SCURT ISTORIC AL DEZVOLTARII CHIMIEI

16Elemente de biochimie

17Elemente de biochimie

6. ENZIMEEnzimele sunt compui macromoleculari de natur proteic, produi i prezeni numai n organismele vii, cu rol de biocatalizatori ai tuturor transformrilor biochimice caracteristice metabolismului.

Necesitile plastice i energetice ale organismelor vii sunt acoperite, pe de o parte, din substanele nutritive, relativ stabile chimic, iar pe de alt parte de o serie de reacii de ardere la care particip oxigenul. Apariia i evoluia fiinelor vii organizate a fost nsoit de selecionarea i perfecionarea unor mecanisme capabile s asigure o vitez mare de desfurare a proceselor biochimice, n condiii de activitate relativ menajate (soluii apoase, temperaturi joase, mediu neutru etc.). Aceast problem, a fost rezolvat n decursul evoluiei, prin apariia catalizatorilor biologici care sunt enzimele.

Enzimele au rol esenial n biosinteza i biodegradarea substanelor din materia vie. In lipsa enzimelor, majoritatea reaciilor chimice din organism nu s-ar putea produce i deci nu ar mai exista procese metabolice i nici fenomene de via.

Bogate n enzime sunt plantulele, frunzele tinere, esuturile meristematice, seminele n stare de germinaie, fructele. In general, plantele tinere au un coninut mai ridicat de enzime dect plantele adulte. Activitatea catalitic a enzimelor din organismele n cretere este mai mare dect a celor din organismele adulte.

Dup locul unde acioneaz, se pot evidenia:

( endoenzime (enzime intracelulare);

( exoenzime (enzime extracelulare).

Endoenzimele, acioneaz n celulele n care s-au sintetizat. Ele sunt lioenzime (legate mai slab n celul) i desmoenzime (legate mai puternic n celule).

Exoenzimele, dup etapa de formare n celule, sunt eliminate n lichidele din organism, unde i exercit activitatea catalitic. Astfel, acioneaz de exemplu, enzimele din lichidele interstiiale, din diferite caviti, din seva elaborat etc.

Substana asupra creia acioneaz enzimele se numete substrat.

6.1. Structura chimic general a enzimelor

Enzimele se pot clasifica, din punct de vedere chimic n dou clase:

( enzime monocomponente (holoproteice);

( enzime bicomponente.

a) Enzimele monocomponente (holoproteice, proteine biocatalitice) sunt constituite numai din proteine. Aciunea lor biocatalitic se datoreaz anumitor fragmente din catena polipeptidic, care includ grupe funcionale componente ale catenelor laterale ale aminoacizilor (-OH, -NH2, -SH, -COOH etc.), constituind centrul activ sau situsul catalitic. Prin acest centru activ enzima fixeaz substratul (l recunoate) sub forma unui complex enzim-substrat, simbolizat E-S, i biocatalizeaz transformarea substratului.

Pentru recunoaterea i formarea complexului E-S, geometria centrului activ trebuie s fie complementar cu cea a substratului. Blocarea sau inactivarea centrului activ (de exemplu denaturarea proteinei) conduce la pierderea activitii catalitice a enzimei holoproteice. In schimb, denaturarea unei pri a proteinei, care nu cuprinde centrul activ, nu modific activitatea catalitic a enzimei.

b) Enzimele bicomponente (heteroproteice) sunt constituite din:

( componenta proteic (apoenzim, apoferment), care determin specificitatea enzimei (o anumit secven a aminoacizior prin care enzima recunoate substratul i l fixeaz), este caracterizat prin mas molecular mare, termolabilitate etc.;

( componenta neproteic (prostetic, coenzim, cofactor), care determin mecanismul i viteza reaciei enzimatice poate fi: o vitamin, un hormon, un colorant, nucleotide, metale. Ea este caracterizat prin mas molecular mic, termostabilitate.

n majoritatea cazurilor, aciunea catalitic a enzimelor se manifest numai n prezena unor substane speciale, denumite cofactori, care se clasific n trei grupe:

