Enzime 2015 Partea I Si II

Enzime Dr. Lucia Dican

Definiie

Biocatalizatori proteici care mresc viteza reaciilor chimice, dar numai pentru reaciile termodinamic posibileCoordoneaz toate procesele metaboliceCatalizeaz un numr redus de reacii, foarte frecvent numai una; se caracterizeaz printr-o nalt specificitateSunt implicate n majoritatea reaciilor biochimice din celule, fiind importante n diagnostic i tratament

Regiunea din enzim unde se fixeaz moleculele substratului i se produc reaciile chimice care transform aceste molecule se numete centru activComplexul enzim-substrat (ES) de la nivelul centrului activ este stabilizat prin atracii electrostatice, legturi de hidrogen, interaciuni hidrofobe,

substratComplex de tranzitie E-SProdusX

NOMENCLATURA ENZIMELORn anul 1883 se propune o alt nomenclatur care const n adugarea sufixului az la rdcina cuvntului care indic substratul, enzimele fiind denumite ureaz, arginaz, asparaginaz,etc.Ulterior s-a fcut o completare la nomenclatura propus n anul 1883, precizndu-se c n denumirea enzimelor se va indica att substratul, ct i tipul de reacie la care acesta particip: alcooldehidrogenaza (ADH), piruvatdehidrogenaza (PDH), malatdehidrogenaza (MDH), etc.

NOMENCLATURA ENZIMELORComisia pentru Enzimologie din cadrul Uniunii Internaionale de Biochimie a propus n anul 1961 un sistem de nomenclatur, clasificare i numerotare n care fiecare enzim cunoscut este caracterizat printr-un cod de patru cifre desprite prin puncte. OxidoreductazeTransferazeHidrolazeLiazeIzomerazeLigaze

NOMENCLATURA ENZIMELORprima cifr indic clasa de enzimeA doua cifr indic subclasa, respectiv gruparea sau legtura chimic interesat n reacie:

A treia cifr reprezint subsubclasa, preciznd totodat natura acceptorului: NAD+, FAD, etc.A patra cifr arat poziia enzimei n subsubclas.

Exemplu: alcooldehidrogenaza, enzima care produce oxidarea etanolului va fi notat:ADH: E.C.1.1.1.1, semnificnd urmtoarele:oxidoreductazgruparea interesat n reacie CH2OH acceptorul NAD+reprezint prima enzim n subsubclas.

CLASELE DE ENZIMEOxidoreductazele sunt enzime care catalizeaz reaciile de oxido-reducere celularUn exemplu tipic este reacia catalizat de lactatdehidrogenaz (LDH):

Oxidoreductazele cuprind 13 subclase n funcie de natura gruprii oxidate; de asemenea, innd seama de natura acceptorului, respectiv a donorului, aceste subclase sunt divizate n mai multe subsubclase.

CLASELE DE ENZIMETranferazele sunt enzime care catalizeaz transferul unei grupri X (diferit de hidrogen) de pe un donator pe un acceptor (diferit de ap);n funcie de natura acestor grupri transferazele pot fi: transaminaze, transacilaze, transmetilaze, etc.Transaminazele sunt divizate n 8 subclase, aceasta innd seama de tipul gruprii transferate, iar subclasele, la rndul lor, mprite n mai multe subsubclase.O categorie important de reacii aparinnd acestei clase sunt reaciile de transaminare, cum este cea catalizat de GOT (Glutamic-Oxalilacetic-Transaminaz):

CLASELE DE ENZIMEHidrolazele sunt enzime care produc scindarea substratului cu fixarea componentelor apeiHidrolazele se mpart n 9 subclase principale, n funcie de tipul legturii hidrolizate; desigur, fiecare subclas cuprinde mai multe subsubclase

CLASELE DE ENZIME Liazele sunt enzime care produc scindarea substratului prin alte mecanisme dect cel al hidrolizei;Liazele cuprind 5 subclase

CLASELE DE ENZIMEIzomerazele catalizeaz reaciile de interconversiune a izomerilor optici, geometrici sau de poziie. Izomerazele sunt divizate n 5 subclase mari.Enzima participant la reacie este triozizomeraza (TIM).

Gliceroaldehidfosfat Dihidroxiacetonfosfat (G-A-P) (DHAP)

CLASELE DE ENZIMELigazele catalizeaz formarea unei noi legturi CC, CO, CN, CS, reaciile fiind cuplate cu scindarea ATP.Ligazele sunt divizate n patru subclase, care la rndul lor cuprind mai multe subsubclase

STRUCTURA ENZIMELORDin punct de vedere structural enzimele se mpart n dou mari clase:formate numai din aminoacizi, avnd prin urmare o natur exclusiv proteic; n aceast categorie intr proteazele, lipazele, ribonucleaza, etc.enzime care pe lng componenta proteic mai conin i o component neproteic numit i cofactor; majoritatea enzimelor au aceast structur.Componenta proteic a enzimelor este numit apoenzim, iar componenta neproteic cofactor (cum s-a meionat) i poate fi grupare prostetic, coenzim sau ioni metalici.Gruparea prostetic este componenta neproteic legat de apoenzim prin legturi covalente ferme, stabile, neputndu-se desprinde de aceasta; funcioneaz ca grupri prostetice FMN, FAD, etc.Coenzima, de obicei derivat al unei vitamine este componenta neproteic legat de apoenzim prin legturi labile; ea poate trece uor de la o apoenzim la alta. Au rol de coenzime n diversele reacii NAD+, NADH,H+, NADP+, etc.Ionii metalici sunt necesari pentru activitatea a numeroase enzime. Dup modul de legare i rolul ionului metalic, enzimele sunt:metaloenzime ce conin o cantitate bine definit de ion metalic funcional, fiind strns legat de apoenzim

n concluzie putem afirma c enzimele, ca de altfel toi catalizatorii, favorizeaz desfurarea unei reacii prin scderea barierei cinetice, fr a modifica bariera termodinamic. O reacie termodinamic imposibil nu poate fi influenat nici de catalizatori, nici de enzimeSPESESTEPSTEnergia (reactia necatalizata)Energia descreste (reactia catalizata)Reduc energia de activare (Ea ) i consecutiv mresc numrul ciocnirilor eficace dintre reactani => mresc viteza de reacieT = starea de tranzitieSe pune problema: cum poate fi sczut nivelul energiei de activare pentru a se mri viteza de reacie ?

Centrul ActivRegiunea din enzim unde se fixeaz moleculele substratului i se produc reaciile chimice care transform aceste molecule se numete centru activ.

(1) Stabilizeaza tranzitia(2) Expulzeaza apa(3) Grupari reactive(4) Coenzima helps(2)(3)(4)(1)CoE+-

centrul activ al unei enzime Centrul activ ocup o poriune relativ mic dintr-o enzim;Centrul activ este o entitate tridimensional; aminoacizi aflai n locuri diferite ale lanului polipeptidic ajung, datorit conformaiei spaiale, n apropiere constituind centrul activ;Natura legturilor dintre enzim i substrat depinde de aranjamentul atomilor din centrul activ. Astfel, un substrat trebuie s aib o form potrivit pentru a ptrunde n centrul activ al unei enzime. FISCHER propune modelul CHEIA N BROASC, adic substratul trebuie s se potriveasc perfect la centrul activ pentru a suferi procesul catalitic. Alte cercetri experimentale susin ns c centrul activ al unei enzime nu este rigid, c forma acestuia se modific n momentul legrii substratului. Acest fenomen de recunoatere dinamic a substratului de ctre enzim a fost numit de KOSHLAND POTRIVIRE INDUS.

Centrul activ al enzimelor1890Fisher propune modelul broasc- cheie:

S trebuie s se potriveasc perfect la centrul activ pentru a suferi procesul catalitic

Fisher

Centrul activ al enzimelor1958 Koshland susine c centru activ al enzimei nu este rigid

Forma acestuia se modific n momentul legrii S= recunoastere dinamica a S de catre E

centrul activ al unei enzime Substratul se leag de enzim prin fore relativ slabe; complexul enzim-substrat care se formeaz poate trece n produii de reacie cu eliberarea enzimei, sau poate reface substratul iniial: Pentru majoritatea enzimelor centrul activ apare sub forma unei despicturi n apoenzim; aceast falie este cptuit cu aminoacizi hidrofobi, apa fiind n mare parte exclus. Totui centrul activ conine i unii aminoacizi cu resturi polare, eseniali pentru procesul de cataliz.Pe lng resturile catalitice aflate n centrul activ, care particip direct la transformarea substratului, apoenzima mai conine aa-numitele resturi de specificitate, unde sunt prezeni aminoacizi cu rol n recunoaterea substratului

centrul activ al unei enzime Un exemplu l constituie ribonucleaza, enzim ce produce scindarea ARN; centrul activ al acestei enzime este format de His12 i His119, care reprezint resturile catalitice. Pe lng aceti aminoacizi, ribonucleaza mai conine n regiunea cuprins ntre aminoacizii 31-41 i 5 aminoacizi bazici, cu rol important n recunoaterea moleculei de ARN care are caracter acid i care reprezint resturile de specificitate.Pentru un mare numr de enzime centrul activ conine Ser, Cys, His, Tyr, Lys.Spre deosebire de enzimele obinuite, ENZIMELE ALOSTERICE conin pe lng centrul activ i o zon numit centru alosteric; aici se fixeaz efectorii alosterici, care nu intervin direct n cataliz, dar pot influena procesul catalitic prin modificarea conformaiei spaiale a enzimei.

