C6_7_Enzime_1_IPA

S.L. Dr. Ioana Lacatusu

ENZIME partea 1

Cursuri 6 si 7

I. Caracteristici generale ale enzimelor

Nomenclatura. Clasificare. Caracteristici

Particularitati structurale

Specificitatea enzimelor

II. Reactii enzimatice.

Cinetica reactiilor enzimatice. Factori de influenta

Inhibitia enzimelor

Enzime alosterice. Reglarea cailor metabolice prin retroinhibitie.

III. Mecanisme de actiune in cataliza enzimatica

IV. Functii biochimice ale enzimelor

CUPRINS

I. Caracteristici generale

Sunt proteine globulare ce catalizeaza r. biochimice din organismele vii (biocatalizatori) si permit desfasurarea r. necesare multiplicarii celulare.

Proteine fr de care celulele vii nu pot realiza reacii complexe ntr-un timp scurt.

Intervin aproape in toate functiile organismului.

Au rol esenial n biosinteza i degradarea substanelor din materia vie.

Sunt ntlnite n toate organismele animale, vegetale i n microorganisme.

Substane care fac posibil VIAA, reprezentand fora de munc a organismului.

Lacaza

ENZIME


Desi ENZIMELE se gasesc in cantitati mici, ele sunt foarte eficiente.

Exemplu: 30g de Pepsina (secretata la nivelul stomacului) pot digera ~ 2 tone de albus de ou.

Fara ENZIME viaa NU poate exista:

Reaciile chimice nu pot avea loc. Enzimele sunt implicate in mii de procese biochimice ce se desfasoara in organismul uman.

Alimentele nu ar putea fi digerate (substantele nutritive prezente in alimente nu ar fi absorbite).

Hormonii, mineralele i vitaminele nu i pot ndeplini funciile.

Nu am putea gandi, etc.

Fructele nu s-ar coace, semintele nu ar germina etc.


Exista 2 categorii de ENZIME:

A. Enzime digestive cu rol esential in procesele de digestie ale proteinelor, lipidelor si glucidelor alimentare.

Enzimele digestive:

enzime digestive proprii (produse de organism);

enzime digestive preluate din alimente.

Exemple de alimente ce contin enzime:

masline, miere, varza, struguri, cereale germinate crude, nuci, smochine i curmale proaspete, banane, ananas, kiwi, mango etc.


Tripsina

B. Enzime metabolice regleaza procesele metabolice interne.

A. Enzime digestive

Sunt secretate de-a lungul tractului intestinal. Intervin in procesele de digestie (descompunere) a alimentelor, facand

posibila absorbtia nutrientilor in sange. Nutrientii sunt dirijati catre diferite organe si tesuturi pentru a fi folositi pentru functiile organismului.

Enzime digestive (secretate la nivelul sucurior gastrice, pancreatice, precum si in sucurile intestinale):

1. Amilaze

descompun GLUCIDELE. Diferite tipuri de amilaza descompun glucide variate:

Exemple: Lactaza descompune Lactoza (zaharul din lapte), Maltaza descompune Maltoza (zaharul din malt) Sucraza descompune Sucroza (zaharul din sfecla,trestie).

2. Proteaze ajuta la digerarea PROTEINELOR.

3. Lipaze ajuta la digerarea LIPIDELOR.



B. Enzime metabolice

Enzime care catalizeaza reactiile chimice din celule (ex: r. prin care se produce energie, reactii cu ajutorul carora au loc procesele de detoxifiere).

Sunt constructorii care ridica zidurile organismului din Proteine, Glucide si Lipide.

Guverneaza activitatile tuturor organelor corpului, ale tesuturilor si celulor.

Actioneaza specific in sange, organe si tesuturi. Fiecare tesut al corpului are propria sa enzima metabolica.

Controleaza descompunerea si utilizarea Proteinelor, a Lipidelor si a Glucidelor pentru a crea sute de enzime metabolice necesare pentru functionarea optima a tesuturilor si a organelor corpului.