( coenzime sau cofermeni specifici, sunt substane organice cu mas molecular mic, termostabile i care dializeaz uor din soluiile enzimei. Coenzimele se caracterizeaz prin nsuirea lor de a reaciona reversibil cu proteina care intr n structura enzimei (apoenzima sau apofermentul);( gruprile prostetice, substane combinate mult mai strns cu apoenzima, se disociaz greu i, n general, rmn fixate pe o singur apoenzim;( activatorii, denumii uneori i cofactori anorganici, sunt substane nespecifice (diferite metale, ageni reductori etc.), care mediaz trecerea enzimei ntr-o stare catalitic activ. Este greu de precizat o demarcaie clar ntre cele trei grupe de cofactori, clasificai dup natura i raportul lor fa de apoenzim. Multe dintre coenzime i grupri prostetice sunt de fapt derivai ai vitaminelor hidrosolubile. O mare parte dintre coenzime i grupri prostetice identificate n componena unor enzime sunt nucleotide sau derivai ai acestora. Dei n cazul enzimelor bicomponente, componenta care particip efectiv la realizarea procesului biocatalitic enzimatic este coenzima, totui, pentru manifestarea activitii enzimatice, prezena apoenzimei de natur proteic este absolut obligatorie, deoarece gruparea prostetic luat separat are slabe proprieti catalitice. In complexul format de apoenzim i coenzim (holoenzim) activitatea catalitic crete de 1000 de ori, comparativ cu activitatea catalitic a coenzimei libere.

6.2. Caracteristici ale activitii enzimatice

Enzimele, asemntor catalizatorilor chimici obinuii, biocatalizeaz numai acele reacii metabolice posibile din punct de vedere termodinamic (care se desfoar spontan, avnd energia liber (G < 0). Rolul enzimelor, ca i al catalizatorilor chimici, este de a reduce energia de activare (nu modific echilibrele chimice, dar grbete atingerea lor).

Energia de activare n cazul enzimelor este ns mult mai mic. De exemplu, energia de activare la descompunerea apei oxigenate conform reaciei:

2 H2O2 = O2 + 2 H2O

este diferit, n funcie de tipul de catalizator utilizat:

( fr catalizator: 18 kcal/mol;

( cu catalizatorul chimic FeCI3: 11,7 kcal/mol;

( cu biocatalizatorul catalaz: 5,5 kcal/mol

( Viteza reaciei enzimatice este mult mai mare dect n cazul reaciei catalizat de catalizatori chimici. De exemplu, enzima catalaza realizeaz descompunerea H2O2 de 10 miliarde de ori mai repede dect FeCI3 (ambii catalizatori au n structur cationul Fe3+).

( Sensibilitatea reaciei enzimatice este foarte mare, astfel o molecul de catalaz descompune 5 milioane de molecule de H2O2 ntr-un minut, la 0 0C i la pH = 6,8.

( Enzimele catalizeaz reacii de desfacere i formare de legturi n condiii fiziologice compatibile cu viaa. Aceleai reacii ar necesita n laborator condiii de temperatur, presiune, pH, improprii vieii.

( Spre deosebire de catalizatorii chimici, enzimele se caracterizeaz prin specificitate (absolut sau relativ) de substrat sau de aciune.

Specificitatea de substrat absolut este proprietatea enzimelor de a aciona asupra unui singur substrat (de exemplu, ureaza catalizeaz numai descompunerea ureei). Acest tip de specificitate este determinat de o anumit secven a aminoacizilor componeni ai apoenzimei.

Specificitatea de substrat relativ este proprietatea enzimelor de a aciona asupra unui grup de substraturi cu structur chimic apropiat. De exemplu, maltaza catalizeaza hidroliza poliglucidelor n care componentele glucide sunt legate -glicozidic.

Specificitatea de aciune absolut este caracteristica enzimelor de a cataliza o singur reacie, dintre multiplele reacii posibile.

Specificitatea de aciune relativ este proprietatea enzimelor de a cataliza un anumit tip de reacie, dat de un grup de substraturi nrudite. Acest tip de specificitate a enzimelor este determinat mai ales de natura cofactorilor (gruparea prostetic, coenzima) i mai rar de natura apoenzimei.

6.3. Mecanismul de aciune a enzimelor. Cinetica reaciilor enzimatice

Mecanismul de aciune a enzimelor este analog cu cel al catalizatorilor chimici. Enzimele sunt capabile s accelereze viteza de desfurare a diferitelor reacii (micoreaz energia de activare), absolut necesare pentru meninerea i reproducerea materiei vii. Enzimele catalizeaz numai reacii termodinamic posibile, care se pot produce i fr participarea lor, dar ntr-un timp mai ndelungat i uneori n condiii incompatibile cu materia vie.