S trebuie s aib o form potrivit pentru a ptrunde n centrul activ al unei EX

Centrul activ evita influenta moleculelor de apaAtracii electrostatice-+

SPECIFICITATEA ENZIMELORSPECIFICITATEA DE SUBSTRATCnd o enzim acioneaz asupra unui singur substrat vorbim de specificitate absolut; amintim ureaza, arginaza, etc

Dac o enzim acioneaz asupra unui grup de substrate cu structur asemntoare vorbim de specificitate relativ; n aceast clas intr proteazele, lipazele, fosfomonoesterazele, etc.

SPECIFICITATEA ENZIMELORSPECIFICITATEA DE ACIUNEUn substrat poate suferi aciunea mai multor enzime, care vor produce reacii diferite, avnd ca rezultat produi de reacie diferii.

SPECIFICITATEA ENZIMELORSTEREOSPECIFICITATEAdac unele substrate se gsesc n una din formele D(+), D(), L(+) sau L(), enzima transform numai una din ele. Prin urmare enzima deosebete att izomerii optici (+,) (dextrogir, levogir), ct i formele spaiale (D,L).

STEREOSPECIFICITATEAEnzimele deosebesc izomerii geometrici cis, trans

fumaraza acioneaz numai asupra acidului fumaric (izomerul trans) i nu asupra acidului maleic (izomerul cis):

STEREOSPECIFICITATEAAsimetria biologicn acest caz enzima este capabil s diferenieze grupri care din punct de vedere chimic sunt identice. Explicaia acestui fapt const n aceea c dei un substrat apare ca fiind simetric, interaciunea E-S este asimetric. Stereospecificitatea interaciunilor E-S a fost prima dat demonstrat i explicat n cazul aconitazei, enzim al crui substrat este acidul citric.Reiese c aconitaza atac ntotdeuna numai partea din structura acidului citric care provine din OAA, dei cealalt parte, identic, are anse egale de a participa la reacie

StereospecificitateaAExplicaia const n aceea c interaciunea E cu S simetric se face ntr-o manier ce-i confer acestuia (S) asimetrie; aceasta este posibil deoarece legarea E cu S se face prin cel puin trei puncte, fiind diferit n funcie de modul de abordare a substratului de ctre enzim. sp3Suprafata enzimatica

EXEMPLE DE SPECIFICITATE ENZIMATICPROTEAZELEPepsina hidrolizeaz numai legturile peptidice la care particip L-aminoacizii, hidroliza fiind favorizat dac R i R sunt resturi aromatice.Tripsina atac legturile peptidice n care gruparea provine de la aminoacizi bazici (lizin sau arginin). Substituirea gruprii NH2 din catenele laterale ale aminoacizilor inhib puternic activitatea enzimatic, n timp ce substituirea gruprii NH2 terminale favorizeaz aciunea sa.Chimotripsina are aciune hidrolitic asupra legturilor peptidice la care particip aminoacizii aromatici.Carboxipeptidazele scindeaz legtura peptidic cea mai apropiat de captul C-terminal, dac ultimul aminoacid este aromatic.Leucinaminopeptidazele scindeaz legtura peptidic cea mai apropiat de captul N-terminal, cu condiia ca acest aminoacid (N-terminal) s fie leucina, norleucina, norvalina sau acidul aminocaproic.

Specificitatea Ser-ProteazelorCentrul activ TrypsinaChymotrypsinaElastazaTaie la nivelul Lys, ArgT rp, Phe, TyrTaie la nivelul Ala, GlyNon polarBuzunar incarcat negativNon polar

EXEMPLE DE SPECIFICITATE ENZIMATICCOLINESTERAZELESunt enzime care hidrolizeaz esterii colinei:

Celulele creierului necesita acetilcolina pentru a transmite mesaje ntre celulele creierului i alte pri ale corpului. Nivelurile reduse ale neurotransmitorului acetilcolin sunt asociate cu niveluri mai sczute de activitate cognitiva. Pacientii cu boala Alzheimer au un nivel crescut de acetilcolinesteraza. n plus fa de inhibarea acetilcolinesterazei din creier, huperzina A crete efectiv concentraiile acetilcolin, ceea ce mbuntete i mai mult de memoria, procesarea cognitiv i altele functii legate de activitatea creierului.huperzina A ,extractul activ din Huperzia serrata, actioneaza ca un puternic inhibitor al unei enzime numite acetilcolinesteraza ( AChEI )

EXEMPLE DE SPECIFICITATE ENZIMATICGLICOZIDAZELESunt enzime care scindeaz legturile glicozidice; frecvent aceste enzime sunt specifice unei monozaharide particulare (glucozidaz, galactozidaz, manozidaz, etc).

EXEMPLE DE SPECIFICITATE ENZIMATICAMINOACIDOXIDAZELESunt enzime ce catalizeaz reacile de oxidare ale aminoacizilorEnzimele fac distincie net ntre L- sau D-aminoacizi; prin urmare se cunosc L-aminoacidoxidaze sau D-aminoacidoxidaze

CONCLUZII

Specificitatea pentru o structur complex coninnd numeroase grupri funcionale dispuse ntr-un mod bine determinat, arat c legarea enzimei cu substratul se face prin mai multe puncte. Aceast necesitate a contactelor multiple i simultane este cea care explic remarcabila specificitate steric a enzimelor, incluznd posibilitatea de difereniere ntre grupe aparent identice ale moleculelor simetrice. Pe de alt parte, diversitatea gruprilor chimice care determin o specificitate dat, implic participarea a numeroase fore pentru asigurarea formrii complexului enzim-substrat. Dac substratul conine grupri ncrcate, interaciunea cu enzima va fi ntotdeauna de tip electrostatic; dac substratul conine grupri fr sarcin, intr n joc alte fore ca: legturi de hidrogen, fore Van der Waals, etc.

CINETICA ENZIMATICStudiul fundamental al procesului catalitic se bazeaz pe msurarea cantitativ a vitezei reaciilor catalizateFactori care acioneaz asupra vitezei concentraia enzimei concentraia substratuluitemperaturapH-ulefectorii enzimatici

CONCENTRAIA ENZIMEIn condiii adecvate, viteza unei reacii enzimatice este funcie liniar de concentraia enzimei:V = k(E)unde E reprezint concentraia enzimei.

Concentratia substratuluiS+EP

ECUAIA LUI MICHAELIS-MENTEN

Dup cum reiese, K1, K1, K2 i K2 sunt constantele de vitez ale reaciilor considerate. Vitezele de reacie corespunztoare acestor echilibre sunt:V1=K1[E][S]V-1=K-1[ES] V2 =K2[ES]V-2=K-2[E][P]

Pentru simplificarea deducerii ecuaiei lui Michaelis-Menten facem urmtoarele presupuneri:probabilitatea ca E+P s treac n complexul ES este nul; deci:

V2=0cantitatea de enzim din amestec rmne nemodificat pe tot parcursul reaciei; rezult c:[Et]=[ES]+[E]etapa limitant de vitez este V2, putnd afirma c:V=V2=K2[ES]

concentraia complexului [ES] rmne constant; V1=V1+V2

SEMIFICAIA LUI Km I Vmax

Km (constanta lui Michaelis-Menten) este o concentraie de substrat i anume acea concentraie pentru care viteza de reacie este jumtate din viteza maxim.V =

Km = [S]Semnificaia lui Km este bine definit; Km reflect afinitatea enzimei pentru substrat i anume cu ct Km este mai mic cu att afinitatea enzimei pentru substrat este mai mare i invers. Explicaia este simpl: Km mic arat c la o valoare mic a concentraiei substratului se atinge , ceea ce bineneles demonstreaz afinitatea mare a acesteia pentru substrat i invers.Vmax reprezint viteza maxim de reacie; ea reflect capacitatea catalitic maxim a enzimei i teoretic poate fi atins numai la concentraii infinite de substrat

DETERMINAREA LUI Km I Vmax

Din curba lui Michaelis-Menten nu poate fi determinat Vmax deoarece nu se pot atinge concentraii infinite ale substratului, iar de aici nici Km. Pentru determinarea lor se procedeaz la linearizarea ecuaiei lui Michaelis-Menten obinndu-se ecuaia lui Lineweawer-Burk; n aceast ecuaie 1/V este exprimat n funcie de 1/S.Se msoar unghiul , iar din tg se determin Km deoareceKm = tgVmax

ConcluziiEcuaia lui Michaelis-Menten este fundamental n studiul de cinetic enzimatic, permind analiza cantitativ a majoritii reaciilor enzimatice.Ea a fost dedus pornind de la ideea formrii unui singur intermediar ES, cum am vzut; comportarea cinetic a enzimelor este ns mult mai complex, deoarece chiar n reaciile cu un singur substrat pot aprea mai muli intermediari.De asemenea, majoritatea reaciilor implic mai multe substrate i mai muli produi; analiza cinetic a lor este prin urmare mult mai complex, dar punctul de plecare rmne tot ecuaia lui Michaelis-Menten.Menionez c formarea complexului ES postulat de Michaelis-Menten nu este o speculaie teoretic, existena sa fiind dovedit pe mai multe ci.