Principiul I. Numele substratului + Numele reaciei catalizate + Sufixul aza:

Ureaza (enzima care hidrolizeaza ureea)

Fosfataze (hidrolizeaza leg. fosfat din compusii organici fosforilati)

Amilaza (hidrolizeaza amidonul)

Proteaze (enzime care scindeaza proteinele)

Lipaze (enzime hidrolizeaza lipidele) etc.

Principiul II. Enzimele sunt clasificate i denumite n funcie de reacia pe care o catalizeaza (exista 6 categorii, Tabel).

1. Oxidoreductaze

2. Transferaze

3. Hidrolaze

4. Liaze

5. Izomeraze

6. Ligaze

Nomenclatura enzimelor

Exemple:

Observatie: Exista si o denumire comuna dei acestea nu precizeaz aciunea enzimei ntr-un anumit tip de reacie (Ex: pepsina, tripsina etc.)

Tipul reactiei Denumire ENZIMA Activitate/Reactia catalizata

Oxido-reducere 1. OXIDOREDUCTAZE

catalizeaza r. de oxido-reducere, actionand asupra gruparilor: > C OH; > C = O; > C = CH ; > CH NH2; > CH NH-

Transfer de grupari

2. TRANSFERAZE

transferul unei gr. functionale (Ex: aldehida sau cetona, acil, glicozil, fosfat, etc.) de la un substrat la altul.

Hidroliza 3. HIDROLAZE

catalizeaza scindari de leg. covalente C-N, C-O, C-S sau O-P (Ex: leg. esterice, glicozidice, peptidice, fosfat etc). Ex: esteraze, glicozidaze, peptidaze, fosfataze, amilaze.

Scindari de legaturi

4. LIAZE catalizeaza r. de aditie (la leg. duble: > C

= C C = O, > C = N-) sau reactii de eliminare (cu form. leg. duble).

Izomerizare 5. IZOMERAZE catalizeaza reactii de izomerizare (Ex: racemaze, epimeraze, tautomeraze).

Formare de legaturi

6. LIGAZE

catalizeaza r. de sinteza (formare de leg. C O, C S, C N, C C) prin condensarea a 2 molecule simultan cu hidroliza leg. fosforice din ATP sau din alt compus.



Principiul III (1956, EC-xxxx). Fiecarei ENZIME ii este atribuit un numar

de cod format din 4 cifre precedate de prescurtarea EC (Enzyme

Comission)*.

prima cifra clasa de enzime (in functie de reactia catalizata); a doua cifra subclasa (da indicatii asupra donorului din reactie); a treia cifra subsubclasa (face referire la natura acceptorului din reactie); a patra cifra indica enzima individuala.


EXEMPLE:

EC 1.1.1.1 (Alcool dehidrogenaza) = catalizeaz oxidarea etanolului, acceptorul de hidrogen fiind NAD+:

+

NADH, H+CH3CHO+

NAD+CH3CH2OH

EC 1.1.1.27 (L-lactat dehidrogenaza) = catalizeaz transformarea L- lactatului n piruvat:

_ _ +++

++CH3CHCOO NAD CH3COCOO NADH H

OH


*Optional

EC 2.6.1.2 (Alanin aminotransferaza) = transfer grupa amino de la alanin la -cetoglutarat:

+

_

__

_

__

+COO

+C

CH3

HH3N

COO

CO

(CH2)2

COO

C

CH3

COO

O +

COO

(CH2)2

C

COO

HH3N

EC 5.1.2.1 (Lactatracemaza) = transform acidul L-lactic n acid D- lactic

_ _

HC

CH3

COO

H C

CH3

COO

OHHO



Proprietati comune cu catalizatorii chimici: 1. NU se consuma si NU se produc in reactie; 2. NU modifica echilibrul chimic; 3. Catalizeaza doar reactii posibile din punct

de vedere termodinamic.