Spre deosebire de catalizatorii nebiologici, enzimele au un randament mult mai ridicat, care asigur mersul reaciei biochimice, n majoritatea cazurilor ntr-un singur sens, fr reacii secundare. Ele prentmpin descompunerea unor substane instabile n anumite condiii i permit realizarea unor procese chimice complexe, cu o cantitate minim de energie.

Enzimele particip activ la procesele catalitice, parcurgnd urmtoarele etape:

( activarea moleculelor substratului (S), prin scderea energiei de activare a acestuia, i formarea complexului intermediar disociabil, enzim-substrat (ES), mai activ dect substratul ca atare;

( transformarea complexului enzima-substrat (ES) n produsul de reacie (procesul catalitic efectiv), mai nti legat de enzim (EP), i n final, prin eliberarea enzimei, obinerea produsului de reacie, (P).

Schematic, mecanismul catalizei enzimatice, conform teoriei etapelor intermediare, poate fi reprezentat astfel:

sau considerat ca echilibru:

innd cont c transformarea ES ( EP este practic instantanee iar reacia de transformare P + E ( EP este nul (enzima fiind specific pentru substrat nu i pentru produs), sistemul de ecuaii de mai sus devine:

i poart denumirea de echilibrul Michaelis-Menten.

6.3.1. Factorii care influeneaz viteza reaciilor enzimatice

Reaciei de formare i de descompunere a compusului enzim-substrat i se poate aplica legea aciunii maselor i se poate determina astfel constanta de echilibru.

Viteza reaciilor enzimatice depinde n mare msur de concentraia enzimei i de concentraia substratului.

a) Influena concentraiei enzimei asupra vitezei reaciei enzimaticeViteza reaciei enzimatice este direct proporional cu concentraia enzimei prezente n mediul de reacie.

n unele cazuri, de obicei cnd sunt prezeni n sistem i ali factori, curba care reprezint dependena vitezei de concentraia enzimei, este deviat fa de cea normal.

Abaterile de la aceast comportare se pot datora prezenei inhibitorilor, folosirea unei concentraii de substrat sub limita de saturare a enzimei etc.

b) Influena concentraiei substratului asupra vitezei reaciei enzimatice

S-a constatat c dac se pleac de la o cantitate fix de enzim i se mrete treptat concentraia substratului, se va forma o cantitate mai mare de complex enzim-substrat, viteza reaciei va crete treptat, pn cnd toat enzima s-a combinat cu substratul. Acest stadiu reprezint momentul de saturare a enzimei, iar viteza va fi maxim (vmax). Dac se mrete n continuare concentraia substratului, viteza de reacie nu se va mri, deoarece nu exist enzim liber care s intre n reacie cu substratul.

n practic, activitatea enzimatic se apreciaz dup concentraia substratului, cnd jumtate din cantitatea de enzim este combinat cu substratul sub form de complex enzim-substrat si viteza reaciei este jumtate din valoarea sa maxim. Acest punct reprezint constanta Michaelis (KM) i reprezint concentraia substratului pentru care viteza de reacie este jumtate din viteza maxim. Constanta Michaelis are valorile unor concentraii i se exprim n moli/L. Constanta Michaelis se poate utiliza pentru a determina afinitatea enzimei fa de substrat. Cu ct KM va avea o valoare mai mare, cu att afinitatea enzimei fa de substrat va fi mai mic i invers. Relaia cantitativ dintre viteza reaciei enzimatice, concentraia substratului i valoarea KM, care exprim viteza reaciei enzimatice n fiecare moment, este dat de ecuaia Michaelis-Menten:

Constanta lui Michaelis este o mrime important nu doar din punct de vedere al cineticii enzimatice ci i pentru msurtorile cantitative ale activitii enzimatice din esuturi. Cercetri recente au pus n eviden importana medical a constantei KM. Unele cazuri de leucemie (n care are loc o cretere enorm a numrului de leucocite) pot fi regresate prin administrarea intravenoas a enzimei asparaginaza care catalizeaz reacia de hidroliz a asparaginei la acid aspartic i amoniac. Prin injectarea intravenoas a asparaginazei (factor de cretere a leucocitelor), fenomenul de cretere a leucocitelor este stopat. Cercetrile asupra surselor de asparaginaz au demonstrat ca enzima are valori diferite ale KM n funcie de provenien (bacterii, plante, animale). Deoarece concentraia de asparagin din snge este foarte mic, cantitatea de asparaginaz injectat va avea efect terapeutic, doar dac valoarea KM va fi suficient de mic pentru a hidroliza rapid asparagina aflat n concentraii mici n snge.