TEMPERATURA

Creterea temperaturii determin creterea vitezei de reacie, mrindu-se micarea moleculelor. S-a constatat c pentru creterea temperaturii cu 10 C, viteza de reacie se dubleaz sau tripleaz; aceasta ns numai pn la o anumit temperatur numit temperatura optim, la care viteza de reacie este maxim, dup care viteza de reacie scade rapid, deoarece enzimele fiind proteine se denatureaz ireversibil la temperaturi ridicate.Temperatura optim de aciune a enzimelor n organism este 37 C; la 40 C majoritatea enzimelor sunt inactivate, pentru ca la 60 C toate enzimele s fie denaturate ireversibil.

TEMPERATURAK = constanta de vitezA = factor de frecvenE = energia de activareR = constanta general a gazelorT = temperatur absolut

TEMPERATURASemnificaia fizic a energiei de activare a fost exprimat prin teoria complexului activat sau teoria vitezelor absolute de reacie. Conform acestei teorii, ntre moleculele iniiale i produii de reacie exist o barier de energie numit energie de activare; pentru a reaciona, moleculele trebuie s aib o energie cel puin egal cu energia de activare. Desigur, cu ct aceast energie este mai mic numrul moleculelor care vor reaciona va fi mai mare i deci viteza de reacie mai mare i invers, la o energie de activare mare viteza de reacie va fi mai mic.

pH-ul

Enzimele i desfoar activitatea la anumite valori ale pH-ului. Aceasta este firesc deoarece enzimele sunt proteine, iar gruprile care fac parte din centrul activ pot fi disociate. Rolul enzimelor n fixarea substratului, sau n cataliz poate depinde de forma (disociat sau nedisociat) sub care se afl. Substratul poate, de asemenea, s se afle ntr-o form disociat sau nedisociat, ceea ce determin complexarea enzimei aflat n una sau alta din forme.n general enzimele sunt active ntr-un interval de pH. n cadrul acestuia exist o valoare la care activitatea enzimatic este maxim; acesta este pH-ul optim.

pH-ul

Pentru a ilustra efectul pH-ului asupra activitii enzimelor prin modificri ale gradului de ionizare vom considera un exemplu general. Presupunem c activitatea unei enzime depinde de dou grupri disociabile prezente la centrul activ: COOH (rest al acidului glutamic) i gruparea imidazol (rest al histidinei). Dac noi ne referim exclusiv la aceste dou funciuni, putem considera enzima ca putnd exista sub urmtoarele trei forme (aceasta n funcie de pH): AH2+, AH, A

Dac substratul este sub forma S+, el va putea interaciona cu forma A, prezent numai n mediu bazic; dac substratul este sub forma S, el va putea interaciona numai dac enzima este sub forma AH2+, iar aceasta este posibil numai n mediu puternic acid.

pH-ulSchimbarea conformaiei spaialeO alt modificare a enzimei sub aciunea pH-ului este schimbarea conformaiei spaiale a acesteia. Deseori, n regiunea n care se leag substratul este necesar un grup distal ncrcat, pentru a menine structura teriar sau cuaternar nativ. Dac sarcina acestei grupri este schimbat, enzima i modific conformaia n sensul c devine fie mai compact, fie disociaz n protomeri, prin aceasta pierzndu-i activitatea.Dat fiind multitudinea de ci prin care pH-ul influeneaz activitatea enzimatic, la determinarea activitii unei enzime trebuie s se in seama de pH-ul optim de aciune al acesteia.

pH-ulPentru majoritatea enzimelor activitatea optim are loc la pH=5,0-9,0, dar se cunosc numeroase enzime a cror pH optim de aciune este n afara acestor limite:

ENZIMApH-UL OPTIMLOCUL DE ACIUNEpepsinatripsinachimotripsinaamilazalipazafosfataza alcalinfosfataza acid1,88,08,1-8,67,07,0-7,58,6-9,15,0-5,6sucul gastricsucul pancreaticsucul pancreaticsucul pancreaticpancreasoaseprostat

Mecanismul de actiune al enzimelorEnzimele nu acioneaz toate dup un singur mecanism de reacie universal valabil

Dintre numeroasele mecanisme de aciune propuse, cele mai importante sunt:

cataliza acido-bazic, cataliza covalentcataliza prin ioni metalicicataliza prin distorsiune.

Mecanismul de actiune al enzimelorCataliza acido-bazicaEste cel mai frecvent mecanism ntlnit n cataliza enzimatic Consta in procese de transfer de protoni intre gruparile acido-bazice ale enzimei si cele ale substratuluin calitate de catalizatori acido-bazici generali pot funciona gruprile carboxilice sau aminice libere ale resturilor aminoacizilor acizi sau bazici; gruparea tiol a cisteinei, gruparea imidazol a histidinei i gruparea hidroxil a tirozinei.

Mecanismul de actiune al enzimelorCataliza acido-bazica

Viteza reactiilor catalizate de acizi sau baze este influentata de doi factori importanti:

Taria acizilor sau a bazelor: gruparea imidazol a histidinei are pka=6, actionand ca donor/acceptor la pH fiziologicViteza cu care acidul sau baza cedeaza/accepta protoni; si din acest punct de vedere este eficienta His

In chimotripsina, aminoacizii Asp 102 si His 57 functioneaza ca grupe cu caracter acid si, respectiv caracter bazic.

Mecanismul de actiune al enzimelorCataliza covalenta

Serin proteazele (tripsina, chimotripsina, trombina) actioneaza dupa acest mecanism.

Inainte de a se lega la enzima, substratul adopta o stare de tranzitie caracterizata prin entropie scazuta, pentru care enzima are afinitate mai mare

Cataliza covalenta

Cea mai comun cale n cataliza covalent implic atacul unei grupri nucleofile a catalizatorului asupra atomului de carbon electrofil al substratului. Gruprile nucleofile conin atomi ce posed electroni neparticipani capabili s-i pun n comun; aceste grupri sunt catalizatori extrem de eficieni, putnd cataliza reacii foarte diferite.

Cataliza covalentaMoleculele enzimelor conin mai multe grupri nucleofile, capabile s iniieze procese catalitice; amintim:gruparea imidazol a His - gruparea OH a Ser gruparea SH a Cys

Cataliza covalentaVom exemplifica acest tip de cataliz prin hidroliza unui acil-derivat:RX, unde R = acil:n absena catalizatorului n prezena catalizatorului nucleofil (Y):n prezena catalizatorului nucleofil (Y) se formeaz intermediarul covalent RY, care coboar mult bariera energiei de activare, mrind viteza de reacie.

EFECTORII ENZIMATICISunt compui care modific reaciile enzimatice; unii le activeaz i se numesc activatori, alii le inhib i prin urmare se numesc inhibitori. Efectorii enzimatici i exercit aciunea foarte diferit, producnd modificri asupra: - enzimei- substratului- coenzimei- complexului enzim-substrat

INHIBITORII

Sunt substane care opresc sau reduc viteza reaciilor enzimatice. Mecanismul de aciune este foarte complex, deoarece:- inhib formarea complexului ES;- blocheaz metalele implicate n procesul catalitic;- acioneaz asupra protein-enzimei modificndu-i structura, etc.Inhibiia unei reacii enzimatice poate fi reversibil sau ireversibil; n primul caz activitatea enzimatic se reia prin eliminarea inhibitorului din mediu, dar n cel de-al doilea enzima nu-i mai poate relua activitatea

INHIBIIE IREVERSIBIL

n acest tip de inhibiie se formeaz un complex enzim-inhibitor stabil, nedisociabil: (reacie ireversibil)Inhibiia ireversibil prezint urmtoarele caracteristici:inhibiia se accentueaz progresiv, pn la nlturarea complet a activitii enzimatice i nu poate fi anulat prin ndeprtarea inhibitorului;se datoreaz unor modificri covalente i permanente ale gruprilor funcionale necesare catalizei, transformnd enzimele n molecule inactive;la nceput acest tip de inhibiie este incomplet, dar crete n timp, pe msur ce apar modificrile chimice respective.

