhibitor).

De obicei enzimele allosterice sunt constituite din 2 sau mai multe subunităţi.


EA – efector allosteric

SA – situs allosteric

E – enzimă

SC – situs catalitic

S - substrat


Sunt două tipuri de enzime allosterice:

homotrope – unde modulatorul şi substratul constituie aceeaşi substanţă;

heteroptrope – enzimele sunt reglate de modulatori, care după structură diferă de substrat.


În funcţie de organizarea lor structurală ca molecule proteice, enzimele se încadrează în următoarele grupe principale:

enzime monomere,

enzime oligomere,

izoenzime,

complexe (sisteme) enzimatice.


Enzime monomere – structuri enzimatice constituite dintr-un singur lanţ polipeptidic, în care este inclus situsul catalitic (ex.: ribonucleaza, tripsina, pepsina etc.).

Ele au mase moleculare mici.


Enzime oligomere – sunt agregate moleculare constituite din două sau mai multe subunităţi (protomeri) asociate într-o structură compactă. (Ex.: aldolaza, lactatdehidrogenaza etc.).


Izoenzime – configuraţii spaţiale diferite ale uneia şi aceleiaşi enzime ce se deosebesc printr-o serie de proprietăţi fizico-chimice, dar cu aceeaşi specificitate de substrat.


Sisteme (complexe) enzimatice – edificiu polifuncţional constituit dintr-un număr de molecule de enzime intim asociate prin interacţiuni necovalente, care participă împreună într-un şir de reacţii înlănţuite.

Într-o asemenea secvenţă, produsul de reacţie catalizată de prima enzimă a sistemului multienzimatic devine substratul enzimei următoare ş. a. m. d. până la obţinerea produsului final de reacţie.

IV. Specificitatea enzimelor

Enzimele posedă o specificitate de acţiune foarte înaltă.

Astfel, datorită specificităţii de substrat, o enzimă are capacitatea de a selecta doar un substrat sau un număr limitat de substrate asupra cărora acţionează, condiţionând o reacţie biochimică bine definită.


Specificitate de substrat>Specificitate de acţiune


Specificitatea de substrat reprezintă capacitatea enzimei de a alege substratul asupra căruia urmează să acţioneze.


Specificitatea absolută – enzima acţionează numai asupra unui substrat. De exemplu, ureaza acţionează numai asupra substratului ureea (o descompune în amoniac şi bioxid de carbon), succinatdehidrogenaza – asupra acidului succinic.


stereospecificitatea – enzima acţionează numai asupra unuia din izomerii substratului, ca de exemplu, izomerii optici dextrogiri sau levogiri (D sau L);

specificitatea geometrică – enzima acţionează asupra izomerilor cis-trans (exemplu, fumaraza catalizează adiţia unei molecule de apă numai la izomerul trans al acidului fumaric).


Specificitatea relativă (se mai numeşte şi specificitate relativă de grup) – enzima acţionează asupra unui grup de substrat, care au o constituţie chimică asemănătoare.

Totuşi numărul de substrate este limitat.

De exemplu, hexokinaza, catalizează fosforilarea în prezenţa ATP a unei serii de hexoze ca substrate.


Specificitatea de acţiune

Se mai numeşte şi specificitatea de reacţie, care reprezintă proprietatea unor enzime de a cataliza un anumit tip de reacţie ce stă la baza clasificării enzimelor.

De exemplu, enzimele proteolitice catalizează hidroliza legăturilor peptidice a mai multor substrate de natură proteică (polipeptidică).


Compatibilitatea dintre enzimă (E) şi substratul său de reacţie (S)

se realizează după principiul “lacăt - cheie”.

V. Particularităţile catalizei enzimatice

În celulele organismelor vii decurg sute de reacţii chimice în cadrul cărora are loc transformarea substanţelor organice cu participarea nemijlocită a catalizatorilor biologici – enzimele.


1. Enzimele sunt catalizatori extrem de puternici: reacţia enzimatică decurge de 106 – 1012 ori mai repede decât o reacţie spontană necatalizată ce are loc în soluţie apoasă. În organismele vii, în prezenţa enzimelor timp de secunde, iar uneori şi a părţilor de secunde, au loc reacţii succesive complicate, pentru efectuarea cărora într-un laborator de chimie ar fi nevoie de un timp foarte îndelungat.


2. Reacţiile catalizate de enzime, spre deosebire de cele chimice, efectuate în condiţii de laborator, au loc fără formare de produse secundare şi cu un randament de aproximativ 100%.


3. Majoritatea enzimele sunt în stare să acţioneze în condiţii relativ blânde: temperatură moderată (25 - 40ºC), presiune normală, pH = 7,0 – 7,5.


