|
Reacţiile enzimatice au fost folosite din timpurile cele mai vechi pentru fabricarea vinului, a oţetului, a berii şi a brânzei. O cercetare sistematică a lor a fost întreprinsă abia în epoca modernă. În 1713, Réaumur a observat dizolvarea cărnii în sucul stomacal al ciorii. De asemenea, fiziologul Spallanzani (1783) a hrănit animalele cu bucăţi de carne învelite în reţele de sârmă şi a observat dizolvarea cărnii în stomac.
Stahl, fondatorul teoriei flogisticului, explica fermenaţia ca un proces în care una din substanţele prezente transmite „mişcarea sa internă” substanţei care fermentează (1697). În 1680, van Leeuwenhoeck a observat la microscop celulele drojdiei de bere, dar această descoperire nu a fost luată în seamă timp de două secole. Lavoisier (1789) a făcut un bilanţ de materiale al fermentaţiei, arătând că oxigenul, hidrogenul şi carbonul din zahăr se regăsesc în alcoolul şi bioxidul de carbon ce iau naştere. Continuarea acestor idei a condus la ecuaţia lui Gay-Lussac a fermentaţiei alcoolice.
Cagnard-Latour şi, simultan şi independent, Kützing (1838) au atribuit fermentaţia alcoolică celulelor din drojdie, considerate ca fiinţe vii, probabil de natură vegetală. În aceste observaţii îşi are originea teoria vitalistă a fermentaţiei. Susţinătorul principal al acestei teorii, Pasteur, a publicat în 1857 cercetarea sa celebră asupra fermentaţiei alcoolice, în care susţine sau sugerează că fermentaţia este un proces legat direct de metabolismul celulelor drojdiei. Liebig (1839) considera dimpotrivă că fermentaţia este o descompunere a zahărului, datorită unor vibraţii moleculare provocate de fenomenele chimice din celulele vii ale drojdiei.
În jumătatea a doua a secolului al IXX-lea, în urma lucrărilor lui Pasteur, mulţi chimişti făceau deosebire între fermenţii formaţi sau figuraţi presupuşi legaţi inseparabil de anumite elemente din celule sau chiar consideraţi identici cu celula vie, şi fermenţi neformaţi sau solubili, de tipul acelora din sucurile digestive sau din extractele apoase ale diferitelor materiale biologice. Fermenţii neformaţi sunt deci substanţe care îşi exercită acţiunea şi în afara celulei vii. Termenul enzimă, pentru a desemna fermenţii neformaţi, a fost introdus de Kühne, în 1878.
Buchner (1897) a izolat din drojdia de bere un suc liber de orice celulă şi totuşi capabil să provoace fermentaţia. Acest suc conţine deci o enzimă pe care Buchner a numit-o zimază. Aceasta este de fapt un amestec de mai multe enzime, după cum s-a dovedit mai târziu. În urma acestor descoperiri, deosebirea dintre termenii ferment şi enzimă a pierdut semnificaţia sa. În cursul secolului al IXX-lea, au fost preparate multe extracte de enzime. Astfel, după ce Kirchoff a observat, în 1820, că o componentă glutinoasă din bobul de orez încolţit, numit malţ, transformă cantităţi de amidon mult mai mari decât propria sa greutate, într-un zahăr solubil, maltoza, Dubrunfaut a găsit, în 1830, că extractul apos, limpede, de malţ are aceeaşi acţiune solubilizantă asupra amidonului ca malţul însuşi. Din acest extract, Payen şi Persoz (1833) au izolat prin precipitare cu etanol, prima enzimă, amilaza, sub forma unui material solid alb, amorf, capabil să solubilizeze o cantitate de amidon de 2000 de ori mai mare decât propria sa greutate. În 1830, Robiquet şi Boutron-Chalard au descoperit hidroliza amigdalinei, cu extract de migdale amare, iar în 1837, Liebig şi Wöhler au izolat enzima respectivă, numind-o emulsină. Printre primele enzime izolate, vom mai menţiona: pepsina din sucul gastric (Schwann, 1836); trepsina din sucul pancreatic (Kühne, 1848); lipaza (Claude Bernard , 1849); invertaza (Mitscherlich, 1841; Berthelot, 1860); ureeaza (Musculus, 1882), etc.