INHIBIIE IREVERSIBILAcidul iodacetic (ICH2COOH) este un inhibitor al ribonucleazei la pH = 5,5. Prin tratarea enzimei cu acest compus se obin mai multe forme inactive ale enzimei; una n care se formeaz un produs alchilat al His119, alta n care se obine un produs alchilat al His12 i n fine o form n care ambele histidine sunt alchilate. Concluzia cert a acestei experiene este c cele dou histidine sunt implicate n activitatea catalitic a enzimei.2. DIPFP este un inhibitor ireversibil al mai multor enzime ca: tripsina, chimotripsina, trombina, elastaza, acetilcolinesteraza, etc., enzime ce conin n centrul activ serina. DIPFP, compus ce face parte din clasa organofosforicelor, reacioneaz cu gruparea OH a serinei, oprind activitatea enzimatic. Printre enzimele serinice este i acetilcolinesteraza, enzim implicat n transmiterea influxului nervos; datorit aciunii toxice pe care o are asupra SNC, DIPFP a fost numit i otrava nervilor.3. Ionii metalelor grele ca Hg2+, Pb2+, sunt inhibitori ireversibili pentru enzimele ce conin aminoacizi cu sulf n centrul activ

INHIBIIE REVERSIBIL

competitiv, necompetitiv.

INHIBIIE COMPETITIVInhibitorii competitivi prezint dou particulariti:- au o structur asemntoare cu substratul;- ntre inhibitor i substrat are loc o competiie pentru a se lega de centrul activ al enzimei.

INHIBIIE COMPETITIV[E] [S] = Km [ES]

[E] [I] = Ki [EI]

[Et] = [E] + [ES] + [EI]

V = Vmax [ES] [Et]

V = Vmax [S] . Km (1+ [ I ] ) + [S] KiE + S ES E+P + I

EI

Enzime

Dr. Lucia Dican

Definiie

Biocatalizatori proteici care mresc viteza reaciilor chimice, dar numai pentru reaciile termodinamic posibileCoordoneaz toate procesele metaboliceCatalizeaz un numr redus de reacii, foarte frecvent numai una; se caracterizeaz printr-o nalt specificitateSunt implicate n majoritatea reaciilor biochimice din celule, fiind importante n diagnostic i tratament

Regiunea din enzim unde se fixeaz moleculele substratului i se produc reaciile chimice care transform aceste molecule se numete centru activComplexul enzim-substrat (ES) de la nivelul centrului activ este stabilizat prin atracii electrostatice, legturi de hidrogen, interaciuni hidrofobe,

substrat

Complex de tranzitie E-S

Produs

X

NOMENCLATURA ENZIMELOR

n anul 1883 se propune o alt nomenclatur care const n adugarea sufixului az la rdcina cuvntului care indic substratul, enzimele fiind denumite ureaz, arginaz, asparaginaz,etc.Ulterior s-a fcut o completare la nomenclatura propus n anul 1883, precizndu-se c n denumirea enzimelor se va indica att substratul, ct i tipul de reacie la care acesta particip: alcooldehidrogenaza (ADH), piruvatdehidrogenaza (PDH), malatdehidrogenaza (MDH), etc.


Comisia pentru Enzimologie din cadrul Uniunii Internaionale de Biochimie a propus n anul 1961 un sistem de nomenclatur, clasificare i numerotare n care fiecare enzim cunoscut este caracterizat printr-un cod de patru cifre desprite prin puncte. OxidoreductazeTransferazeHidrolazeLiazeIzomerazeLigaze


prima cifr indic clasa de enzimeA doua cifr indic subclasa, respectiv gruparea sau legtura chimic interesat n reacie:

A treia cifr reprezint subsubclasa, preciznd totodat natura acceptorului: NAD+, FAD, etc.A patra cifr arat poziia enzimei n subsubclas.

Exemplu: alcooldehidrogenaza, enzima care produce oxidarea etanolului va fi notat:ADH: E.C.1.1.1.1, semnificnd urmtoarele:oxidoreductazgruparea interesat n reacie CH2OH acceptorul NAD+reprezint prima enzim n subsubclas.

CLASELE DE ENZIME

Oxidoreductazele sunt enzime care catalizeaz reaciile de oxido-reducere celularUn exemplu tipic este reacia catalizat de lactatdehidrogenaz (LDH):

Oxidoreductazele cuprind 13 subclase n funcie de natura gruprii oxidate; de asemenea, innd seama de natura acceptorului, respectiv a donorului, aceste subclase sunt divizate n mai multe subsubclase.

CLASELE DE ENZIME

Tranferazele sunt enzime care catalizeaz transferul unei grupri X (diferit de hidrogen) de pe un donator pe un acceptor (diferit de ap);n funcie de natura acestor grupri transferazele pot fi: transaminaze, transacilaze, transmetilaze, etc.Transaminazele sunt divizate n 8 subclase, aceasta innd seama de tipul gruprii transferate, iar subclasele, la rndul lor, mprite n mai multe subsubclase.O categorie important de reacii aparinnd acestei clase sunt reaciile de transaminare, cum este cea catalizat de GOT (Glutamic-Oxalilacetic-Transaminaz):

CLASELE DE ENZIME

Hidrolazele sunt enzime care produc scindarea substratului cu fixarea componentelor apeiHidrolazele se mpart n 9 subclase principale, n funcie de tipul legturii hidrolizate; desigur, fiecare subclas cuprinde mai multe subsubclase

CLASELE DE ENZIME

Liazele sunt enzime care produc scindarea substratului prin alte mecanisme dect cel al hidrolizei;Liazele cuprind 5 subclase

CLASELE DE ENZIME

Izomerazele catalizeaz reaciile de interconversiune a izomerilor optici, geometrici sau de poziie. Izomerazele sunt divizate n 5 subclase mari.Enzima participant la reacie este triozizomeraza (TIM).

Gliceroaldehidfosfat Dihidroxiacetonfosfat (G-A-P) (DHAP)

CLASELE DE ENZIME

Ligazele catalizeaz formarea unei noi legturi CC, CO, CN, CS, reaciile fiind cuplate cu scindarea ATP.Ligazele sunt divizate n patru subclase, care la rndul lor cuprind mai multe subsubclase

STRUCTURA ENZIMELOR

Din punct de vedere structural enzimele se mpart n dou mari clase:formate numai din aminoacizi, avnd prin urmare o natur exclusiv proteic; n aceast categorie intr proteazele, lipazele, ribonucleaza, etc.enzime care pe lng componenta proteic mai conin i o component neproteic numit i cofactor; majoritatea enzimelor au aceast structur.Componenta proteic a enzimelor este numit apoenzim, iar componenta neproteic cofactor (cum s-a meionat) i poate fi grupare prostetic, coenzim sau ioni metalici.Gruparea prostetic este componenta neproteic legat de apoenzim prin legturi covalente ferme, stabile, neputndu-se desprinde de aceasta; funcioneaz ca grupri prostetice FMN, FAD, etc.Coenzima, de obicei derivat al unei vitamine este componenta neproteic legat de apoenzim prin legturi labile; ea poate trece uor de la o apoenzim la alta. Au rol de coenzime n diversele reacii NAD+, NADH,H+, NADP+, etc.Ionii metalici sunt necesari pentru activitatea a numeroase enzime. Dup modul de legare i rolul ionului metalic, enzimele sunt:metaloenzime ce conin o cantitate bine definit de ion metalic funcional, fiind strns legat de apoenzim

n concluzie putem afirma c enzimele, ca de altfel toi catalizatorii, favorizeaz desfurarea unei reacii prin scderea barierei cinetice, fr a modifica bariera termodinamic. O reacie termodinamic imposibil nu poate fi influenat nici de catalizatori, nici de enzime

S

P

ES

EST

EP

ST

Energia (reactia necatalizata)

Energia descreste (reactia catalizata)

Reduc energia de activare (Ea ) i consecutiv mresc numrul ciocnirilor eficace dintre reactani => mresc viteza de reacie

T = starea de tranzitie

Se pune problema: cum poate fi sczut nivelul energiei de activare pentru a se mri viteza de reacie ?

Centrul Activ

Regiunea din enzim unde se fixeaz moleculele substratului i se produc reaciile chimice care transform aceste molecule se numete centru activ.

(1) Stabilizeaza tranzitia

(2) Expulzeaza apa

(3) Grupari reactive

(4) Coenzima helps

(2)

(3)

(4)

(1)

CoE

+

-

centrul activ al unei enzime

Centrul activ ocup o poriune relativ mic dintr-o enzim;Centrul activ este o entitate tridimensional; aminoacizi aflai n locuri diferite ale lanului polipeptidic ajung, datorit conformaiei spaiale, n apropiere constituind centrul activ;Natura legturilor dintre enzim i substrat depinde de aranjamentul atomilor din centrul activ. Astfel, un substrat trebuie s aib o form potrivit pentru a ptrunde n centrul activ al unei enzime. FISCHER propune modelul CHEIA N BROASC, adic substratul trebuie s se potriveasc perfect la centrul activ pentru a suferi procesul catalitic. Alte cercetri experimentale susin ns c centrul activ al unei enzime nu este rigid, c forma acestuia se modific n momentul legrii substratului. Acest fenomen de recunoatere dinamic a substratului de ctre enzim a fost numit de KOSHLAND POTRIVIRE INDUS.