Proprietati specifice ENZIMELOR:

1. Manifesta specificitate de actiune;

2. Eficienta catalitica mult mai mare (x103-108)

3. Actioneaza in conditii blande de temp., pH, pres. osmotica;

4. Activitatea lor poate fi reglata prin utilizarea unor agenti modificatori;

5. Determina desfasurarea r. fara produsi secundari si cu randamente mari.

Reprezentarea comparativa a reactii chimice (a)

versus reactii enzimatice (b) (Koolman J., 2005)

Caracteristici ale enzimelor

A + B C + D


a. Reactii chimice

b. Reactii enzimatice

Particularitati structurale ale enzimelor


In centrul activ se gasesc numai anumiti AA care au grupe OH, SH, COOH, NH2, radical imidazol (Ex: Ser, Hys, Asp, Lys).

E + S ES E + P Enzima Substrat Complex Produsi

Enzima-Substrat

PROCESUL ENZIMATIC se desfasoara numai in anumite zone ale moleculei de enzima, alcatuite din 2-4 AA care au o dispozitie spatiala corespunzatoare.

Functionalitatea centrului catalitic este o consecinta a structurii spatiale a ENZIMEI care prin aranjarea sa in spatiu aduce anumiti AA distantati intr-o pozitie optima pentru a lega un substrat.

CENTRU ACTIV = aranjament spatial adecvat "prinderii" substratului (S).

S se lega la E cu form. complexului ES

Centru activ

Reactie completa: sunt eliberati produsii de r., cu regenerarea Enzimei

Produsi de reactie

Enzimele sunt formate din lanturi lde AA. Lanturile sunt pliate pentru a forma centrul activ

In HETEROPROTEINE, centrul activ prezinta: situs de fixare care se combina cu substratul prin legaturi labile (la

formarea caruia participa AA auxiliari) situs catalitic (format din AA colaboratori care actioneaza asupra

substratului). AA care nu sunt implicati in reactia enzimatica sunt AA necolaboratori.

AA necolaboratori

AA colab.

AA auxiliari

AA functionali

Zona situs catalitic

Organizarea centrului activ (Louisot P, 1982)



SITUSURI

(determina

activitatea

biologica)

Situs catalitic

Parte a proteinei

formata din resturi de AA ce sunt responsabili de transformarea propriu-zisa a Substratului.

Situs alosteric

Parte a proteinei, care dupa legarea unui efector alosteric, modifica activitatea enzimatica a Enzimei.



(controleza direct activitatea enzimatica)

(controleza indirect activitatea enzimatica)

E + S ES E + P

Clasificarea enzimelor

HOLOPROTEINE Structura unitara, alcatuita numai din aminoacizi. (Ex: Chimotripsina, Tripsina, Pepsina, Lipaza)

HETEROPROTEINE Structura binara, alcatuita din:

1. Componenta proteica (Apoenzima). 2. Componenta neproteica (Co-factori):

- Co-enzime (ex: NAD+/NADH, FMN, FAD) - Ioni metalici (activatori): Mg2+, Fe2+ , Zn2+

- Grupari prostetice (ex: citocromul, hemul)


1. Apoenzima (componenta proteica): confera specificitatea de substrat pentru

activitatea unei enzime;

contine situsul catalitic si pe cel la care se leaga efectorii in cazul enzimelor allosterice;

determina legarea substratului la situsul catalitic si a efectorilor la alt situs.

2. Co-factori (componenta neproteica): molecule neproteice (relativ mici),

cu structura chimica variata; se leag covalent sau necovalent

de enzime; prezena lor condiioneaz

activitatea enzimatic

Particularitatile componentei proteice (Apoenzima) din ENZIME:

Structura primara este stabila, determinata de secventa AA din lantul polipeptidic.

Este responsabila pentru nivelele superioare ale structurii enzimei i prin urmare, pentru activitatea enzimatic.

Structura secundara reprezinta procentul de configuratie spatiala -helix (in special) stabilizat prin leg. de H.

Structura tertiara se refera la asamblarea formelor elementare in spatiul tridimensional si plierea catenelor polipeptidice. Majoritatea AA polari se dispun la exteriorul moleculei, iar AA nepolari la interior, formand o zona hidrofoba interna.