Un moment istoric deosebit de important este recunoaşterea clară, de către Berzelius, în 1835, a caracterului catalitic al reacţiilor enzimatice, precum şi a rolului esenţial pentru viaţa animalelor şi a plantelor jucat de aceste reacţii.
Generalitati
Enzimele sunt catalizatori biochimici propriu-zisi, asadar sunt compusi care maresc viteza reactiilor chimice ce se desfasoara in sistemele biologice, fara sa se consume in cursul lor.
S-au efectuat lucrari numeroase de-a lungul anilor dovedindu-se prin acestea ca enzimologia constituie studiul bazelor moleculare ale vietii.
Enzimele sunt probabil mai importante decat orice alt element activ ca ajutor al digestiei si sanatatii. Pana acum s-a aratat ca sute de enzime au un rol vital in construirea sanatatii, datorita contributiei lor la procesul de digestie. Studiile viitoare probabil vor arata ca enzimele au un rol mult mai important pentru sanatate decat se cunoaste in prezent.
Nu putem trai mult fara enzime. De fapt, conceptia in sine este dependenta de aceste elemente. Ele functioneaza ca un catalizator care face ca celulele corpului sa functioneze eficient. Din momentul nasterii, enzimele fac viata posibila prin actiunile lor, reparand si construind corpul si celulele creierului. Acesti lucratori actioneaza in corp si in creier in cel mai fantastic si puternic mod. Ele lucreaza pentru o sanatate deplina. Enzimele reprezinta insasi forta intangibila a vietii. Omul nu poate reusi sa creeze enzime vii asa cum natura poate crea. Daca ar fi putut, ar fi reusit sa creeze viata sau sa readuca la viata materia moarta.
Exista miliarde de enzime in corpul nostru, si sunt sute de tipuri diferite de enzime gasite in sange, care vor descompune 5 milioane de molecule de peroxid in apa si oxigen in 60 secunde. Enzimele intestinale pot descompune moleculele de zahar si grasimi care sunt de 1 milion de ori mai mari decat greutatea lor.
Corpul nostru produce enzime atunci cand sanatatea nostra este echilibrata. Ele efectueaza toata munca din corp. Ele sunt responsabile cu lupta impotriva infectiilor, cu digestia, cu refacerea corpului – functiile lor sunt infinite. Ele lucreaza non-stop si nu obosesc niciodata sau nu-si inceteaza lucrul daca sanatatea este echilibrata. Cand sanatatea nu este in echilibru, atunci este o deficienta enzimatica. Enzimele pot fi usor extrase din alimente nutritive usor de digerat, care sunt alimente crescute intr-un sol sanatos, nefertilizat, si care sunt preparate special prin mixare, germinare, fermentare si cantitati mici de suc, nu prin gatire. Aceste enzime extind energia vitala a corpului catre o stare totala de bine. Consumarea alimentelor sanatoase este cea mai eficienta cale de a suplimenta rezerva de enzime existenta in corp, pentru a imbunatati sistemul digestiv. Cele mai importante enzime care au fost izolate in hrana sanatoasa sunt: cytochrome oxidase, un anti-oxidant necesar pentru respiratia celulelor; lipase, enzima care descompune moleculele de grasime; protease, enzima care ajuta la diestia proteinelor; amylase, enzima care faciliteza digestia amidonului; catalase, enzima ce catalizeaza descompunerea apei oxigenate in apa si oxigen in tesuturi; peroxidase, enzima ce actioneaza in acelsi mod, dar la nivel celular; transhydrogenase, enzima care ajuta in pastrarea tonusului muscular al inimii si SOD (Super Oxide Dismutase), o enzima care previne imbatranirea. Enzima pepsine ajuta la digestia proteinelor si transformarea lor in aminoacizi. Acesti aminoacizi sunt apoi transportati prin sistemul circulator in tot corpul, pentru ca acesta sa primeasca energie si sa se auto-vindece.