Centrul activ al enzimelor

1890Fisher propune modelul broasc- cheie:

S trebuie s se potriveasc perfect la centrul activ pentru a suferi procesul catalitic

Fisher

Centrul activ al enzimelor

1958 Koshland susine c centru activ al enzimei nu este rigid

Forma acestuia se modific n momentul legrii S= recunoastere dinamica a S de catre E


Substratul se leag de enzim prin fore relativ slabe; complexul enzim-substrat care se formeaz poate trece n produii de reacie cu eliberarea enzimei, sau poate reface substratul iniial: Pentru majoritatea enzimelor centrul activ apare sub forma unei despicturi n apoenzim; aceast falie este cptuit cu aminoacizi hidrofobi, apa fiind n mare parte exclus. Totui centrul activ conine i unii aminoacizi cu resturi polare, eseniali pentru procesul de cataliz.Pe lng resturile catalitice aflate n centrul activ, care particip direct la transformarea substratului, apoenzima mai conine aa-numitele resturi de specificitate, unde sunt prezeni aminoacizi cu rol n recunoaterea substratului


Un exemplu l constituie ribonucleaza, enzim ce produce scindarea ARN; centrul activ al acestei enzime este format de His12 i His119, care reprezint resturile catalitice. Pe lng aceti aminoacizi, ribonucleaza mai conine n regiunea cuprins ntre aminoacizii 31-41 i 5 aminoacizi bazici, cu rol important n recunoaterea moleculei de ARN care are caracter acid i care reprezint resturile de specificitate.Pentru un mare numr de enzime centrul activ conine Ser, Cys, His, Tyr, Lys.Spre deosebire de enzimele obinuite, ENZIMELE ALOSTERICE conin pe lng centrul activ i o zon numit centru alosteric; aici se fixeaz efectorii alosterici, care nu intervin direct n cataliz, dar pot influena procesul catalitic prin modificarea conformaiei spaiale a enzimei.

S trebuie s aib o form potrivit pentru a ptrunde n centrul activ al unei E

X

Centrul activ evita influenta moleculelor de apa

Atracii electrostatice

-

+

SPECIFICITATEA ENZIMELOR

SPECIFICITATEA DE SUBSTRATCnd o enzim acioneaz asupra unui singur substrat vorbim de specificitate absolut; amintim ureaza, arginaza, etc

Dac o enzim acioneaz asupra unui grup de substrate cu structur asemntoare vorbim de specificitate relativ; n aceast clas intr proteazele, lipazele, fosfomonoesterazele, etc.


SPECIFICITATEA DE ACIUNEUn substrat poate suferi aciunea mai multor enzime, care vor produce reacii diferite, avnd ca rezultat produi de reacie diferii.


STEREOSPECIFICITATEAdac unele substrate se gsesc n una din formele D(+), D(), L(+) sau L(), enzima transform numai una din ele. Prin urmare enzima deosebete att izomerii optici (+,) (dextrogir, levogir), ct i formele spaiale (D,L).

STEREOSPECIFICITATEA

Enzimele deosebesc izomerii geometrici cis, trans

fumaraza acioneaz numai asupra acidului fumaric (izomerul trans) i nu asupra acidului maleic (izomerul cis):

STEREOSPECIFICITATEA

Asimetria biologicn acest caz enzima este capabil s diferenieze grupri care din punct de vedere chimic sunt identice. Explicaia acestui fapt const n aceea c dei un substrat apare ca fiind simetric, interaciunea E-S este asimetric. Stereospecificitatea interaciunilor E-S a fost prima dat demonstrat i explicat n cazul aconitazei, enzim al crui substrat este acidul citric.Reiese c aconitaza atac ntotdeuna numai partea din structura acidului citric care provine din OAA, dei cealalt parte, identic, are anse egale de a participa la reacie

Stereospecificitatea

A

Explicaia const n aceea c interaciunea E cu S simetric se face ntr-o manier ce-i confer acestuia (S) asimetrie; aceasta este posibil deoarece legarea E cu S se face prin cel puin trei puncte, fiind diferit n funcie de modul de abordare a substratului de ctre enzim.

sp3

Suprafata enzimatica

EXEMPLE DE SPECIFICITATE ENZIMATIC

PROTEAZELEPepsina hidrolizeaz numai legturile peptidice la care particip L-aminoacizii, hidroliza fiind favorizat dac R i R sunt resturi aromatice.Tripsina atac legturile peptidice n care gruparea provine de la aminoacizi bazici (lizin sau arginin). Substituirea gruprii NH2 din catenele laterale ale aminoacizilor inhib puternic activitatea enzimatic, n timp ce substituirea gruprii NH2 terminale favorizeaz aciunea sa.Chimotripsina are aciune hidrolitic asupra legturilor peptidice la care particip aminoacizii aromatici.Carboxipeptidazele scindeaz legtura peptidic cea mai apropiat de captul C-terminal, dac ultimul aminoacid este aromatic.Leucinaminopeptidazele scindeaz legtura peptidic cea mai apropiat de captul N-terminal, cu condiia ca acest aminoacid (N-terminal) s fie leucina, norleucina, norvalina sau acidul aminocaproic.

Specificitatea Ser-Proteazelor

Centrul activ

Trypsina

Chymotrypsina

Elastaza

Taie la nivelul Lys, Arg

T rp, Phe, Tyr

Taie la nivelul Ala, Gly

Non polar

Buzunar incarcat negativ

Non polar


COLINESTERAZELESunt enzime care hidrolizeaz esterii colinei:

Celulele creierului necesita acetilcolina pentru a transmite mesaje ntre celulele creierului i alte pri ale corpului. Nivelurile reduse ale neurotransmitorului acetilcolin sunt asociate cu niveluri mai sczute de activitate cognitiva. Pacientii cu boala Alzheimer au un nivel crescut de acetilcolinesteraza. n plus fa de inhibarea acetilcolinesterazei din creier, huperzina A crete efectiv concentraiile acetilcolin, ceea ce mbuntete i mai mult de memoria, procesarea cognitiv i altele functii legate de activitatea creierului.huperzina A ,extractul activ din Huperzia serrata, actioneaza ca un puternic inhibitor al unei enzime numite acetilcolinesteraza ( AChEI )


GLICOZIDAZELESunt enzime care scindeaz legturile glicozidice; frecvent aceste enzime sunt specifice unei monozaharide particulare (glucozidaz, galactozidaz, manozidaz, etc).


AMINOACIDOXIDAZELESunt enzime ce catalizeaz reacile de oxidare ale aminoacizilorEnzimele fac distincie net ntre L- sau D-aminoacizi; prin urmare se cunosc L-aminoacidoxidaze sau D-aminoacidoxidaze

CONCLUZII

Specificitatea pentru o structur complex coninnd numeroase grupri funcionale dispuse ntr-un mod bine determinat, arat c legarea enzimei cu substratul se face prin mai multe puncte. Aceast necesitate a contactelor multiple i simultane este cea care explic remarcabila specificitate steric a enzimelor, incluznd posibilitatea de difereniere ntre grupe aparent identice ale moleculelor simetrice. Pe de alt parte, diversitatea gruprilor chimice care determin o specificitate dat, implic participarea a numeroase fore pentru asigurarea formrii complexului enzim-substrat. Dac substratul conine grupri ncrcate, interaciunea cu enzima va fi ntotdeauna de tip electrostatic; dac substratul conine grupri fr sarcin, intr n joc alte fore ca: legturi de hidrogen, fore Van der Waals, etc.

CINETICA ENZIMATIC

Studiul fundamental al procesului catalitic se bazeaz pe msurarea cantitativ a vitezei reaciilor catalizateFactori care acioneaz asupra vitezei concentraia enzimei concentraia substratuluitemperaturapH-ulefectorii enzimatici

CONCENTRAIA ENZIMEI

n condiii adecvate, viteza unei reacii enzimatice este funcie liniar de concentraia enzimei:V = k(E)unde E reprezint concentraia enzimei.