Activitatea enzimatic se exprim prin unitatea enzimatic, respectiv cantitatea de enzim care poate cataliza transformarea unui micromol de substrat n timp de un minut. Activitatea enzimatic n cazul enzimelor pure se determin prin numrul de molecule de substrat care pot fi metabolizate ntr-un minut de o singur molecul de enzim. Aceast mrime se numete raport de transformare (turnover number).

c) Influena temperaturii asupra vitezei reaciei enzimatice

Activitatea enzimelor este foarte mult influenat de temperatur. Asemntor celor mai multe dintre reaciile chimice, viteza reaciei enzimatice crete cu creterea temperaturii (se dubleaz la creterea temperaturii cu 10 0C).

Pentru fiecare enzim exist o temperatur la care activitatea enzimatic este maxim, numit temperatur optim (n general, cuprins ntre 20-40 0C. Pn la atingerea temperaturii optime, activitatea enzimatic crete proporional cu creterea temperaturii.

Dup atingerea acestei temperaturi, activitatea enzimatic scade rapid cu creterea temperaturii, datorit denaturrii prii proteice a enzimei, acelai fenomen avnd loc la scderea temperaturii sub cea optim (fenomene utilizate n practic la pstrarea alimentelor prin fierbere sau congelare). Cele mai multe enzime sunt inactivate la temperaturi peste 55-60 0C, cu excepia enzimelor din bacteriile termofile (din izvoarele termale), active i peste 85 0C.

Influena temperaturii asupra vitezei reaciei enzimatice este redat n figura 6.3.

Fig. 6.1. Influena temperaturii asupra vitezei reaciei enzimaticed) Influena valorii pH asupra activitii enzimatice

Activitatea enzimelor este influenat n mod accentuat i de concentraia ionilor de hidrogen din mediul de reacie, deci de pH. Enzimele i manifest activitatea numai ntre anumite limite de pH (limite inferioare i limite superioare). Cele mai multe enzime manifest activitate maxim la valori caracteristice ale pH-ului (pH optim). Valoarea pH-ului optim depinde de natura enzimei, de mediul de reacie, de proprietile acido-bazice ale enzimei i de factorii biologici. Influena valorii pH asupra activitii enzimatice este redat n figura 6.4.

Fig. 6.2. Influena valorii pH asupra activitii enzimaticen general, pH-ul optim coincide cu pH-ul lichidelor din organism, unde enzimele i exercit activitatea. Astfel, pH-ul optim al pepsinei din stomac este cuprins ntre 1,4-1,5; pH-ul optim al tripsinei din pancreas ntre 7,8-8,7; al amilazei din mal ntre 4,7-5,2 etc. Majoritatea enzimelor vegetale au un pH optim cuprins ntre 5,3-7,6. n afara limitelor de pH stabilite, enzimele devin inactive. Valori prea mari ale pH-ului (alcalinitate mrit) sau prea mici (aciditate mrit), afecteaz activitatea enzimatic prin denaturarea prii proteice sau perturbarea echilibrelor de disociere ale grupelor funcionale ale centrului activ al enzimei, ca i modificarea geometriei centrilor activi.Valoarea pH-ului optim este influenat de temperatur, de ionii din soluie, de natura i de concentraia substratului, de originea enzimei, de factorii biologici etc.

e) Influena activatorilor enzimatici

Activatorii sunt compui chimici care mresc activitatea enzimelor (intervin n mecanismul aciunii enzimatice), fie prin stimularea direct a acestora, fie prin ndeprtarea unor inhibitori din sistem. Activatorii se clasific dup efectul produs n:

( Activatori care acioneaz prin deblocarea centrilor activi din molecula enzimelor. Unele enzime, denumite proenzime, sunt secretate sub form inactiv, cu gruprile active blocate (mascate) de polipeptide sau de alte substane. Proenzimele se transform n enzime active sub influena unor enzime kinaze, care ndeprteaz substanele inhibitoare.

