ENZIMELE

Istoriabiochimieieste, in primul rind, istoria studicrii enzimelor—celormai distinctive §i specifice protcinc cu proprietati cataliticc.
Enzimologia e demult considcrata o §tiinta apartc 51 s-a dezvoltat efectiv in ultima perioada de timp, dar inceputurile ei se atesta din primele deccnii ale secolului al XIX- lea.
Dacain 1920 erau estimate 10-15 enzime prin observarea efectului actiunii lor, astazi sunt caracterizate partial peste 2000 enzime, dintre care circa 500 au fost obtinute sub forma unorpreparate perfect purificate (unele cristaline) §i studiate din punct de vedere fizico-chimic §i biologic.
Manifestable actiunii enzimelor (fermentatia, digestia) erau cunoscute de loarte mult timp, dar explicatia mecanismului accstorproccsccomplcxe, rolul §i locul enzimelor in transformable substantelor cclularc ramineau neelucidate. Un $ir de mecanisme sunt §i pin! astazi nedefinite.
Definitia enzimei s-a conturat atunci cind s-a observat c! in sistemele biologice au loc procese catalitice survenite din extractele de orz germinal ce realizeaza hidroliza amidonului. Cu ajutorul precipitarii repetate cu alcool etilic s-a obtinut (1833) 0 pulbere alba — extrem de termoiabila—diastaza (din grece§te didotabis - separare).
In perioada 1834-1837savantulsuedez J.Berzelius formuleaza conccptul dc cataliza, conform camia un catalizator mare?te viteza reactiilor chimice §i rezulta la sfinjitul lor nemodificat—cantitativ §i calitativ. El sugereaz! ca diferitele fenomene biologice (fermentatia, digestia) pot fi explicate prin prezenta unor catalizatori biologici specifici materiei vii. In 1860, L.Pasteur stabile§te ca fennentarea zaharului de drojdii in spirt e catalizat! de “fermenti organizati indispensabil de organismele implicate in procesele fennentative”.
Aceasta concluzie era in contradictie cu postulatul lui J.Liebig, care considera ca femientul e solubil, fiind produs de celula vie §i nu constituie celula propriu-zisa.
inanul 1877, W.Kuhncpropunetermenulenzima(de la grecescul enzyme — “in drojdii”) pentru atare grupa de substante. O fierbere aparenta cauzata dc “fcmicnf ’ (in latinafervere—a fierbe), cu degajarca CO, in proccsul fermentativ, caracterizeaza aceste fenomene biologice.
Cclebra disputa $tiintifica Pasteur—Liebig a fost finalizata cu brio in 1897, de catre H. §i E.Buchner, care au demonstrat ca sucul cclular al unei culturi de drojdii conservcaza intreaga activitate fennentativa, proprie acestui microorganism.
In ultimii ani ai sec.XIX, E.Fischer, efectuind studii asupra unor enzime hidrolilice, a specificitatii enzimelor, elaboreaza teoria interactiunii enzima-substrat. Aceasta teorie a stimulat cercetarile in acest domeniu.
Epoca modern! incepe o data cu izolarea, purificarea §i cristalizarea primelor enzime. In 1926, J. Sumner a cristalizat ureaza §i a detenninat ca cnzimele totalmcnte sunt de natura proteica. El inainteaza conceptul ca toate enzimelc sunt protcinc, dar savantul german Richard Wiilstiitter, 0 adevarata somitate in materie, conllnna ca cnzimele sunt substante cu o greutate molecular! mica, iar proteina depistat! e o sitnpl! murdarie.
-58-
Mai tirziu, J.Northrop, impreuna cu colaboratorii sai, cristalizeazapepsina §i tripsina, confirmind astfel ca §i ele sunt proteine. A§adar, natura proteica e stability incontestabil. S-auinceputstudii intensive in acest domeniu, ceaudatrezultateremarcabile. Cutoatc acestea, o serie de intrebari, cum ar fi: dc ce proteinelejoaca rol de catalizatori; care estc cauza ca molccula enzimeiemultmaimaredecitasubstratului; decc aminoacizii nu poseda proprietati similarc, dar unite in lant polipeptidic capata proprietati catalitice; in ce mod are loc reglarea activitatii enzimelor—toate a§teapta raspunsuri explicite.
Ce sunt enzimele?
Enzimele sunt unitati functional ale metabolismului celular. Actioneaza strict intr-o anumita consecutivitate. Catalizeaza sute de reactii in lant, finalizind cu eliberarea moleculelor din substante nutritive. Encrgia substantelor rcagente trece dintr-o forma in alta cu o cficacitate mare §i se acumuleza in ATP cc csteutilizat in proccscle vitale.Din micile biomolecule se asambleaza macromoleculele celulei.
O grupa deosebita sunt enzimele reglatoare, care sesizeaza difcrite semnale perfect metabolice $i, respectiv, i§i modified activitatea catalitica. Datorita acestor enzime in celula totul e coordonat: c garantat un echilibru armonios dintre procesele metabolice necesare pentru mentinerea integritatii §i, in final, a victii celulelor, viabilitatii sistemului §i al intrcgului organism.