Concentratia substratului

S+EP

ECUAIA LUI MICHAELIS-MENTEN

Dup cum reiese, K1, K1, K2 i K2 sunt constantele de vitez ale reaciilor considerate. Vitezele de reacie corespunztoare acestor echilibre sunt:V1=K1[E][S]V-1=K-1[ES] V2 =K2[ES]V-2=K-2[E][P]

Pentru simplificarea deducerii ecuaiei lui Michaelis-Menten facem urmtoarele presupuneri:probabilitatea ca E+P s treac n complexul ES este nul; deci:

V2=0cantitatea de enzim din amestec rmne nemodificat pe tot parcursul reaciei; rezult c:[Et]=[ES]+[E]etapa limitant de vitez este V2, putnd afirma c:V=V2=K2[ES]

concentraia complexului [ES] rmne constant; V1=V1+V2

SEMIFICAIA LUI Km I Vmax

Km (constanta lui Michaelis-Menten) este o concentraie de substrat i anume acea concentraie pentru care viteza de reacie este jumtate din viteza maxim.V =

Km = [S]

Semnificaia lui Km este bine definit; Km reflect afinitatea enzimei pentru substrat i anume cu ct Km este mai mic cu att afinitatea enzimei pentru substrat este mai mare i invers. Explicaia este simpl: Km mic arat c la o valoare mic a concentraiei substratului se atinge

, ceea ce bineneles demonstreaz afinitatea mare a acesteia pentru substrat i invers.

Vmax reprezint viteza maxim de reacie; ea reflect capacitatea catalitic maxim a enzimei i teoretic poate fi atins numai la concentraii infinite de substrat

DETERMINAREA LUI Km I Vmax

Din curba lui Michaelis-Menten nu poate fi determinat Vmax deoarece nu se pot atinge concentraii infinite ale substratului, iar de aici nici Km. Pentru determinarea lor se procedeaz la linearizarea ecuaiei lui Michaelis-Menten obinndu-se ecuaia lui Lineweawer-Burk; n aceast ecuaie 1/V este exprimat n funcie de 1/S.Se msoar unghiul , iar din tg se determin Km deoareceKm = tgVmax

Concluzii

Ecuaia lui Michaelis-Menten este fundamental n studiul de cinetic enzimatic, permind analiza cantitativ a majoritii reaciilor enzimatice.Ea a fost dedus pornind de la ideea formrii unui singur intermediar ES, cum am vzut; comportarea cinetic a enzimelor este ns mult mai complex, deoarece chiar n reaciile cu un singur substrat pot aprea mai muli intermediari.De asemenea, majoritatea reaciilor implic mai multe substrate i mai muli produi; analiza cinetic a lor este prin urmare mult mai complex, dar punctul de plecare rmne tot ecuaia lui Michaelis-Menten.Menionez c formarea complexului ES postulat de Michaelis-Menten nu este o speculaie teoretic, existena sa fiind dovedit pe mai multe ci.

TEMPERATURA

Creterea temperaturii determin creterea vitezei de reacie, mrindu-se micarea moleculelor. S-a constatat c pentru creterea temperaturii cu 10 C, viteza de reacie se dubleaz sau tripleaz; aceasta ns numai pn la o anumit temperatur numit temperatura optim, la care viteza de reacie este maxim, dup care viteza de reacie scade rapid, deoarece enzimele fiind proteine se denatureaz ireversibil la temperaturi ridicate.Temperatura optim de aciune a enzimelor n organism este 37 C; la 40 C majoritatea enzimelor sunt inactivate, pentru ca la 60 C toate enzimele s fie denaturate ireversibil.

TEMPERATURA

K = constanta de vitezA = factor de frecvenE = energia de activareR = constanta general a gazelorT = temperatur absolut

TEMPERATURA

Semnificaia fizic a energiei de activare a fost exprimat prin teoria complexului activat sau teoria vitezelor absolute de reacie. Conform acestei teorii, ntre moleculele iniiale i produii de reacie exist o barier de energie numit energie de activare; pentru a reaciona, moleculele trebuie s aib o energie cel puin egal cu energia de activare. Desigur, cu ct aceast energie este mai mic numrul moleculelor care vor reaciona va fi mai mare i deci viteza de reacie mai mare i invers, la o energie de activare mare viteza de reacie va fi mai mic.

pH-ul

Enzimele i desfoar activitatea la anumite valori ale pH-ului. Aceasta este firesc deoarece enzimele sunt proteine, iar gruprile care fac parte din centrul activ pot fi disociate. Rolul enzimelor n fixarea substratului, sau n cataliz poate depinde de forma (disociat sau nedisociat) sub care se afl. Substratul poate, de asemenea, s se afle ntr-o form disociat sau nedisociat, ceea ce determin complexarea enzimei aflat n una sau alta din forme.n general enzimele sunt active ntr-un interval de pH. n cadrul acestuia exist o valoare la care activitatea enzimatic este maxim; acesta este pH-ul optim.

pH-ul

Pentru a ilustra efectul pH-ului asupra activitii enzimelor prin modificri ale gradului de ionizare vom considera un exemplu general. Presupunem c activitatea unei enzime depinde de dou grupri disociabile prezente la centrul activ: COOH (rest al acidului glutamic) i gruparea imidazol (rest al histidinei). Dac noi ne referim exclusiv la aceste dou funciuni, putem considera enzima ca putnd exista sub urmtoarele trei forme (aceasta n funcie de pH): AH2+, AH, A

Dac substratul este sub forma S+, el va putea interaciona cu forma A, prezent numai n mediu bazic; dac substratul este sub forma S, el va putea interaciona numai dac enzima este sub forma AH2+, iar aceasta este posibil numai n mediu puternic acid.

pH-ul

Schimbarea conformaiei spaialeO alt modificare a enzimei sub aciunea pH-ului este schimbarea conformaiei spaiale a acesteia. Deseori, n regiunea n care se leag substratul este necesar un grup distal ncrcat, pentru a menine structura teriar sau cuaternar nativ. Dac sarcina acestei grupri este schimbat, enzima i modific conformaia n sensul c devine fie mai compact, fie disociaz n protomeri, prin aceasta pierzndu-i activitatea.Dat fiind multitudinea de ci prin care pH-ul influeneaz activitatea enzimatic, la determinarea activitii unei enzime trebuie s se in seama de pH-ul optim de aciune al acesteia.

pH-ul

Pentru majoritatea enzimelor activitatea optim are loc la pH=5,0-9,0, dar se cunosc numeroase enzime a cror pH optim de aciune este n afara acestor limite:

ENZIMApH-UL OPTIMLOCUL DE ACIUNE

pepsinatripsinachimotripsinaamilazalipazafosfataza alcalinfosfataza acid1,88,08,1-8,67,07,0-7,58,6-9,15,0-5,6sucul gastricsucul pancreaticsucul pancreaticsucul pancreaticpancreasoaseprostat

Mecanismul de actiune al enzimelor

Enzimele nu acioneaz toate dup un singur mecanism de reacie universal valabil

Dintre numeroasele mecanisme de aciune propuse, cele mai importante sunt:

cataliza acido-bazic, cataliza covalentcataliza prin ioni metalicicataliza prin distorsiune.


Cataliza acido-bazicaEste cel mai frecvent mecanism ntlnit n cataliza enzimatic Consta in procese de transfer de protoni intre gruparile acido-bazice ale enzimei si cele ale substratuluin calitate de catalizatori acido-bazici generali pot funciona gruprile carboxilice sau aminice libere ale resturilor aminoacizilor acizi sau bazici; gruparea tiol a cisteinei, gruparea imidazol a histidinei i gruparea hidroxil a tirozinei.


Cataliza acido-bazica

Viteza reactiilor catalizate de acizi sau baze este influentata de doi factori importanti:

Taria acizilor sau a bazelor: gruparea imidazol a histidinei are pka=6, actionand ca donor/acceptor la pH fiziologicViteza cu care acidul sau baza cedeaza/accepta protoni; si din acest punct de vedere este eficienta His

In chimotripsina, aminoacizii Asp 102 si His 57 functioneaza ca grupe cu caracter acid si, respectiv caracter bazic.


Cataliza covalenta

Serin proteazele (tripsina, chimotripsina, trombina) actioneaza dupa acest mecanism.

Inainte de a se lega la enzima, substratul adopta o stare de tranzitie caracterizata prin entropie scazuta, pentru care enzima are afinitate mai mare

Cataliza covalenta

Cea mai comun cale n cataliza covalent implic atacul unei grupri nucleofile a catalizatorului asupra atomului de carbon electrofil al substratului. Gruprile nucleofile conin atomi ce posed electroni neparticipani capabili s-i pun n comun; aceste grupri sunt catalizatori extrem de eficieni, putnd cataliza reacii foarte diferite.

Cataliza covalenta

Moleculele enzimelor conin mai multe grupri nucleofile, capabile s iniieze procese catalitice; amintim:gruparea imidazol a His - gruparea OH a Ser gruparea SH a Cys

Cataliza covalenta

Vom exemplifica acest tip de cataliz prin hidroliza unui acil-derivat:RX, unde R = acil:n absena catalizatorului n prezena catalizatorului nucleofil (Y):

n prezena catalizatorului nucleofil (Y) se formeaz intermediarul covalent RY, care coboar mult bariera energiei de activare, mrind viteza de reacie.