( Activatori care acioneaz asupra enzimei prin nlturarea din sistem a unor inhibitori ai enzimei. Substanele, adugate unei soluii enzimatice pentru protejarea enzimei mpotriva factorilor care o inactiveaz sau o denatureaz, se numesc protectori. De exemplu, proteinele activeaz ureaza prin captarea ionilor inhibitori din sistem (de exemplu, ionul cianur (CN() nltur efectul inhibitor al Cu2+ asupra ureeazei, prin formarea cianurii complexe de cupru, stabil).( Activatori care sunt componente ale enzimelor sau care stimuleaz direct activitatea acestora. Sunt activatori specifici pentru anumite enzime o serie de cationi metalici i anioni, astfel, fosforilaza este activat de Mg2+, fosfoglucomutaza de Mg2+, i de Mn2+, fosfataza de Ca2+ i de Mn2+, amilaza salivar este activ numai n prezena ionilor de clor, proteazele vegetale sunt activate de glutationul redus etc.

f) Inhibitori ai enzimelor

Inhibitorii sunt substane care acionnd asupra enzimelor, influeneaz negativ desfurarea activitii enzimatice pn la anularea ei, reversibil sau ireversibil.

Studiul inhibitorilor furnizeaz informaii utile asupra specificitii de substrat, tipului de grupe funcionale i mecanismului de aciune enzimatic.

( Inhibitorii ireversibili modific profund structura moleculelor enzimatice, provocnd denaturarea proteinei i deci anularea activitii catalitice a enzimei.

Astfel de inhibitori ireversibili sunt: compuii cu Pb2+, Hg2+, CN(, cu CO, compuii cu arsen etc.

( Inhibitorii reversibili acioneaz asupra cineticii reaciei enzimatice, fr a produce modificri la nivelul structurii enzimei. Inhibiia produs de aceti inhibitori poate fi (n funcie de natura i de specificul ei) de tip: competitiv, necompetitiv i alosteric.

( Inhibiia competitiv rezult dintr-o competiie (pentru ocuparea situsului activ al enzimei), ntre substrat i inhibitorul care are o structur molecular asemntoare cu a substratului. Inhibiia competitiv se produce i n cazul vitaminelor de ctre antivitamine, hormoni-antihormoni, enzime-antienzime.

( Inhibiia necompetitiv se caracterizeaz prin faptul c inhibitorul nu are o structuraasemntoare cu substratul. Inhibiia necompetitiv se poate realiza n mai multe moduri:( Inhibiia prin blocarea sau transformarea grupelor funcionale tiolice (-SH), centrii activi ai enzimelor, prin reacii cu metale grele (Hg, Pb, Ag, As etc.) cu formare de mercaptide, prin reacii de oxidare sau reacii de alchilare.

( Inhibiia prin blocarea metalului din componena enzimei sau a activatorilor din mediul de reacie. De exemplu, fluorurile i oxidanii extrag ionii de Mg2+ i de Ca2+ din molecula enzimei, iar cianurile, H2S i CO scot fierul din enzimele feroporfirinice.

Inhibarea enzimelor se produce i prin agitare ndelungat, sub aciunea diferitelor radiaii ionizante (UV, X etc.), la presiuni ridicate i sub influena substanelor care determin precipitarea proteinelor (acid tricloracetic, tanin etc.).

6.4. Nomenclatura i clasificarea enzimelor

Denumirea enzimelor s-a acordat iniial, innd cont de numele substratului asupra cruia acioneaz, sau de numele reaciei catalizat, la care se adaug sufixul aza.

De exemplu, enzima care biocatalizeaz descompunerea amidonului se numete amilaza cea care acioneaz asupra zaharozei se numete zaharaza etc., enzimele care biocatalizeaz reacii de hidroliz se numesc hidrolaze, cele care catalizeaz reacii de oxido-reducere se numesc oxido-reductaze etc.

Odat cu creterea numrului de enzime izolate i caracterizate, pentru prevenirea confuziilor n stabilirea numelui enzimelor, innd cont c ele pot manifesta specificitate relativ (pot aciona asupra mai multor substraturi) i c asupra unui substrat pot aciona enzime diferite, a fost adoptat noua nomenclatur i sistemul de clasificare (Congresul Internaional de Biochimie, Moscova, 1961).

