In organismele vii se petrec cu o uimitoare usurinta, la temperatura joasa
si in solutie practic neutra, un numar mare de reactii pe care chimistul nu
le poate efectua in laborator decat lucrand la temperaturi si presiuni ridicate,
in prezenta de acizi sau de baze tari, de dizolvanti neaposi sau de catalizatori
heterogeni metalici. Printre aceste reactii se numara atat degradari de molecule
(hidrolize si oxidari) cat si sinteza de compusi cu structura complicata. Intelegerea
mersului acestor reactii este importanta, in primul rand pentru cunoasterea
unor fenomene naturale de cea ma mare amploare si raspandire, in al doilea rand
pentru interesul practic pe care il prezinta. Nu este absurda speranta ca ,
o data cunoscut mersul reactiilor din celulele vii, acestea vor putea fi imitate
in laborator si in industrie sau chiar dirijate pe cai noi. i2x11xe
S-a recunoscut inca de mult ca organismele folosesc, pentru realizarea acestor
transformari chimice, catalizatori organici, continuti in concentratii mici
in celule sau in sucurile secretate de acestea, cum sant sucurile digestiei,
laptele, urina etc.
S-a dat acestor catalizatori numele de fermenti sau enzime (de la enzyme, literal:
“in aluat”).
Scurt istoric
Reactii enzimatice au fost folosite din timpurile cele mai vechi pentru fabricarea
vinului, a otetului, a berii si a branzei. O cercetare sistematica a lor a fost
interprinsa abia in epoca moderna.
In 1713, Reamur a observat dizolvarea carnii in sucul stomacal al ciorii. De
asemenea, fiziologul Spallanzani (1783) a hranit animale cu bucati de carne
invelite in retele de sarma si observat dizolvarea carnii in stomac.
Stahl, fondatorul teoriei flagisticului, explica fermentatia ca un proces in
care una din substantele prezente transmite “miscarea sa interna”
substantei care fermenteaza (1697). In 1680, van Leeuwenhoeck a observat la
microscop celulele drojdiei de bere, dar aceasta descoperire nu a fost luata
in seama timp de doua secole. Lavoisier (1789) a facut un bilant de materiale
al fermentatiei, aratind ca oxigenul, hidrogenul si carbonul din zahar se regasesc
in alcoolul si bioxidul de carbon ce iau nastere.
In cursul sec. al XIX-lea au fost preparate multe extracte de enzime. Astfel,
dupa ce Kirchoff a observat , in 1820 , ca o componenta glutinoasa din bobul
de orz incoltit, numit malt, transforma cantitati de amidon mult mai mari decat
propria sa greutate, intr-un zahar solubil, maltoza, Dubrunfaut a gasit , in
1830, ca extractul apos, limpede, de malt are aceeasi actiune solubilizanta
asupra amidonului ca maltul insusi. Din acest extract, Payen si Persoz(1833)
au izolat, prin precipitarea cu etanol, prima enzima, amilaza (fireste foarte
inpura), sub forma unui material solid alb, amorf, capabil sa solubilizeze o
cantitate de amidon de 2000 de ori mai mare decat propria sa greutateIn 1830,
Robiquet si Boutron-Chalard au descoperit hidroliza amigdalinei, cu extract
de migdale amare, iar in 1837, Liebig si Wohler au izolat enzima respectiva,
numind-o emulsina. Printre primele enzime izolate (in stare impura) vom mai
mentiona: pepsina din sucul gastric(Schwann, 1836);tripsina, din sucul pancreatic
(Kuhne, 1848); lipaza (Claude Bernard, 1849); invertaza (Mitscherlich, 1841;
Berthelot, 1860); ureeza (Musculus, 1882) etc.
Un moment istoric deosebit de important este recunoasterea clara, de catre Berzelius,
in 1835, a caracterului catalictic al reactiilor enzimatice, precum si a rolului
esential pentru viata animalelor si a plantelor jucat de aceste reactii.