EFECTORII ENZIMATICI

Sunt compui care modific reaciile enzimatice; unii le activeaz i se numesc activatori, alii le inhib i prin urmare se numesc inhibitori. Efectorii enzimatici i exercit aciunea foarte diferit, producnd modificri asupra: - enzimei- substratului- coenzimei- complexului enzim-substrat

INHIBITORII

Sunt substane care opresc sau reduc viteza reaciilor enzimatice. Mecanismul de aciune este foarte complex, deoarece:- inhib formarea complexului ES;- blocheaz metalele implicate n procesul catalitic;- acioneaz asupra protein-enzimei modificndu-i structura, etc.Inhibiia unei reacii enzimatice poate fi reversibil sau ireversibil; n primul caz activitatea enzimatic se reia prin eliminarea inhibitorului din mediu, dar n cel de-al doilea enzima nu-i mai poate relua activitatea


n acest tip de inhibiie se formeaz un complex enzim-inhibitor stabil, nedisociabil: (reacie ireversibil)Inhibiia ireversibil prezint urmtoarele caracteristici:inhibiia se accentueaz progresiv, pn la nlturarea complet a activitii enzimatice i nu poate fi anulat prin ndeprtarea inhibitorului;se datoreaz unor modificri covalente i permanente ale gruprilor funcionale necesare catalizei, transformnd enzimele n molecule inactive;la nceput acest tip de inhibiie este incomplet, dar crete n timp, pe msur ce apar modificrile chimice respective.


Acidul iodacetic (ICH2COOH) este un inhibitor al ribonucleazei la pH = 5,5. Prin tratarea enzimei cu acest compus se obin mai multe forme inactive ale enzimei; una n care se formeaz un produs alchilat al His119, alta n care se obine un produs alchilat al His12 i n fine o form n care ambele histidine sunt alchilate. Concluzia cert a acestei experiene este c cele dou histidine sunt implicate n activitatea catalitic a enzimei.2. DIPFP este un inhibitor ireversibil al mai multor enzime ca: tripsina, chimotripsina, trombina, elastaza, acetilcolinesteraza, etc., enzime ce conin n centrul activ serina. DIPFP, compus ce face parte din clasa organofosforicelor, reacioneaz cu gruparea OH a serinei, oprind activitatea enzimatic. Printre enzimele serinice este i acetilcolinesteraza, enzim implicat n transmiterea influxului nervos; datorit aciunii toxice pe care o are asupra SNC, DIPFP a fost numit i otrava nervilor.3. Ionii metalelor grele ca Hg2+, Pb2+, sunt inhibitori ireversibili pentru enzimele ce conin aminoacizi cu sulf n centrul activ

INHIBIIE REVERSIBIL

competitiv, uncompetitiv necompetitiv.

INHIBIIE COMPETITIV

Inhibitorii competitivi prezint dou particulariti:- au o structur asemntoare cu substratul;- ntre inhibitor i substrat are loc o competiie pentru a se lega de centrul activ al enzimei.

INHIBIIE COMPETITIV

INHIBIIE COMPETITIV

Ecuaia lui Lineweawer-Burk

inhibiiei competitive

tinde spre zero

Prin urmare, n cazul inhibiiei competitive viteza de reacie poate atinge Vmax, ca i cum inhibitorul nu ar fi prezent, dac se mrete suficient de mult concentraia substratului

INHIBIIE COMPETITIV

curba Michaelis-Menten fr inhibitorcurba Michaelis-Menten cu cantiti mici de inhibitorcurba Michaelis-Menten cu cantiti mari de inhibitor

Curba Michaelis-Menten n absena i prezena inhibitorilor competitivi

curba Lineweawer-Burk fr inhibitorcurba Lineweawer-Burk cu cantiti mici de inhibitorcurba Lineweawer-Burk cu cantiti mari de inhibitor

Curba Lineweawer-Burk n absena i prezena inhibitorilor competitivi

INHIBIIE NECOMPETITIV

ntre inhibitor i substrat nu se realizeaz o competiie pentru a se lega de enzim; inhibitorul nu prezint asemnri structurale cu substratul; inhibitorul se leag de enzim n alt loc dect centrul activ; inhibitorii necompetitivi scad Vmax dar nu afecteaz Km-ul.


Curba Michaelis-Menten n absena i prezena inhibitorilor necompetitivi

Curba Lineweawer-Burk n absena i prezena inhibitorului necompetitiv


n cazul inhibiiei necompetitive inhibitorul, chiar dac nu se leag de centrul activ al enzimei, acioneaz asupra acesteia deformnd-o, astfel nct ea nu mai poate forma complexul ES la vitez normal pe de o parte, iar pe de alt parte complexul ES format nu se mai descompune cu vitez normal pentru a forma produsul de reacie. Este evident c n acest caz inhibiia nu poate fi nlturat prin mrirea concentraiei substratului.

ENZIME ALOSTERICE

sunt proteine oligomere, alctuite din mai multe subuniti, identice sau diferite, de regul n numr par: doi (mai rar), patru, ase, etc;reaciile catalizate de aceste enzime sunt endergonice i ireversibile; ele imprim sensul unic al cilor metabolice din care fac parte;intervin de obicei n prima etap a unui lan de reacii, asigurnd prin aceasta controlul intensitii procesului i ireversibilitatea lui;fiecare monomer posed un centru activ, o molecul de enzim putnd lega concomitent mai multe molecule de substrat; fixarea substratului pe una din subuniti influeneaz legarea lui pe celelalte, existnd deci fenomenul de cooperativitate;pe lng centri activi monomerii prezint i centri alosterici, de care se vor lega efectorii alosterici; sunt compui cu mas molecular mic, fr analogie cu substratul i pot activa reaciile enzimatice (efectori pozitivi), sau le pot inhiba (efectori negativi). Efectorii alosterici sunt, n general, prezeni la locul de aciune al enzimelor, variind doar concentraia lor;enzimele alosterice sunt inhibate de produsul final de reacie printr-un proces numit retroinhibiie sau inhibiie feedback.

ENZIME ALOSTERICE

n procesul de biosintez a hemului, peste o anumit concentraie acesta devine un inhibitor al ALA-sintetazei, enzima alosteric a acestui proces.

IZOENZIME

Forme multiple ale unei enzime , cu structuri diferite , care catalizeaza aceeasi reactie Lactat dehidrogenaza LDH catalizeaza transformarea acidului piruvic in acid lactic.LDH se gaseste sub forma a 5 izoenzime care se diferentiaza prin compozitia lor in subunitatile H si MLDH1 = H4 (4 subunitati de tip heart) LDH2 = H3M LDH3 = H2M2 LDH4 = HM3 LDH5= M4 (4 subunitati de tip muscle)LDH1 si LDH2 se gasesc in miocard , eritocite si rinichiLDH3 se gaseste in plamaniLDH4 et LDH5 se gaseste in ficat si musculatura striata.Aceste enzime pot fi separate prin electroforeza Cresterea activitatii enzimatice serice ale LDH indica necroza sau lezarea celulelor care contin enzima

LDH

Valori normale : 240-480 UI/LLDH1 14-26%LDH2 29-39%LDH3 20-26%LDH4 8-16%LDH5 6-16%

LDH

Interpretarea rezultatelorValori crescuteInfarct miocardic cresterile sunt de 2-10 ori valoarea superioara a normalului , incep la 12-24 de ore de la debutul infarctului , se mentine crescut 6-10 zile Infarct pulmonar Anemie megaloblastica anemii hemolitice LeucemiiDistrofie muscularaMononucleoza infectioasaCresteri usoare: hepatite, ciroza, delirium tremens

CREATINFOSFOKINAZA CPK

Catalizeaza fosforilarea creatinei in celulele musculare, miocardice si cerebraleExista 3 izoenzime ale CPK CPK MM - in muschii scheletici si in miocard CPK MB in miocard CPK BB- in creier, tub digestiv si tractul genitourinar

CPK

Valori normaleCPK total femei : 24-170 UI/LCPK total barbati: 24-195 UI/LCPK MB < 24UI/L

:

CPK

Interpretarea rezultatelorCresteri ale izoenzimelorCPK MB : infarct miocardic ( apare la 6-12 ore de la debut)CPK MM: boli musculare, interventii chirurgicale cu afectarea musculaturii scheletice CPK BB: leziuni cerebrale, sindrom Reye, anumite forme de cancer pulmonar, prostatic si de san

Modaliti de exprimare a activitii enzimatice

Determinarea activitii enzimatice se efectueaz prin stabilirea vitezei de reacie care este proporional cu concentraia enzimei prezente n mediu.