Exista multe motive pentru care enzimele sunt atat de importante. De exemplu, lipsa enzimelor este un factor major in declansarea leucemiilor. Atunci cand mancarea gatita intra in corp, acesta trebuie sa compenseze prin consumarea propriilor rezerve enzimatice. Este interesant de notat ca, atunci cand aceste enzime scad in calitate si putere, scade capacitatea corpului de a prelucra grasimi grele, proteine si calorii in exces. Atunci corpul devine slab si, in final, bolnav. Lipsa enzimelor este un factor important ce contribuie la majoritatea problemelor de sanatate, de la racelile comune pana la probleme mult mai grave, ca SIDA si cancerul. Aportul enzimelor va echilibra corpul, va remedia deficientele si va elimina toxinele.
Echilibrul fragil al corpului este creat si mentinut de enzime. Ele sunt instrumentele necesare pentru a forma calciul. Nu exista enzime in mancarea gatita. De fapt, mancarea gatita extrage elementele din oase si secreta elementele din rinichi. Deficientele rezultate pot cauza o slaba coordonare musculara. Unul dintre cele mai importante roluri ale enzimelor este de a ajuta procesarea fierului, care duce oxigenul peste tot in corp, pentru a fi depozitat in miliarde de celule ale epidermei si ale creierului. Avem aproximativ 5-6 miliarde de globule rosii in sange, si enzimele au nevoie de fier ca material de lucru. De asemenea, enzimele au nevoie de iod, care ajuta glanda tiroida in reglarea greutatii.
Multi oameni au oasele fragile datorita lipsei enzimelor din hrana gatita si din alimentele toxice. Fara enzime, calciul nu poate fi bine folosit. Trebuie sa nu uitam niciodata ca proteinele pe care le consumam vor fi ineficiente fara enzimele care sa le transforme in aminoacizi. Fara enzime, corpul nu se poate vindeca singur de infectii sau nu poate avea un sange sanatos. Enzimele preiau alte elemente si le transforma in cele necesare organismului.
Un rol foarte important al enzimelor este acela ca ele regleaza functionarea creierului. Creierul nu poate emite alerte atunci cand mancarea nu este nutritiva. Mancarea nehranitoare consuma energia din creier chiar si atunci cand dormim. De cele mai multe ori oamenii au probleme cu somnul datorita deficientei enzimatice din mancarea gatita sau toxica.
Fara enzime nu exista nici o cale de a ne proteja de imbolnaviri. Cand vom realiza cat este de important sa avem o sanatate perfecta vom intelege cat este de important sa ne ferim de mancarea gatita sau denaturata in orice fel, si vom apela la alimentele vii pentru o adevarata nutritie.
Natura proteică a enzimelor
Prin diferite operaţii de purificare, s-a reuşit să se obţină preparate de câteva mii de ori mai active decât extractele de la care se pornise. S-a dovedit astfel că enzimele sunt catalizatori extrem de activi chiar în concentraţii foarte mici.
Prima enzimă izolată în stare pură, cristalizată, a fost ureeaza (Sumner, 1962). Aceasta a fost obţinută dintr-o varietate de fasole prin extragere cu apă şi precipitarea extractului cu acetonă. Au fost izolate apoi în stare cristalizată, prin salifiere din soluţie apoasă cu sulfat de amoniu şi sulfat de magneziu la un aumit pH, pepsina şi tripsina (Northrop şi Künitz, 1929) fermentul galben de oxidare, papaina, carboxipeptidaza, tirosinaza, catalaza, câteva dehidrogenaze şi multe alte enzime.
Metodele pentru obţinerea enzimelor pure şi măsurarea greutăţilor lor moleculare sunt identice acelora folosite la purificarea proteinelor. De fapt, toate enzimele cristalizate obţinute până astăzi s-au dovedit a fi fie proteine simple, fie proteide cu o grupă prostetică definită.
Încă înainte de izolarea enzimelor în stare pură era cunoscută natura lor proteică. Se ştie de mult că enzimele nu sunt dializabile, şi deci sunt substanţe macromoleculare, şi că ele sunt inactivate prin încălzire în aceleaşi condiţii în care sunt denaturate proteinele. Acei reactivi care denaturează sau precipită proteinele inactivează fără excepţie enzimele. Uneori, denaturarea însoţită de inactivarea enzimelor este reversibilă. Prin hidroliza enzimelor se formează aminoacizi care se obţin şi din proteine. S-au măsurat grăutăţile moleculare ale multor enzime şi s-a determinat succesiunea completă a aminoacizilor din ribonuclează şi din alte enzime.