4. Enzimele posedă o specificitate pronunţată faţă de reacţia ce o catalizează şi faţă de substraturi. Datorită acestui fapt în celula vie pot avea loc concomitent o mulţime de reacţii chimice.

Unele dintre ele duc la scindarea substanţelor organice complexe şi formarea unor substanţe mai simple însoţite de eliberarea de energie, altele (de exemplu, biosinteza polimerilor biologici), însoţite de consumare de energie.


5. Reacţiile chimice catalizate de enzime, care decurg în celulă, sunt organizate în sisteme enzimatice, alcătuite din câteva reacţii consecutive (de la 2 până la 20 şi mai multe).

Multe sisteme enzimatice sunt legate cu anumite structuri celulare (de exemplu, enzimele oxidării biologice funcţionează în componenţa mitocondriilor).


6. Reacţiile metabolice, catalizate de enzime au o reglare strictă: se formează atâtea feluri de molecule simple de câte este necesar pentru biosinteza diferitor substanţe organice.

Sistemele biologice sunt în stare să regleze sinteza catalizatorilor proprii – enzimelor.

Autoreglarea le permite celulelor vii să susţină o anumită stare staţionară chiar şi la schimbarea considerabilă a mediului ambiant şi să modifice aparatul enzimatic, ca răspuns la schimbarea bruscă a condiţiilor mediului înconjurător.

VI. Cinetica reacţiilor enzimatice

Cinetica chimică respectiv cinetica enzimatică, studiază procesele chimice sub raportul vitezelor de reacţie, respectiv al evoluţiei în timp a transformărilor caracteristice unei reacţii chimice. De asemenea, cinetica enzimatică include şi factorii care influenţează reacţiile enzimatice.


Deci, reacţiile catalizate de enzime se supun regulilor generale ale cineticii chimice, dar mai posedă o particularitate – saturarea de substrat.


Michaelis şi Menten au elaborat o teorie generală a cineticii pentru următoarea ecuaţie de viteză:


Cinetica reacţiilor enzimatice, respectiv viteza de reacţie (V) este dependentă de o serie de factori şi anume:


2. Concentraţia enzimei.

În condiţii în care concentraţia substratului este constantă, viteza de reacţie iniţială (V) este direct proporţională cu concentraţiile crescânde ale enzimei, între anumite limite. La concentraţii crescute de enzimă (E), viteza de reacţie devine constantă.


3. Temperatura. Datorită termolabilităţii lor, activitatea enzimatică se manifestă numai între anumite limite de temperatură. Temperatura la care enzima manifestă activitate maximă în aceleaşi alte condiţii se numeşte temperatură optimă a activităţii enzimatice.



În stare uscată enzimele sunt mai rezistente la temperaturi (de exemplu, enzimele seminţelor).

Temperatura acţionează asupra:

degradării enzimelor;

vitezei de disociere a complexului [ ES ], cu formare de produse (K+2);

stării de ionizare a tuturor complexelor reacţiei, inclusiv a enzimei;

legării enzimei cu cofactorii sau inhibitorii;

afinităţii enzimelor faţă de substrat;

legării coenzimei şi a altor cofactori.


Influenţa vitezei reacţiei enzimatice poate fi caracterizată după ecuaţia empirică a lui Arrenius:


Pentru a caracteriza influenţa tº asupra vitezei anumitei reacţii chimice, se utilizează coeficientul termic Q10, care arată de câte ori se măreşte viteza acestei reacţii la majorarea temperaturii cu 10ºC:

Un criteriu foarte caracteristic influenţei temperaturii asupra enzimei, este termolabilitatea şi termostabilitatea enzimei.


4. Efectul pH-ului.

Activitatea enzimatică este dependentă de pH-ul mediului în care se exercită acţiunea.

pH optim – activitatea enzimatică maximă.

pH limită – limita de acţiune enzimatică.


pH-ul are influenţă asupra:

sarcinii diferitor grupări funcţionale ale Aa din apoenzimă, iar de aici şi a stării de ionizare a întregii molecule enzimatice;

stabilitatea enzimelor şi a vitezei maxime de reacţie etc.

pH-ul optim la reacţiile reversibile poate fi diferit. De exemplu:


Influenţa efectorilor.

Efectori enzimatici sunt substanţe de natură chimică diferită care acţionează asupra enzimelor, modificând cinetica reacţiilor enzimatice.

După modul de acţiune a lor, efectorii enzimatici se clasifică în:

- activatori,

- inhibitori şi

- allosterici.


