ENZIME

► Proteine globulare care catalizează reacţiile biologice → desfăşurarea proceselor chimice necesare vieţii

Definitie:

► Nomenclatură şi clasificare

a) denumire uzuală - nu indică tipul reacţiei catalizate (pepsină, tripsină etc.)

b) pentru enzimele care catalizează reacţii de hidroliză: numele substratului + sufixul “ază” (peptidază; urează; fosfatază)

c) numele substratului urmat de cel al reacţiei catalizate + “ază” (malat dehidrogenază, lactat dehidrogenază etc.)

d) în 1961 - clasificare şi nomenclatură sistematică: 6 clase - subclase - sub-subclase

* număr de cod din 4 cifre -EC abcd- , unde a = clasa, b = subclasa, c = sub-subclasa, d = numărul de ordine al enzimei în sub-subclasă

1.OXIDO-REDUCTAZE – catalizează reacţii de oxido-reducere

2. TRANSFERAZE – catalizează transferul unor grupe funcţionale

3. HIDROLAZE – catalizează reacţii de scindare a unor legături cu ajutorul apei

4. LIAZE (SINTAZE) – catalizează reacţii de adiţie sau de eliminare

5. IZOMERAZE – catalizează reacţii de izomerizare

6. LIGAZE (SINTETAZE) – catalizează reacţii de sinteză prin condensarea a două molecule, simultan cu hidroliza unei legături fosforice din ATP sau din alt compus macroergic

Exemplu: lactat dehidrogenaza: EC 1.1.1.27

1 – clasa: oxido-reductaze; 2 – subclasa: oxido-reductaze ce acţionează asupra substraturilor de tip R2CH-OH;

1 – sub-subclasa: acceptorul de hidrogen este NAD+ sau NADP+; 27 – numărul de ordine al enzimei

► Proprietăţile enzimelor

- se regăsesc neschimbate la sfârşitul reacţiilor - nu modifică echilibrul reacţiilor - permit atingerea lui

într-un timp foarte scurt, mărind vitezele ambelor reacţii- nu modifică termodinamica reacţiilor catalizând numai

reacţii termodinamic posibile - sunt de natură proteică

- eficienţă catalitică f. mare: cresc foarte mult vitezele reacţiilor biochimice prin micşorarea energiilor de activare ale acestora => atingerea unor timpi de reacţie foarte mici, (ps = 10-12s);

Ex: * hidratarea CO2 - viteză de 36 milioane

molecule/min. * descompunerea apei oxigenate:

- fără catalizator: 18Kcal/mol; - în prezenţă de Pt coloidală: 11,7 Kcal/mol; - în prezenţa enzimei catalază: 2 Kcal/mol

-specificitate: faţă de reacţie şi faţă de substrat ← absoluta, relativa de grup, larga; specificitate stereochimica-evită formarea produşilor secundari de reacţie (datorită eficienţei catalitice şi a specificităţii ridicate)- permit atingerea unor randamente de 100%- acţionează în concentraţii foarte mici (cca 10-6 moli)- acţionează în condiţii blânde de temperatură (~ 37°C) şi la pH neutru - activitatea reglată şi autoreglată: viteza reacţiilor biochimice este controlată de necesarul celulei, cantitatea de produşi este controlată prin reglarea acţiunii enzimelor

Centrul activ

*legarea substratului - situs/centru de legare *cataliza (transformarea chimică) – situs/centru catalitic

► Proprietăţile situsului catalitic:* este localizat în porţiunea internă, hidrofobă a

moleculei proteice → există condiţii favorabile pentru transferul de electroni, de protoni sau de grupe chimice între enzimă şi substrat

* are o geometrie spaţială perfect ordonată* este alcătuit dintr-un număr mic de resturi de

aminoacizi distanţaţi în structura primară

* resturile de aminoacizi includ grupe funcţionale active: -OH, -NH2, SH, -COOH, ciclu imidazolic etc. → participă la legarea substratului la enzimă şi la procesul de rupere a legăturilor chimice din substrat si de formare a legaturilor din produsi

► Tipuri de interacţiune situs – substrat: interacţii hidrofobe (chimotripsină), interacţii ionice (tripsină)

► Proprietăţile substratului:▪ poate forma cu enzima un complex activat (instabil)

→ produs de reacţie

E + S (ES) E + P

-satisface necesitatea de specificitate a enzimei prin anumite particularităţi structurale

- conformaţie bine definită care-i permite accesul la centrul activ al enzimei

- manifestă complementaritate structurală şi conformaţională cu centrul activ al enzimei → cel puţin trei puncte de interacţiune specifică

- se asociază cu enzima pe baza unei orientări strict specifice care-i permite pătrunderea în centrul activ

► Enzime alosterice → situs alosteric – legarea unor efectori enzimatici – influenţează activitatea situsului catalitic => activatori sau inhibitori

► Enzimele: acţionează singure =>apoenzime, sau în prezenţa unor cofactori (se formează un complex catalitic activ) => holoenzime

● Cofactori:- coenzime: molecule organice de dimensiuni mici, de

obicei legate slab - co-substrate (coenzimele reacţiilor de oxido-reducere sunt şi acceptoarele / donoarele de hidrogen: NAD+/NADH, FMN/FMNH2, FAD+/FADH2)

- grupări prostetice: cofactori strâns legaţi de de molecula apoenzimei prin legături covalente (ex: hemul – componentă a citocromilor)

- ioni metalici: Zn2+, Fe2+, Fe3+, Mg2+, Cu2+, Zn2+ etc.