Sistemul de clasificare i numerotare a enzimelor, precum i noua nomenclatur sistematic se bazeaz pe reacia chimic catalizat de enzim, unicul criteriu care permite deosebirea enzimelor ntre ele. n acest sistem enzimele sunt mprite n clase, dup tipul reaciei catalizate, iar acestea sunt mprite n subclase care definesc mai exact caracterul reaciei enzimatice respective. Numele fiecrei enzime se definete printr-un termen alctuit din trei pri:

( denumirea substratului asupra cruia acioneaz enzima;

( denumirea tipului de reacie catalizat de enzim;

( sufixul aza.

De exemplu, enzima care catalizeaz dehidrogenarea acidului lactic se numete lactatdehidrogenaza, cea care catalizeaz decarboxilarea acidului piruvic se numete piruvatdecarboxilaza. Denumirea transferazelor se formeaz din prefixul trans, numele substratului i sufixul aza (transaminaze, transmetilaze, transfosfataze etc.).

Conform acestui sistem zecimal de clasificare, fiecare enzim este caracterizat printr-un cod format din patru cifre.

Enzimele cunoscute n prezent sunt grupate n 6 clase principale:

1. Oxidoreductaze

2. Transferaze

3. Hidrolaze

4. Liaze

5. Izomeraze

6. Ligaze (Sintetaze).

Prima cifr precizeaz clasa din care face parte enzima.

A doua cifr a codului definete subclasa, furniznd informaii asupra tipului de grup funcional, respectiv asupra tipului de legtur chimic implicat n reacie.

Cifra a treia precizeaz subdiviziunile din cadrul unei subclase (de exemplu, natura unei grupe funcionale transferate, natura acceptorului etc.).

Cifra a patra din cod reprezint numrul de ordine al enzimei n subdiviziunea din interiorul subclasei. De exemplu: enzima ATP: D-fructozo-6-fosfotransferaza, are cifrul 2.7.1.4. dup care se identific drept o transferaz (2, clasa 2), care transfer reziduul fosfat (cifra 7, subclasa 7), la gruparea alcoolic (cifra1, subdiviziunea 1 a subclasei 7) i are numrul de ordine 4.

Pentru unele dintre enzime se pstreaz denumirile vechi, conferite nainte de stabilirea noii nomenclaturi (pepsina, tripsina, papaina, emulsina, chimozina etc.).

6.5. REPREZENTANI AI PRINCIPALELOR CLASE DE ENZIME

6.5.1. Oxidoreductaze

Oxidoreductazele sunt enzime care biocatalizeaz reaciile de oxidoreducere din organismele vegetale i animale. Ele au un rol important deoarece, prin reaciile de oxidoreducere, organismele i procur cea mai mare parte din energia necesar activitilor fiziologice. Reaciile de oxidoreducere se realizeaz prin transfer de electroni i prin transfer de atomi de hidrogen.

Dup mecanismul de aciune, oxidoreductazele se clasific n trei subgrupe:

dehidrogenaze;

transelectronaze;

oxidaze.

6.5.1.1. Dehidrogenaze

Oxidrile biologice decurg preponderent n absena oxigenului, fiind de fapt dehidrogenri, care au loc prin transfer de atomi de hidrogen de pe o molecul (care se oxideaz) pe alt molecul (care se reduce). Enzimele care catalizeaz transferul atomilor de hidrogen de la un substrat la altul sunt dehidrogenazele. Coenzimele lor particip continuu la oxidri i reduceri, fr s se consume n timpul reaciei. Atomii de hidrogen nu rmn legai n mod permanent pe molecula coenzimei, ci sunt transferai printr-o nou reacie redox pe o alt molecul.

Dup natura acceptorului de atomi hidrogen, dehidrogenazele pot fi:

dehidrogenaze anaerobe;

dehidrogenaze aerobe.

a) Dehidrogenaze anaerobe

Dehidrogenazele anaerobe sunt oxidoreductaze care transport hidrogenul n interiorul celulelor, de la un substrat donor la altul acceptor (cu excepia O2 atmosferic). Coenzimele care realizeaz aceast transformare sunt codehidrazele de natura piridinnucleotidic:

( codehidraza I (Co I): NAD nicotinamidadenindinucleotida;( codehidraza II (Co II): NADP nicotinamidadenindinucleotida fosfat.Structura chimic a NAD

Codehidrazele piridinnucleotidice au o structur dinucleotidic. n compoziia lor intr nicotinamida (vitamina PP), dou molecule de riboz, acid pirofosforic i adenin.