In anul 1940,cercetatorul american Edward Howell a facut, in acelasi domeniu,
o si mai mare descoperire: cercetand substantele vitale propriu-zise si anume,
ENZIMELE, a dovedit ca ele sunt purtatori vietii din orice organism viu,fiind
deci si materia vie din alimentele noastre (asta atata timp cat nu sunt distruse
prin fierbere).
Este uimitor cum de stiinta nu a pretuit corespunzator aceasta descoperire extraordinara
si cum de nu s-a facut nici un fel de “publicitate” in favoarea
enzimelor, cum facuse, la vremea lor, pentru vitamine.
Activitatea catalitica a enzimelor
Enzimele sant, precum s-a mai spus, catalizatori organici, produsi de celula
vie, actionand asupra anumitor substante numite substraturi. In marea lor majoritate,
enzimele catalizeaza reactia unei substante organice cu un compus anorganic
liber sau cedat de alt compus organic (apa. acid fosforic, hidrogen, oxigen
etc.).
Legile catalizei se aplica fireste si la enzime. Enzimele, ca toti catalizatorii,
nu catalizzeaza decat reactii termodinamic posibile, decurgand in sensul stabilirii
unui echilibru.
Reactiile enzimatice prezinta insa unele deosebiri caracteristice fata de reactiile
catalitice obisnuite, omogene sau heterogene.
Activitatea enzimelor. Cand o reactie poate fi catalizata atat de o enzima cat
si de substante simple (acizi, baze sau ioni metalici) se constata de obicei
ca reactia enzimatica decurge cu viteza mult ma mare; cu alte cuvinte, reactia
enzimatica are o energie de activare mult mai mica.Astfel s-a stabilit ca este
necesara o concentratie de ioni de hidrogen de zece milioane de ori mai mare
decat de invertaza pentru a hidroliza o anumita cantitate de zaharoza, intr-un
timp dat, la 37º.
Temperatura optima a reactiilor anzimatice. Viteza reactiilor enzimatice creste,
ca a celor mai multe reactii intre molecule covalente, cu temperatura, potrivit
cunoscutei reguli a lui van’t Hoff, si anume o urcare a temperaturii cu
10º produce o crestere a vitezei de reactie cu un coeficient 1,5-3.Cresterea
acesta se observa insa numai la temperaturi relativ joase.O data depasita o
anumita temperatura optima, la care viteza este maxima, aceasta scade, iar la
temperaturi mai inalte reactia inceteaza.Fenomenul se explica prin faptul, semnalat
mai sus, ca la temperaturi mai inalte enzimele sant ianctivate prin denaturarea
componentei proteice.Cele mai multe enzime devin complet inactive intre 50-80º.Temperatura
optima nu poate fi insa exact definita, caci ea variaza in limite largi, cu
concentratia enzimei, cu concentratia ionilor de hidrogen si cu prezenta diferitelor
impuritati ale preparatului enzimatic sau ale substratului.
Influenta pH-ului.Dupa cum a aratat Sorensen (1909), activitatea enzimelor depinde
intr-o foarte mare masura de concentratia ionilor de hidrogen din solutie(sau
mai corect de activitatea termodinamica a ionilor de hidrogen, adica de ph-ul
solutiei).Curbele reprezentand variatia vitezei de reactie cu pH-ul prezinta
de obicei un maxim pronuntat la un anumit pH, in timp ce la valori ale pH-ului
diferind cu ±1 fata de acest maxim, viteza de reactie prezinta valori
considerabil mai mici .Din cauza acestei particularitati, este necesar ca in
cursul reactiilor enzimatice sa se mentina pH-ul optim constant, prin folosirea
de tampon
Specificitatea enzimelor.O anumita enzima catalizeza numai un numar mic de reactii
si de multe ori o singura reactie, spre deosebire de catalizatori obisnuiti
anorganici(acizi, baze, catalizatori de hidrogenare etc.) care activeaza practic
toate reactiile posibile de un anumit tip.
Se disting multe tipuri si grade de specificitate in actiunea enzimelor.In primul
rand trebuie mentionata specificitatea stereochimica, care consta in aceea ca
o enzima care catalizeaza reactia unui compus optic activ este fara actiune
asupra enantiomerului sau si in general, asupra izomerilor sterici ai acestui
compus, supusi acelorasi conditi.