Pentru o exprimare unitar a activitii enzimelor a fost adoptat, dup recomandrile I.U.B. (Uniunea Internaional de Biochimie), exprimarea n uniti internaionale (U.I. )Unitatea internaional (U.I.) reprezint cantitatea de enzim care catalizeaz transformarea unui mol de substrat, timp de un minut n condiii optime de pH, temperatur i concentraie a substratului.Alte modaliti de exprimare a activitii enzimatice:Katalul reprezint cantitatea de enzim ce poate transforma un mol de substrat pe secund. cel mai adesea activitile se exprim n subdiviziuni ale acestei activiti:Kat = 10-6 KatnKat = 10-9 KatpKat = 10-12 Katse pot stabili corelaii ntre unitile enzimatice UI i Katal1 Kat = 1 mol/s = 60 mol/min = 60 .106 mol/min = 6 .107 UI 1 UI = 1 mol/min = 1/60 mol/s = 1/60 Kat = 16,67 nKatPentru enzimele serice activitatea enzimatic se raporteaz la ml ser, sau l, exprimndu-se n UI/ml, respectiv UI/l.


Pentru enzimele din preparate biologice sau enzimele pure activitatea enzimatic se exprim ca activitate specific. Aceasta este expresia puritii unei enzime. Valoarea ei pentru o enzim dat, crete odat cu creterea puritii enzimei; este maxim i constant la puritate maxim. Activitatea enzimatic specific reprezint numrul de uniti enzimatice raportat la un miligram protein.Activitatea molecular sau molar, numit i numr de turnover (TN) reprezint numrul de molecule de substrat transformate ntr-un minut de o molecul de enzim, respectiv de un mol de centru activ, n condiii optime de pH, temperatur i concentraia substratului

E5-29

E5-26

INHIBIIE COMPETITIVEcuaia lui Lineweawer-Burk

inhibiiei competitive

tinde spre zero

Prin urmare, n cazul inhibiiei competitive viteza de reacie poate atinge Vmax, ca i cum inhibitorul nu ar fi prezent, dac se mrete suficient de mult concentraia substratului

INHIBIIE COMPETITIVcurba Michaelis-Menten fr inhibitorcurba Michaelis-Menten cu cantiti mici de inhibitorcurba Michaelis-Menten cu cantiti mari de inhibitorCurba Michaelis-Menten n absena i prezena inhibitorilor competitivicurba Lineweawer-Burk fr inhibitorcurba Lineweawer-Burk cu cantiti mici de inhibitorcurba Lineweawer-Burk cu cantiti mari de inhibitor Curba Lineweawer-Burk n absena i prezena inhibitorilor competitivi

INHIBIIE NECOMPETITIV ntre inhibitor i substrat nu se realizeaz o competiie pentru a se lega de enzim; inhibitorul nu prezint asemnri structurale cu substratul; inhibitorul se leag de enzim n alt loc dect centrul activ; inhibitorii necompetitivi scad Vmax dar nu afecteaz Km-ul.

INHIBIIE NECOMPETITIVCurba Michaelis-Menten n absena i prezena inhibitorilor necompetitiviCurba Lineweawer-Burk n absena i prezena inhibitorului necompetitiv

INHIBIIE NECOMPETITIVn cazul inhibiiei necompetitive inhibitorul, chiar dac nu se leag de centrul activ al enzimei, acioneaz asupra acesteia deformnd-o, astfel nct ea nu mai poate forma complexul ES la vitez normal pe de o parte, iar pe de alt parte complexul ES format nu se mai descompune cu vitez normal pentru a forma produsul de reacie. Este evident c n acest caz inhibiia nu poate fi nlturat prin mrirea concentraiei substratului.

ENZIME ALOSTERICEsunt proteine oligomere, alctuite din mai multe subuniti, identice sau diferite, de regul n numr par: doi (mai rar), patru, ase, etc;reaciile catalizate de aceste enzime sunt endergonice i ireversibile; ele imprim sensul unic al cilor metabolice din care fac parte;intervin de obicei n prima etap a unui lan de reacii, asigurnd prin aceasta controlul intensitii procesului i ireversibilitatea lui;fiecare monomer posed un centru activ, o molecul de enzim putnd lega concomitent mai multe molecule de substrat; fixarea substratului pe una din subuniti influeneaz legarea lui pe celelalte, existnd deci fenomenul de cooperativitate;pe lng centri activi monomerii prezint i centri alosterici, de care se vor lega efectorii alosterici; sunt compui cu mas molecular mic, fr analogie cu substratul i pot activa reaciile enzimatice (efectori pozitivi), sau le pot inhiba (efectori negativi). Efectorii alosterici sunt, n general, prezeni la locul de aciune al enzimelor, variind doar concentraia lor;enzimele alosterice sunt inhibate de produsul final de reacie printr-un proces numit retroinhibiie sau inhibiie feedback.

ENZIME ALOSTERICEn procesul de biosintez a hemului, peste o anumit concentraie acesta devine un inhibitor al ALA-sintetazei, enzima alosteric a acestui proces.

IZOENZIMEForme multiple ale unei enzime , cu structuri diferite , care catalizeaza aceeasi reactie Lactat dehidrogenaza LDH catalizeaza transformarea acidului piruvic in acid lactic.LDH se gaseste sub forma a 5 izoenzime care se diferentiaza prin compozitia lor in subunitatile H si MLDH1 = H4 (4 subunitati de tip heart) LDH2 = H3M LDH3 = H2M2 LDH4 = HM3 LDH5= M4 (4 subunitati de tip muscle)LDH1 si LDH2 se gasesc in miocard , eritocite si rinichiLDH3 se gaseste in plamaniLDH4 et LDH5 se gaseste in ficat si musculatura striata.Aceste enzime pot fi separate prin electroforeza Cresterea activitatii enzimatice serice ale LDH indica necroza sau lezarea celulelor care contin enzima

LDHValori normale : 240-480 UI/LLDH1 14-26%LDH2 29-39%LDH3 20-26%LDH4 8-16%LDH5 6-16%

LDHInterpretarea rezultatelorValori crescuteInfarct miocardic cresterile sunt de 2-10 ori valoarea superioara a normalului , incep la 12-24 de ore de la debutul infarctului , se mentine crescut 6-10 zile Infarct pulmonar Anemie megaloblastica anemii hemolitice LeucemiiDistrofie muscularaMononucleoza infectioasaCresteri usoare: hepatite, ciroza, delirium tremens

CREATINFOSFOKINAZA CPKCatalizeaza fosforilarea creatinei in celulele musculare, miocardice si cerebraleExista 3 izoenzime ale CPK CPK MM - in muschii scheletici si in miocard CPK MB in miocard CPK BB- in creier, tub digestiv si tractul genitourinar

CPKValori normaleCPK total femei : 24-170 UI/LCPK total barbati: 24-195 UI/LCPK MB < 24UI/L

:

CPKInterpretarea rezultatelorCresteri ale izoenzimelorCPK MB : infarct miocardic ( apare la 6-12 ore de la debut)CPK MM: boli musculare, interventii chirurgicale cu afectarea musculaturii scheletice CPK BB: leziuni cerebrale, sindrom Reye, anumite forme de cancer pulmonar, prostatic si de san


Determinarea activitii enzimatice se efectueaz prin stabilirea vitezei de reacie care este proporional cu concentraia enzimei prezente n mediu.

Pentru o exprimare unitar a activitii enzimelor a fost adoptat, dup recomandrile I.U.B. (Uniunea Internaional de Biochimie), exprimarea n uniti internaionale (U.I. )Unitatea internaional (U.I.) reprezint cantitatea de enzim care catalizeaz transformarea unui mol de substrat, timp de un minut n condiii optime de pH, temperatur i concentraie a substratului.Alte modaliti de exprimare a activitii enzimatice:Katalul reprezint cantitatea de enzim ce poate transforma un mol de substrat pe secund. cel mai adesea activitile se exprim n subdiviziuni ale acestei activiti:Kat = 10-6 KatnKat = 10-9 KatpKat = 10-12 Katse pot stabili corelaii ntre unitile enzimatice UI i Katal1 Kat = 1 mol/s = 60 mol/min = 60 .106 mol/min = 6 .107 UI 1 UI = 1 mol/min = 1/60 mol/s = 1/60 Kat = 16,67 nKatPentru enzimele serice activitatea enzimatic se raporteaz la ml ser, sau l, exprimndu-se n UI/ml, respectiv UI/l.

Modaliti de exprimare a activitii enzimaticePentru enzimele din preparate biologice sau enzimele pure activitatea enzimatic se exprim ca activitate specific. Aceasta este expresia puritii unei enzime. Valoarea ei pentru o enzim dat, crete odat cu creterea puritii enzimei; este maxim i constant la puritate maxim. Activitatea enzimatic specific reprezint numrul de uniti enzimatice raportat la un miligram protein.Activitatea molecular sau molar, numit i numr de turnover (TN) reprezint numrul de molecule de substrat transformate ntr-un minut de o molecul de enzim, respectiv de un mol de centru activ, n condiii optime de pH, temperatur i concentraia substratului

E5-29E5-26

Documents

Enzime 2015 Partea I Si II