Activatorii

influenţează pozitiv activitatea enzimatică, pe care o favorizează sau stimulează. Activatorii enzimatici îşi pot exercita acţiunea pe diferite căi, în funcţie de natura lor, astfel:

diferiţi ioni – Mg2+ – activează fosfatazele;

Mn2+ şi Co2+ – peptidazele;

Zn2+ – dehidrogenazele;

Cl¯ – amilaza; Etc.

substanţe cu caracter reducător – acţionează prin protejarea grupărilor ( – SH ) active de la situsul catalitic al enzimelor. De exemplu, cisteina, glutationul redus ( G – SH ), etc.

hormonii;

coenzime;

etc.


Inhibitori

– substanţe ce provoacă diminuarea specifică a activităţii enzimei. Inhibitorii fixează grupările funcţionale ale porţiunilor catalitice şi de contact ale centrului activ al enzimei. Deci, în urma inhibiţiei nu are loc formarea complexului [ ES ].

Din inhibitori fac parte medicamentele, toxinele, unele produse metabolice etc. Se deosebesc:

1. inhibitori nespecifici – de exemplu, metalele grele, acidul tricloracetic, taninele etc.

2. inhibitori specifici – de exemplu, cianurile sunt inhibitori specifici pentru enzimele ce conţin Fe, Cu, Co.


3. inhibitori ireversibili – de exemplu, NaF inhibă ireversibil fosfatazele (dar nu alte enzime).

4. inhibitori reversibili – sunt metaboliţi intermediari sau analogii lor de structură.

inhibitori competitivi – se leagă cu aceleaşi grupări funcţionale din centrul activ al E cu care interacţionează şi substratul (amăgeşte enzima).

inhibitori necompetitivi – se leagă nu de grupările funcţionale ale E, deoarece ei nu se aseamănă cu S. Deseori se leagă de centrul allosteric. De exemplu, metalele grele sunt inhibitori nu de E, dar de [ ES ] şi se formează [ ESI ].

Inhibiţia poate fi indusă şi de produsele finale ale reacţiei sau de excesul de substrat.

VII. Clasificarea şi nomenclatura enzimelor

Au fost adoptate 2 nomenclaturi paralele:

sistematică – include denumirile chimice raţionale pentru substratul enzimei date. Indică caracterul precis al reacţiei catalizate având denumirea substratului + sfârşitul –ază.

De exemplu, succinatdehidrogenaza, malathidrataza etc.

recomandată (de lucru ) – folosită în practică. De ex. pepsina, amilaza etc.


Toate enzimele au fost împărţite în 6 clase, şi respectiv subclasele.

Fiecare enzimă are codul său format din 4 cifre:

I – clasa;

II – subclasa;

III – subsubclasa;

IV – numărul de ordine în subsubclasă.


Clasele de enzime sunt:

Clasa I. Oxidoreductaze (14 subclase) – catalizează reacţiile de oxido-reducere. Acţionează asupra următoarelor grupe: CH – OH; CH – CH3; CH – NH2.

Exemple: alcooldehidrogenaza;

ascorbatoxidaza;

catalaza; peroxidaza etc.


Clasa II. Transferaze (8 subclase) – catalizează reacţiile de transfer intermolecular al diferitor grupuri chimice şi resturi. Ele transferă aşa grupuri ca: gr. metilice ( – CH3 ), formilice ( – COH ), carboxilice ( – COOH ); resturi de aldehide, cetone, acizi; grupări ce conţin N2, P, S etc.

Exemple: hexokinaze; aminotransferaze; carboxiltransferaze; aciltransferaze etc.


Clasa III. Hidrolaze (9 subclase) – scindează hidrolitic legăturile intramoleculare. Hidrolazele scindează următoarele legături: glicozidice, peptidice, C – N, C – C, P – N etc.

Exemple: amilaze; dipeptidaze; ATP-aza; pepsina etc.


Clasa IV. Liaze (5 subclase) – scindează hidrolitic şi leagă grupele la legături duble, precum şi reacţiile de înlăturare a acestor grupe. Ele pot scinda legăturile: C – C, C – O, C – N, C – S.

Exemple: decarboxilaza acidului piruvic; aspartaza; etc.


Clasa V. Izomeraze ( 5 subclase) – catalizează reacţiile de izomerizare. Acţionează asupra: aminoacizilor, derivaţilor aminoacizilor, hidroxiacizilor etc.

Exemple: fosfopentozoizomeraze; fosfoglucoizomeraze etc.


Clasa VI. Ligaze (sintetaze) (4 subclase) – catalizează reacţii de legare a 2 molecule însoţite de scindarea legăturilor pirofosforice în molecula ATP-ului sau a unui nucleozidtrifosfat analogic. Ligazele formează următoarele legături: C – O; C – S; C – N; C – C.

Exemple: acetil CoA-sintetaza; peptidsintetaze; amidsintetaze etc.

enzime

Documents