Structura cuaternara apare la majoritatea enzimelor care sunt alcatuite din mai multe catene polipeptidice identice (Enzime homomultimere) sau diferite (Enzime heteromultimere).

Asocierea protomerilor se realizeaza prin leg. de H, interactiuni electrostatice, forte Van der Waals.


Reprezentarea structurii secundare -helix (A) si b-foaie plisata (B). Legaturile de hidrogen sunt reprezentate prin linii punctate

Particularitatile componentei proteice (Apoenzima) din ENZIME:



Co-factori in ENZIME*

Coenzima A (CoA)

Flavin adenin dinucleotida (FAD)

Hem c

Adenozin trifosfat (ATP)

Co-factorii se caracterizeaza prin:

sunt indispensabili pentru

desfasurarea activitatii enzimei; confera specificitate de reactie pentru

o enzima; intervin in reactie, favorizand

aranjamentul adecvat reactiei sau transferand electroni sau grupe chimice.

Nicotinamid adenin inucleotida (NAD+)

*Structurile

co-factorilor - Optional

I. Specificitate de reactie

II. Specificitate de substrat

I. Specificitatea de reactie


Specificitatea enzimelor

Intalnita atunci cand o ENZIMA

catalizeaza un anumit tip de reactie biochimica.

Sta la baza clasificarii enzimelor in cele 6 clase.

Multe enzime digestive prezinta acest tip de specificitate.

Exemplu: Proteaze, Amilaze i Lipaze: Catalizeaza hidroliza moleculelor

mari din produsele alimentare. Prezinta o specificitate destul de

larg n substratele lor.

Tripsina: acioneaz asupra multor tipuri de

proteine din intestin, dar prefer resturile de AA bazici (Lys si

Arg). Obs. Aceast specificitate larga aduce un efect economic n organisme (nu produc mai multe enzime digestive pentru toate tipurile de componente alimentare).

II. Specificitatea de substrat 1. Absoluta

2. Relativa de grup 3. Stereospecifica


Ureaza catalizeaz numai hidroliza i scindarea ureei i a acidului carbonic.

Hexochinaza prefer D - glucoza, dar deasemenea poate aciona i asupra altor hexoze.

Succinat dehidrogenaza (SDH) cataliz r. de obt. a ac. fumaric (forma trans), NU si a ac. maleic (forma cis).

D aminoacid oxidaza reac. doar cu D-aminoacid (NU cu L-aminoacid)

Arg

Uree

Acid fumaric

Acid succinic

Flavin adenin dinucleotida (FAD) = co-factor redox implicat in reactiile metabolice

Energia de activare pentru descompunerea H2O2:

1. fara catalizator; 2. cu Pt coloidala; 3. cu catalaza.

Energia de activare

K+1 K+2

E + S ES E + P K-1

Conditii substrat:

Sa aiba o conformatie care sa-i permita accesul la situs-ul catalitic;

Sa aiba caracteristici structurale ce satisfac necesitatea de specificitate a enzimei;

Sa se asocieze cu enzima pe baza unei orientari strict specifice.

II. Reactii enzimatice. Cinetica reactiilor enzimatice

Procesele biochimice in prezenta ENZIMELOR, si in conditii moderate, decurg cu viteza mare si randament mare.

Reactiile enzimatice au loc intr-un singur sens, fara reactii secundare, fara descompunerea compusilor instabili.

Catalizatorii intervin asupra energiei de activare.