Solubilitatea enzimelor este asemănătoare cu a globulinelor. Este posibil ca în multe celule întreaga sau aproape întreaga plasmă constă din enzime. Ca toate proteinele, enzimele sunt antigeni specifici, provocând, atunci când sunt introduse în sângele unui animal, formarea de anticorpi.
Se cunosc diferite metode pentru determinarea activităţii enzimatice, ca de exemplu: măsurarea gazului degajat (CO2) sau consumat (O2), când este cazul; urmărirea spectrofotometrică a dispariţiei substratului sau acumulării produsului de reacţie; consumarea unui colorant.
Activitatea catalitică a enzimelor
Enzimele sunt, precum s-a mai spus, catalizatori organici produşi de celula vie acţionând asupra anumitor substanţe numite substraturi. În marea lor majoritate, enzimele catalizează reacţia unei substanţe organice cu un compus anorganic liber sau cedat de alt compus organic (apă, acid fosforic, hidrogen, oxigen, etc.). Legile catalizei se aplică fireşte şi la enzime. Enzimele, ca toţi catalizatorii, nu catalizează decât reacţii termodinamic posibile, decurgând în sensul stabilirii unui echilibru. Reacţiile enzimatice prezintă însă unele deosebiri caracteristice faţă de reacţiile catalitice obişnuite, omogene sau eterogene.
Activitatea enzimelor. Când o reacţie poate fi catalizată atât de o enzimă cât şi de substanţe simple se constantă de obicei că reacţia enzimatică decurge cu viteză mult mai mare; cu alte cuvinte, reacţia enzimatică are o energie de activare mult mai mică. Astfel s-a stabil că este necesară o concentraţie de ioni de hidrogen de 10 milioane de ori mai mare decât de invertază pentru a hidroliza o anumită cantitate de zaharoză, într-un timp dat, la 37˚.
Datorită acestei enorme activităţi catalitice, sunt suficiente de obicei concentraţii foarte mici de enzimă pentru a obţine efecte considerabile.
Activitatea enzimelor nu durează indefinit ca acea a catalizatorilor simpli şi este în general mai scurtă decât aceea a catalizatorilor heterogeni. În cazul reacţiilor enzimatice, cu cât trece timpul, cu atât cantitatea de substrat transformată în unitatea de timp se micşorează, iar după un timp mai lung reacţia practic încetează. Inactivarea enzimelor se explică prin denaturarea lor sau prin alte transformări datorită caracterului lor de proteine globulare. Celulele vii sintetizează enzime fără încetare.
Temperatura optimă a reacţiilor enzimatice. Viteza reacţiilor enzimatice creşte ca a celor mai multe reacţii între molecule covalente, cu temperatura, potrivit cunoscutei reguli a lui van’t Hoff, şi anume o urcare a temperaturii cu 10˚ produce o creştere a vitezei de reacţie cu un coeficient 1.5 – 3. Creşterea aceasta se observă însă numai la temperaturi joase. Odată depăşită o anumită temperatură optimă, la care viteza este maximă, aceasta scade, iar la temperaturi mai înalte, reacţia încetează. Fenomenul se explică prin faptul, semnalat mai sus, că la temperaturi mai înalte, enzimele sunt inactivate prin denaturarea componentei proteice. Cele mai multe enzime devin complet inactive între 50-80˚. Temperatura optimă nu poate fi însă exact definită, căci ea variază în limite largi, cu concentraţia enzimei, cu concentraţia ionilor de hidrogen şi cu prezenţa diferitelor impurităţi ale preparatului enzimatic sau ale substratului.