NADP-ul are n plus fa de NAD un rest de acid fosforic la atomul C2 al ribozei legate de adenin.

n condiii anaerobe mecanismul transferului de hidrogen este urmtorul:

Ambele coenzime (NAD i NADP) se pot prezenta n dou forme: o form redus i o form oxidat.

Mecanismul reaciei de oxidoreducere implic transformarea reversibil a structurii bazei azotate nicotinamidice (NAD, respectiv NADP) din forma oxidat n forma redus, prin transferul reversibil al atomilor de hidrogen, astfel:

n transportul hidrogenului, rolul principal revine nucleului piridinic. Codehidraza oxidat preia de pe substrat doi atomi de hidrogen, pe care i fixeaz unul la C4 i unul la atomul de N1 (structur de ion cuaternar de amoniu). Se formeaz un produs instabil, care prin eliminarea unui proton de la N1 se transform n forma redus. Deoarece formele oxidate au la atomul de azot sarcina pozitiv, este corect s se scrie formula acestor coenzime NAD+ i NADP+, iar pentru formele reduse NADH+H+ (nu NADH2 i NADPH2). Codehidrazele I i II pot suferi reacii de interconversiune n prezena ATP-ului i sub aciunea fosfatazei:

Exemple de enzime dehidrogenaze anaerobe care au n structur NAD+ sau NADP+: alcooldehidrogenaza (implicat n fermentaia alcoolic), aldehiddehidrogenaza, izocitricdehidrogenaza (implicat n ciclul Krebs) etc.

b) Dehidrogenaze aerobe

Dehidrogenazele aerobe sunt enzime oxidoreductaze care transport hidrogenul de la un substrat donor la oxigenul liber (acceptor), formnd apa oxigenat, care va fi descompus ulterior de peroxidaze sau catalaze.

Coenzimele componente care realizeaz aciunea biocatalitic sunt de natur flavinnucleotidic:

FMN flavinmononucleotida FAD flavinadenindinucleotida.

Ambele coenzime au ca i component principal vitamina B2 cu structur izoaloxazinic. Componenta proteic (apoenzima) este de obicei o albumin. Legtura dintre apoenzim i coenzim se desface uor n mediu acid i n prezena sulfatului de amoniu.

Flavinmononucleotida (FMN) este format dintr-un nucleu izoaloxazinic, din ribitol i acid fosforic.

Legtura dintre FMN i apoenzim se poate realiza la nivelul nucleului izoloxazinic i la nivelul acidului fosforic. Dintre flavinenzimele mononucleotidice se pot meniona: fermentul galben respirator, L-aminoacidoxidaza etc.

Flavinadenindinucleotida (FAD) este format dintr-un nucleu izoloxazinic, ribitol, acid pirofosforic i adenin. FAD are o structur de dinucleotid, fiind format prin unirea a dou mononucleotide: FMA i AMP.

n condiii aerobe mecanismul transferului de hidrogen este urmtorul:

Mecanismul transferului de atomi de hidrogen n condiii aerobe este posibil datorit transformrii reversibile a structurii nucleului izoaloxazinic (vitamina B2) din structura FAD. Nucleul izoaloxazinic se poate prezenta sub o form oxidat, cu duble legturi conjugate i o form redus, fr legturi duble la atomii de azot N1 i N10. Forma oxidat a flavinenzimelor este colorat, iar forma redus este incolor.

Dintre flavinenzimele cu FAD se pot meniona: xantinoxidaza, D-aminoacidoxidaza, succindehidrogenaza, glucozoxidaza, aldehidoxidaza etc.

( Glucozoxidaza acioneaz asupra substratului glucoz, pe care o oxideaz la acid gluconic:

R(CH=O + FAD R(COOH + FADH + H+

FADH + H+ + O2 FAD + H2O + O2

( Aldehidoxidaza acioneaz asupra acetaldehidei, pe care o oxideaz la acid acetic:

CH3(CH=O + FAD + H2O CH3(COOH + FADH + H+

FADH + H+ + O2 FAD + H2O + O2

6.5.1.2. Transelectronaze

Transelectronazele sunt enzime care catalizeaz reacii de oxido-reducere care decurg prin transfer de electroni de pe un donor pe un acceptor.