1. Concentratia substratului

2. Concentratia enzimei

3. pH-ul

4. Temperatura

5. Prezenta activatorilor si inhibitorilor


Factori ce influenteaza viteza reactiilor enzimatice


K+1 K+2

E + S ES E + P K-1

1. Concentratia substratului*


La echilibru:

(1)

(2) (3)

(4) (5) (6)

(7) (8) * Demonstrarea ec. Michaelis-Menten = OPTIONAL

Ecuatia Michaelis Menten

1. Concentratia substratului

Variatia activitatii enzimatice cu concentratia substratului

[S] mare v = vmax

[S] 0 [S] = KM

[S]

[S]vv max

M

max

K

[S]vv

2

vv max

(10)

(9)

(11) (12)

Viteza reactiei enzimatice propriu-zise :

E total legata sub forma ES:

(13)


KM = valoarea conc. de S la care viteza r. enzimatice este din viteza maxima de reactie

2. Concentratia enzimei


Variatia activitatii enzimatice cu concentratia enzimei

3. pH

Exista o dependenta liniara intre viteza de reactie si conc. catalizatorului, insa numai pentru conc. mici de ENZIMA (la conc. mari, viteza de reactie se modifica neliniar). v = k1 [E]

pH-ul optim de actiune al unei enzime este pH-ul mediului in care aceasta isi manifesta actiunea catalitica (deasupra/sub acest pH, activitatea enzimatica scade).

pH-ul poate afecta activitatea enzimatica: ireversibil (denaturare; pH-uri extreme); reversibil (functie de gradul de ionizare al E,

S sau ES). Variatia activitatii enzimatice cu pH

y = ax +b


Teoria Michaelis-Menten: 1. Este fundamentala pentru analiza cantitativa a tuturor aspectelor cinteticii si

inhibitiei enzimatice. 2. Ecuatia M.-M. exprima dependenta vitezei initiale a unei reactii enzimatice de

concentratia substratului si anumite caracteristici ale enzimei.

4. Temperatura


5. Influenta efectorilor

(modulatori)

Efectul temperaturii asupra activitatii enzimelor:

Creste viteza de reactie odata cu cresterea temp., insa in intervalul de temp. in care enzima este stabila);

Optim: 40-50oC. Denaturarea termica a enzimelor

(la temp. > 55oC).

Activatori enzimatici = compusi care stimuleaza activitatea enzimelor

Inhibitori enzimatici = compusi care scad viteza reactiilor enzimatice Actiunea inhibitorilor:

ireversibila reversibila competitiva necompetitiva

Variatia activitatii enzimatice cu temperatura


II. Reactii enzimatice. Inhibitia enzimelor

Enzimele pot fi inhibate:

A. Reversibil

B. Ireversibili

A. Inhibitia reversibila

Depinde de natura inhibitorului si poate fi:

a) competitiva

b) incompetitiva

c) necompetitiva

d) mixta

Schema generala pentru o reactie competitiva

1. Inhibitorul competitiv (I) se afla in competitie cu S pentru fixarea pe situsul catalitic al E.

2. I seamana cu S si interactioneaza cu situsul catalitic al E, dar difera de substrat.

3. I se fixeaza reversibil la E. 4. Aceasta inhibitie NU afecteaza

viteza maxima a E (Vmax).

a). Inhibitia reversibila competitiva

Schema generala pentru o reactie incompetitiva

Un inhibitor incompetitiv se fixeaza numai la complexul ES.

E fixeaza prima data S, dupa care fixeaza inhibitorul. Inhibitorul nu se fixeaza pe E libera

ci interactioneaza cu complexul ES influenteaza ambii parametri enzimatici (Vmax si Km).

b). Inhibitia reversibila incompetitiva


Schema generala pentru o reactie necompetitiva

Mult mai complexa decat primele 2 Un inhibitor necompetitiv se fixeaxa in mod aleator atat la E libera, cat si la complexul ES. Intre I si S nu exista o analogie

structurala, I se leaga la situsuri specifice, altele decat situsul catalitic.

I afecteaza activitatea catalica a E dar nu si legarea E de S.

Legarea I de E determina modificari conformationale ale moleculelor enzimatice influentand Vmax, dar NU influenteaza Km.

c). Inhibitia reversibila necompetitiva


Atat E cat si complexul ES leaga I.

d). Inhibitia reversibila mixta

Cand o E sufera modificari ireversibile in urma r. cu un I (care blocheaza permanent o gr. functioanala esentiala pentru activitatea catalitica), enzima devine inactiva.

