Enzimele SUBSTANȚE ORGANICE CU ROL FUNCȚIONAL

¨ Generalități

            Enzimele sunt compuși macromoleculari de natură proteică cu rol de 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 exocrin; 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 reacţie.

¨ 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 :

Ø  enzime monocomponente® sunt proteine simple (holoproteine) cu moleculele alcătuite numai din radicali de aminoacizi legaţi între ei prin legături peptidice; ex. chimotripsina, ribonucleaza, lizozimul.

            Acțiunea lor biocatalitică se datorează anumitor fragmente din catena polipeptidică, ce includ grupe funcționale (componente ale catenelor laterale ale aminoacizilor): -OH, -NH2, -SH, -COOH, care vor constitui centrul activ sau situsul catalitic. Prin acest centru activ, enzima fixează substratul (îl recunoaște) sub forma unui complex enzimă-substrat, simbolizat E-S, și catalizează transformarea substratului în produsul/produșii de reacție.

Ø  enzime bicomponente  ® fac parte din clasa proteinelor complexe (heteroproteine) şi au molecula alcătuită din:

‒        componenta proteică= apoenzimă

‒        o grupare de natură neproteică= cofactor sau coenzimă

            Cofactorii sunt molecule anorganice, de regulă ioni metalici (Mg²⁺, Mn²⁺) implicate direct în actul catalitic (stabilizează enzima sau substratul).

            Coenzimele sunt molecule organice (conțin atomul de C) care au rol de ”carrier” (transportori); ele transportă electroni și protoni, diferite grupări funcționale, etc.

            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 (termolabilă), cu activitate catalitică; determină specificitatea de acțiune a enzimelor.

Apoenzima poate prezenta în structura sa:

ü  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.

ü  situsul allosteric ® Enzimele care exercită pe lângă funcția catalitică și 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.

            Coenzima®este partea neproteică, care participă efectiv la reacţia catalitică (se modifică temporar în timpul reacţiei și determină viteza reacției enzimatice); se caracterizează prin masă moleculară mică și termostabilitate.

            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

. Adenozin-trifosfat (ATP)

 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 chimice:

‒        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.

            Unele enzime acționează asupra unui singur substrat, catalizând o singură reacție (specificitate absolută-ex. ureaza), iar alte enzime acționează asupra unui grup mic de substrate foarte înrudite structural (specificitate absolută de grup-ex: alcool-DH):

‒        ureaza® catalizează descompunerea ureei

H₂N‒CO‒NH₂ +H₂O®2 NH₃ +CO2

‒        alcool-dehidrogenaza® catalizează transformarea prin dehidrogenare a alcoolilor monohidroxilici inferiori în aldehidele corespunzătoare:

R‒CH₂‒OH +NAD⁺                                                       R‒CHO + NADH +H⁺

            Multe enzime sunt specifice numai pentru anumite tipuri de legături chimice indiferent de structura moleculelor respective (specificitate relativă-ex. endopeptidazele, esterazele):

‒        endopeptidazele digestive® acționează asupra legăturilor peptidice din interiorul proteinelor (chimotripsina – scindează legatura peptidică formată de gruparea-COOH a Phe, Tyr, Trp; tripsina – legătura peptidică formată de gruparea- COOH a Lyz și Arg).

‒        esterazele ® fac posibilă scindarea mono-, di- și trigliceridelor

            c) Specificitatea stereochimică sau optică®se referă la faptul că enzimele catalizează transformarea fie numai a substratului cu configurație L, fie numai a substratului cu configurație D; 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.

            Din numărul foarte mare de resturi de aminoacizi, numai un număr limitat participă la interacțiunea cu substratul-cei care posedă anumite grupări funcționale capabile să atrgă și să fixeze molecula substratului într-un loc (situs) bine determinat. Ansamblul acestor grupări chimice funcționale alcătuiesc centrul catalitic al enzimei.

            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. Concentraţiei substratului ®  pentru majoritatea enzimelor, la concentraţii mici de substrat, viteza de reacţie este direct proporţională cu concentraţia substratului.

            3. 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.

            4. 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. pH-ul optim pentru cele mai multe enzime are valori cuprinse între 6 și 8; excepție fac enzimele digestive, pepsina (pH=1,5-2), arginaza (pH=9,5-10).

            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 ( K, Mg, Ca, Fe, Zn, Mn, Co, Mo, Cu, etc.), unii anioni (Cl– etc.), diferiţi compuşi organici cum ar fi unii tioli (cisteina, glutationul etc.).

            b. Inhibitorii enzimatici sunt compuși care diminuează sau anihilează activitatea enzimelor; ei au compoziţie chimică şi mod de acţiune diferit.  Exemple: ionii metalelor grele, 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.

¨ Reglarea activităţii enzimelor

            Marea majoritate a reacțiilor catalizate de enzime nu sunt independente unele de altele, ci ele sunt grupate și se succed formând căi metabolice care funcționează simultan și în mod coordonat calitativ și cantitativ.

            Principalele mecanisme prin care se modulează activitatea enzimelor dintr-o cale metabolică sunt reprezentate de:

            1. reglarea alosterică® este specifică enzimelor alosterice care pot 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.

            2. inhibiţia prin produsul final sau de tip feed-back (retroinhibiție), când acumularea produsului final al unei căi metabolice cauzează inactivarea enzimelor necesare pentru sinteza lui.

            3. reglare covalentă® 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.

            4. conversia precursorilor inactivi în enzime active® unele enzime care funcţionează în exteriorul celulei (în tractul digestiv sau în plasma sangvină) 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.

¨ 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 (ex. enzimele coagulării, colinesteraza, renina). Lezarea organului care produce aceste enzime determină scăderea activităţii enzimelor în plasmă;

·         enzime ale secreţiilor exocrine care pot difuza pasiv în sânge, 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 (ex. TGO, TGP, lactat-dehidrogenaza). 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.

            Efectele uni deficit enzimatic poate avea următoarele consecințe:

- oprirea formării produsului de reacție (ex., glucozo-6-fosfataza împiedică eliberarea de glucoză din glicogen, având ca efect hipoglicemia);

- acumularea de substrat pentru enzima deficitară (ex., acumularea de galactoză-1-fosfat în deficitul de galactoză-uridil-fosfat-transferază produce manifestările clinice din galactozemie);

- deficitul de metabolizare pe cale normală face ca acea substanță să urmeze altă cale metabolică generând un alt produs care este responsabil de efectele patologice.

            Erorile înnăscute de metabolism subliniază rolul important al enzimelor în patologia metabolismului.