Insuficienta sau lipsa completa a unuia sau a mai multor fermenti duce la aparitia diferitelor afectiuni ereditare; difcrite stari patologice apar la o activitate excesiva a uneia sau a mai multor enzime. $i o data cu elaborarea unui preparat mcdicamentos care ar regia activitatea acestor enzime, vom trata eficient boala.
Enzimele joaca un rol important la stabilirea diagnosticului, detennmind activitatea lor inlichidul biologic. In industria chimica §i alimentara evaluarea enzimelor este utilizata pc larg. Enzimele au un rol aparte §i in agricultura.
Structura enzimelor
Enzimele sunt proteine §iposeda toate proprietatile fizico-chimice specifice acestor macromolecule (solubilitate, proprietati osmotice. sarcina electrica ncta, denaturare tennica, reactii chimice etc.). Activitatea lor e dependents dc pastrarea structurii native a proteinei. Confirmarile experimentale ale acestui postulat sunt:
1. Distmgerea lantului polipeptidic prin fierbere in solutii acide sau prelucrarea lui cu tripsina ducc la picrdcrca activitatii catalitice. Pentru mentinerea ultimei e necesara pastrarea structurii primare.
2. Modificarileinimpachetarea lantului polipeptidic (incalzind proteina sau actionind cu pH de valori extreme, cu agenti denaturanti) cauzeaza pierdcrca activitatii catalitice, ccea ce indica necesitatea mentinerii structurii secundare $i tertiare a proteinei.
Masele moleculare ale enzimelor variaza in limite foarte largi. Ribonucleaza are o tnasa moleculara egala cu 13700Da. Limitasupcrioaraestegreudedcfinit. Numeroase enzime sunt alcatuite nurnai din resturi de aminoacizi unite intre cle prin iegaturi covalente, peptidice §i nu doar printr-un lant, ci prin mai multe lanturi polipeptidicc.
Unele enzime sunt asociate cu compusi dc mase moleculare mici, dializabili. Cind ace?ti compusi organici sunt strins legati in structura enzimei, ei poafia denumirca dc grupariprostetice, insa cind imbinarca lor este usor disociabila—coenzime.
- 5 9 -
Ace§ti biocatalizatori se numesc holoenzime, iar componcnta protcica—apoenzime. Pentru totalitatea compu§ilor neproteici din structura heteroenzimelor se utilizeaza termenul cofaclor. in calitate de cofactori apar frecvent cationii unor metale §i foarte rar unii anioni. Un numar relativ redus de cofactori, de coenzime in asociere cu diferite apoenzime dau na^tere unui numar foarte mare de heteroenzime. Se atesta sute de dehidrogcnaze cu coenzimaNAD". Datorita legaturilor foarte slabe intreNAD" §i diverse apoenzime, un numar mare pot actiona simultan intr-un compartiment celular, utilizind o cantitate neinsemnata de coenzime. $i in aceste situatii este absolut necesar ca procesele de redu- cere sa fte echilibrate cu reoxidarea lor.
Ce e comun §i ce e distinct la cataliza enzimatica §i cea chimica?
Enzimele sunt catalizatori §i respecta legile catalizei:
I. Enzimele accelereaza viteza reactiilor chiinice posibile din punct de vedere termodinamic, determinind o scadere a energiei de activarc §i conducind la instaurarea mai rapida a starii de echilibru; accelereaza reactiile in ambele directii in mod identic A B.
In lipsa enzimei viteza (A —► B) e egala, dc exemplu, cu 10"* see., reactia inversa (A — B)decurgein 1 O'6 sec.
Constanta acestei reactii este egala:
Cd
x-----
Ci
= 100
in stare de echilibru concentratia substantci B este de 100 ori mai mare decit a substantci A, chiar daca c prezenta sau nu enzima. In lipsa enzimei echilibrul se stabile§te timp de citeva ore, iar cu enzima—in citeva secunde. Enzimele accelereaza aparitia echilibrului chimic in reactia catalizata.
2. Viteza reactiei create de milioane de ori. De exemplu, reactia catalizata de
carbanhidraza: C02 + H,0 H2C03
Fiecare molecula de enzima hidrateaza in 1 sec.- 105 molecule dcCO, §i, prin unnarc, viteza reactiei in prezenta enzimei create dc 107ori.
Efectul cnzimelor e extraordinar in comparatie cu cel al catalizatori 1 or sintetici. Enzimele seprezintain concentratii extremde mici la concentratii de substratrelativ man. Eficienla catalitica a enzimei este net superioara celei inregistrate in cazul catalazei chimice, exprimindu-sc prin numarul de turnover — numarul de molecule ale substratului transformat intr-un minut de o molecula de enzima.
3. La sfir^itul reactiilor chimice enzimele, la fel ca §i catalizatorii, se regasesc, din punct dc vedere cantitativ $i calitativ, intr-o stare chimica neschimbata, participind la un nouactcatalitic.
4. Enzimele sunt substante macromoleculare extrem de instabile, reactionind in conditii optime numai la iinumiti parametri - parametri optimi de actiune a enzimei — solutii apoase diluate, pH valorii fiziologice, T anumita §i presiune adeevata.