Tip de inhibitie care NU respecta principiul Michaelis-Menten de reversibilitate a proceselor.

B. Inhibitia irreversibila


Organizarea centrului activ in cazul unei ENZIME alosterice

Situs catalitic

Substrat (S)

Situs alosteric

Efector alosteric

Enzimele alosterice prezinta 2 situsuri:

1. situs catalitic la care se leaga substratul;

2. situs alosteric la care se leaga reversibil (necovalent) un efector alosteric care poate fi:

negativ (cu actiune inhibitoare a enzimei);

pozitiv (cu actiune activatoare a enzimei).

Enzima alosterica = Enzima a carei actiune se poate modifica atunci cand anumite tipuri de efectori (efectori alosterici), se leaga la o parte inactiva a enzimei.

II. Reactii enzimatice. Enzime alosterice

Un ORGANISM este cababil sa regleze activitatea catalitica a ENZIMELOR sale (poate coordona diferite procese metabolice) intr-o maniera ordonata.

Exista 2 modalitati de reglare a activitatii enzimatice:

II. Reactii enzimatice. Enzime alosterice

1. Controlul disponibilitatii enzimei

Cantitatea de ENZIMA dintr-o

celula depinde de viteza sa de

sinteza sau de degradare.

Aceste viteze sunt controlate direct

de celula si sunt subiectul

schimbarilor dramatice care apar in

decursul

- minutelor (in bacterii)

- orelor (in organismele superioare).

2. Controlul activitatii

enzimatice

Activitatea catalitica a ENZIMEI poate fi direct controlata prin asa numita alterare structurala.

Aceste modificari structurale influenteaza afinitatea E fata de S.

1. Mecanismul lacat-cheie (Ficher)

Complementaritate structurala intre S si centrul activ al E.

Mecanism specific r. enzimatice cu specificitate absoluta de substrat.

2. Mecanismul ajustarii induse (Koshland)

3. Mecanismul prin cataliza covalenta

Enzima in stare libera NU se afla in conformatia optima pentru cataliza.

Modificarea conformatiei geometrice a situsului catalitic in vederea formarii complexului ES.

Crearea de leg. covalente, cu formarea unui complex ES instabil si reactiv, cu ajutorul unor grupari nucleofile din resturile de AA (ex: - OH, - NH2), care se leaga de un atom de carbon electrofil din S.

III. Mecanisme de actiune in cataliza enzimatica

Reprezentarea bidimensionala a modelului Koshland

Diger alimentele (fac posibil absorbia prin snge a biomoleculelor necesare funcionrii organismului).

Exemplu: Transform proteinele in oligopepide si aminoacizi, polizaharidele n monoglucide etc.

Sunt utile pentru ingestia nutrientilor de catre organism in vederea reconstruirii de noi tesuturi musculare, oase, celule nervoase, piele, glande.

Exemplu: O enzima poate lua fosforul din alimentatie si sa-l transfere in structura oaselor.

Ajuta rinichii, ficatul, plamanii, colonul si pielea sa elimine toxinele din organism.

Enzimele apara sangele de deseurile periculoase, le ataca si le converteste in substante usor eliminate de corp.

IV. Functiile biochimice ale

Enzimelor

Pot concentra Fe in sange (ataat de celulele roii) prin actiunea enzimelor.

Enzimele din sange ajuta la coagularea acestuia.

Enzimele uricolitice catalizeaza conversia acidului uric in uree.

Enzimele accelereaza oxidarea Glucozei care furnizeaza energia pentru celule.

Enzimele respiratorii ajuta la eliminarea CO2 din plamani.

IV. Functiile biochimice ale

Enzimelor

Observatie: un organism aflat ntr-o stare de deficien de enzime este inta principal a cancerului, obezitii, artritei, alergiilor, afeciunilor cardiace i a altor probleme degenerative.

Date post:	17-Dec-2015
Category:	Documents
Upload:	olga-bucatari
View:	9 times
Download:	3 times

C6_7_Enzime_1_IPA

Documents