Vom mai aminti aici dehidrogenaza lactica din muschi, o enzima care lucreaza
in colaborare cu DPN, si care dehidrogineaza acidul L-lactic la acid piruvic
si hidrogeneaza acidul piruvic numai la acid L-lactic, fiind inactiva fata de
acidul D-lactic.
Din alt punct de vedere se disting intre o asa-numita specificitate de reactie
si o specificitate de substrat a enzimelor.Prima se refera la reactantul anorganic
care ia parte la reactie: apa in reactiile de hidroliza, acidul fosforic in
reactiile cu fosforoliza, hidrogenul in reactiile catalizate de dehidrogenaze
etc.
Clasificarea enzimelor
Se cunosc in prezent cateva sute de enzime dar , avand in vedere complexitatea
proceselor chimice care au loc in organismele vii, nr. enzimelor aparut in natura
trebuie sa fie mult mai mare.
Structura enzimelor este prea putin cunoscuta pt. a putea servi ca baza a unei
clasificari, de aceea enzimele se clasifica dupa tipul reactiilor pe care le
provoaca sau dupa substraturile asupra carora actioneaza. Numele enzimelor se
formeaza agauganduse sufixul -;aza la nr. reactiilor provocate sau substraturilor
lor, exceptie fac numele istorice al unor enzime cum ar fi emulsina, pepsina
si zimaza etc.
In clasificarea adoptata aici enzimele sunt impartite in (dupa Hoffmann Ostenhof
1953) cinci clase principale, fiecare divizata in mai multe sub clase:
1.Hidrolaze
2.Transferaze
3.Oxido-reductaze
4.Liaze si simpetaze
5.Izomeraze si Racemaze
La drept vorbind aproape toate reactiile enzimatice sunt reactii de transfer
al unor grupe de atomi de la un donor la un acceptor. Astfel hidrolizele sunt
reactii de transfer al unor grupe acil, glicozil etc. cedate de substrat, catre
apa ca acceptor iar reactiile de oxido-reducere sunt reacti de transfer de hidrogen
sau electroni termenul de transferare se foloseste insa, in nomenclatura curenta
mai ales pt. transaminari, transmetilari, transacetilari.
Dupa o clasificare mai noua(Union of Biochemistry Commission of Enzymes 1961)
enzimele sunt impartirte in sase clase:
1.Oxido-reductaze
2.Tranferaze
3.Hidroraze
4.Liaze
5.Izomeraze
6.Ligaze(sintetaze) fiecare divizata la randul ei in mai multe sub clase, fiecare enzima este desemnata
din patru cifre ex. 1111(hidrogenaza alcolului) este o oxido-reductoza (clasa
1) actioneaza asupra grupei CHOH adonorului(subclasa 1) cu DPN sau TPN ca acceptor(subsubclasa
1) si este primul termen din aceasta ultima subdiviziune.
Vitaminele solubile in apa
Vitamina C se gaseste in plante proaspete in apecial in lamai, ardei, fructul
de maces.Cantitatea necesara este de circa 50mg/zi.
Vitaminele B1,B2,B6 sunt necesare organismului pt. sintetizarea unor enzime
ce servesc in procesele de degradare biologica a hidratilor de carbon si in
sinteza anumitor amino-acizi.
Vitamina B12 care contine cobalt, joaca un rol important in producerea globulelor
rosii ale sangelui.
Vitaminele solubile in grasimi
Vitaminele A si D, prima joaca, intre altele un rol in procesul inregistrarii
imaginii vizuale pe retina.
Vitamina D numita si calciferal contribuie la asimilarea calciului si deci la
formarea oaselor.Este importanta pentru dezvoltarea normala a animalelor tinere
in curs de crestere.
Vitaminele A si D se gasesc in uleiul de peste mai ales in grasimile extrase
din ficatul anumitor pesti marini.
Hrana obisnuita nu contine nici vitamina A nici D