► Organizarea structurală a enzimelor* monomer – M < 30 000 D (ex: tripsina, ribonucleaza)* oligomeri – 2-6 resturi polipeptidice asociate; M > 30 000 D (ex: alcooldehidrogenaza = 4 protomeri)

* izoenzime (izozime) – diferă protomerii şi ţesutul/organul în care acţionează (ex: lactat dehidrogenaza, creatin kinaza)

* sisteme multienzimatice

► Mecanisme implicate în cataliza enzimaticăI. Mecanismul “lacăt – cheie”- complementaritate structurală perfectă între substrat şi

centrul activ - la reacţiile enzimatice cu specificitate absolută de

substrat

II. Mecanismul ajustării induse- flexibilitate a conformaţiei centrului activ- cazul enzimelor care în stare liberă nu se află în

conformaţie optimă pentru cataliză - legarea substratului → “ajustarea” centrului activ →

geometrie optimă pentru ES

III. Mecanism prin cataliză covalentă- legarea reversibilă a substratului la centrul activ prin

legături covalente (prin intermediul unor grupe funcţionale nucleofile din aminoacizii ce alcătuiesc situsul)

Cataliză covalentă – mecanismul catalitic al chimotripsinei:

E + S1 ES1

ES1 + S2 ES1S2sau

E + S2 ES2

ES2 + S1 ES2S1

E + P1 +P2

E + S1 ES1

ES1 + S2 ES1S2 EP1P2

EP1P2 P2 + EP1 E + P1

► Reacţii enzimatice cu două substraturiA. Reacţii cu simplă deplasare – centrul activ al enzimei

este disputat simultan de cele două substraturi* întâmplătoare:

*

ordonate:

E + S1 ES1

E* + S2 E*S2 E + P2

E + P1*

B. Reacţii cu dublă deplasare (“ping-pong”)

► Efectori enzimatici - modifică cinetica reacţiilor enzimatice

● Inhibitorii enzimatici → anularea definitivă sau temporară a activităţii enzimatice => inhibiţie ireversibilă sau inhibiţie reversibilă

● Inhibiţia reversibilă: - nu modifică structura moleculară a enzimei; 3 tipuri: - competitivă - incompetitivă - necompetitivă

a) Inhibiţia reversibilă competitivă - inhibitori competitivi = substanţe cu analogie structurală cu substratul => manifestă afinitate pentru centrul activ al enzimelor => competiţie pentru ocuparea situsului catalitic al enzimei

- creşterea concentraţiei de substrat conduce la anularea inhibiţiei => viteza maximă a reacţiei nu se modifică

Exemple:• acidul malonic

(malonatul) - inhibitor competitiv cu acidul succinic (succinatul) în reacţia de dehidrogenare a acestuia la acid fumaric

COOH

NH2

SO2NH2

NH2

C O

NH CH

COOH

CH2 CH2 COOH

NH CH2

N

NN

N NH2

OHH

H

Acid p-aminobenzoic

p-Aminobenzensulfonamida

Acid tetrahidrofolic (FH4)

• sulfonamidele (sulfamidele): p-aminofenilsulfonamida - inhibitor competitiv cu acidul p-aminobenzoic (necesar biosintezei coenzimei FH4)

b) Inhibiţia reversibilă incompetitivă - inhibitorul incompetitiv se fixeazǎ numai la complexul enzimǎ-substrat => complexul ESI este inactiv

- viteza reacţiei nu se apropie niciodatǎ de viteza maximǎ

c) Inhibiţia reversibilă necompetitivă - inhibitori (necompetitivi) - nu prezintǎ analogie structuralǎ cu substratul - acţioneazǎ fie asupra unei regiuni din enzimǎ (diferitǎ de centrul activ), fie asupra complexului enzimǎ-substrat

-viteza maximǎ a reacţiei este diminuatǎ.

Exemplu: enzimele care au drept cofactori metale grele (ioni) – inhibate necompetitiv de EDTA

● Inhibiţia ireversibilă - inhibitori ireversibili - formeazǎ legǎturi covalente cu anumite grupe funcţionale ale enzimelor esenţiale pentru activitatea cataliticǎ => enzima devine inactivǎ

- prin îndepǎrtarea inhibitorului enzima nu îşi mai recapǎtǎ funcţia cataliticǎ - util în identificarea grupelor funcţionale cu rol catalitic din situsul activ al enzimelor

Exemple:

• ionul CN- - acţioneazǎ asupra enzimei citocromoxidazǎ (conţine Fe)

• ionii metalelor grele (Hg2+, Pb2+) - se combinǎ cu grupele SH din enzime => denaturare.

- antidot sarea de calciu a EDTA

CaEDTA2- + Pb2+ → Ca2+ + PbEDTA2- → solubil în fluidele din organism şi se eliminǎ prin urinǎ

►Zimogeni* precursori ai enzimelor inactivi faţǎ de substraturile

specifice enzimelor respective stabili; numai în celulele secretoare (feriţi de acţiunea enzimelor proteolitice)

* sunt transformaţi enzimatic ireversibil în formele active prin hidroliza selectivǎ a unor legǎturi peptidice din moleculǎ

Exemple: pepsinogenul, tripsinogenul şi

chimotripsinogenul, protrombina etc.