Dac donorul este:

Oxigenul, enzimele sunt transelectronaze aerobe;

Nu este oxigenul, enzimele sunt transelectronaze anaerobe.Transelectronazele sunt reprezentate prin cromoproteidele citocromi, constituii dintr-o parte proteic (apoenzima cu caracter bazic) i o coenzim cu structur feriporfirinic (citocromul propriu-zis).

Transportul de electroni se realizeaz prin modificarea cifrei de oxidare a fierului:

Fierul porfirinic se leag prin dou legturi coordinative de atomul de azot imidazolic al aminoacidului histidina din catena polipeptidic a enzimei.

Citocromii sunt prezeni numai n celulele aerobe i particip la realizarea procesului de respiraie. Cantitatea lor n celule depinde de capacitatea respiratorie a celulei. Se cunosc mai multe tipuri de citocromi care se deosebesc ntre ei prin substituenii nucleelor pirolice, potenialul redox etc. Eliberarea i transportul de electroni se realizeaz prin trecerea citocromului din starea feroas (Cit. Fe2+) n starea feric (Cit. Fe3+), n prezena O2 i a citocromoxidazei.

Citocromii dein, ca transportori de electroni, un rol important n catena de respiraie celular (lanul respirator). Ei particip, ca intermediari, la procesul de formare a apei, produs final al metabolismului glucidic. Energia eliberat n procesele de oxidare (H - e( = H+) este stocat n moleculele de ATP care se sintetizeaz. 6.5.1.3. Oxidaze

Oxidazele sunt enzime oxidoreductoare care catalizeaz reaciile dintre diferite substraturi i oxigenul molecular sau cel peroxidic.

Oxidazele se clasific n:

oxigenaze;

hidroxilaze;

oxidaze transportoare de electroni.

a) Oxigenazele determin combinarea direct a substratului cu oxigenul molecular. Ele catalizeaz reacii de tipul:

Exemple de enzime oxigenaze: lipoxidaza, care catalizeaz oxidarea acizilor nesaturai din esuturilor vegetale, indoloxidaza, triptofanoxidaza etc.

b) Hidroxilazele (monooxigenaze) sunt enzime care catalizeaz oxidarea substratului cu formarea concomitent a apei. Din oxigenul molecular, un atom va servi la oxidarea substratului iar cellalt la formarea apei:

Reaciile au loc n prezena unui donor de hidrogen (AH2) care poate fi: NADH + H+, NADPH + H+, FADH2 etc. Cele mai importante dintre enzimele hidroxilaze sunt: fenilalaninhidroxilaza, lizinhidroxilaza, steroidhidroxilaza etc.

c) Oxidazele transportoare de electroni conin n molecul ioni metalici (Cu, Fe) i catalizeaz reacia de oxidare a substratului cu ajutorul oxigenului atomic foarte reactiv.

Enzimele care conin atomi de cupru se numesc cuproxidaze, cele care conin atomi de fier se numesc feroxidaze. Dintre cuproxidaze fac parte fenolazele (fenoloxidaze, rspndite n regnul vegetal), enzime care catalizeaz oxidarea fenolilor la chinone, ascorbicoxidaza, care catalizeaz oxidarea acidului ascorbic la acid dehidroascorbic, tirozinaza etc.

Dintre feroxidaze, cele mai importante sunt peroxidazele i catalazele.

Peroxidazele descompun apa oxigenat numai n prezena unui acceptor de oxigen sau a unui donor de hidrogen:

Catalazele descompun apa oxigenat cu degajare de oxigen:

Ca i peroxidazele, catalazele sunt rspndite n celulele vegetale unde acioneaz prin descompunerea apei oxigenate, substan toxic pentru organismele vii, care se formeaz sub aciunea unor flavinenzime sau a radiaiilor. Ca donatori de atomi de hidrogen pot funciona: metanolul, etanolul, fenolii, aminoacizii etc.

Interval de pH optim

v

mol/s

pH

Temperatura optim

40

v

mol/s

Temperatura 0C

_1139037292.unknown

_1142765042.unknown

_1142768096.unknown

_1142769784.unknown

_1139038062.unknown

_1139220082.unknown

_1139220358.unknown

_1139037937.unknown

_1139036998.unknown

_1139037243.unknown

_1139036502.unknown

_1138431072.unknown