Influenţa pH-ului. După cum a arătat Sörensen (1909), activitatea enzimelor depinde, într-o foarte mare măsură de concentraţia ionilor de hidrogen din soluţie. Curbele reprezentând variaţia vitezei de reacţie cu pH-ul prezintă de obicei un maxim pronunţat la un anumit pH, în timp ce la valori ale pH-ului diferind cu 1 faţă de acest maxim, viteza de reacţie prezintă valori considerabil mai mici. Din cauza acestei particularităţi este necesar ca în cursul reacţiilor enzimatice să se menţină pH-ul optim constant, prin folosirea de tampoane.
Specificitatea enzimelor. O anumită enzimă catalizeză numai un numar mic de reacţii şi de multe ori o singura reacţie, spre deosebire de catalizatori obişnuiţi anorganici (acizi, baze, catalizatori de hidrogenare, etc.) care activează practic toate reacţiile posibile de un anumit tip.
Se disting multe tipuri şi grade de specificitate în acţiunea enzimelor. În primul rând trebuie menţionată specificitatea stereochimică, care constă în aceea că o enzimă care catalizează reacţia unui compus optic activ este fără acţiune asupra enantiomerului sau şi în general, asupra izomerilor sterici ai acestui compus, supuşi aceloraşi condiţii. Fenomenul a fost observat întâi la Pasteur, care l-a folosit ca o metodă pentru separarea izomerilor optici. Vom mai aminti aici dehidrogenaza lactică din muşchi, o enzimă care lucrează în colaborare cu DPN, şi care dehidroginează acidul L-lactic la acid piruvic si hidrogenează acidul piruvic numai la acid L-lactic, fiind inactivă faţă de acidul D-lactic. În multe microorganisme există însă o enzimă care acţionează în mod similar dar specific numai asupra acidului D-lactic. De asemenea, peptidazele acţionează numai asupra aminoacizilor din seria L, iar arginaza transformă prin hidroliză în ornitină şi uree,numai L-arginina şi este fără acţiune asupra D-argininei.
Din alt punct de vedere se disting între o aşa-numită specificitate de reacţie şi o specificitate de substrat a enzimelor. Prima se referă la reactantul anorganic care ia parte la reacţie: apa în reacţiile de hidroliză, acidul fosforic în reacţiile cu fosforoliza, hidrogenul în reacţiile catalizate de dehidrogenaze. Specificitatea de substrat priveşte natura reactantului organic, ştiut fiind că enzimele care hidrolizează, de exemplu, hidraţii de carbon nu hidrolizează proteine, cele care hidrolizează dipeptide nu hidrolizează polipeptide.
Specificitatea de substrat se manifestă în forme nenumărate şi stă la baza clasificării enzimelor, după cum se va vedea mai departe. Important este faptul că, diferitele enzime prezintă faţă de substaturile respective grade diferite de specificitate. Vom distinge 3 grade sau tipuri de specificitate enzimatică. Pentru ilustrarea fenomenului vom considera o reacţie de hidroliză schematizată:
Sunt cazuri, deşi rare, când numai natura legăturii dintre A şi B determină specificitatea, natura componentelor A şi B fiind indiferentă; se vorbeşte în aceste cazuri de o specificitate redusă. Un exemplu este acela al lipazelor din pancreas şi ficat, care hidrolizează esterii celor mai variaţi acizi carboxilici cu alcoolii de diferite tipuri, printre care şi trioli cum este glicerina. Nu toate esterazele sunt însă atât de puţin specifice.
Un al doilea tip de enzime posedă o specificitate limitată, numită specificitate de grup. În cazul unei reacţii de hidroliză, cum este aceea considerată mai sus, enzimele de acest tip cer ca A să fie de un anumit tip, natura componentei B fiind indiferentă. Un exemplu de enzimă inzestrată cu asemenea specificitate este acela al a-glicozidazei (maltazei) din sucul intestinal al mamiferelor şi al b-glicozidazei (emulsina). Fiecare din aceste enzime hidrolizează atât dizaharide cât şi glicozide; ele sunt deci specifice numai pentru restul de monozaharidă şi într-o mare măsură indiferente pentru natura agliconului.
Al treilea tip de specificitate, numită specificitate absolută, se caracterizează prin aceea că enzima este adaptată unui substrat unic, „întocmai ca o cheie în broasca ei”. În schema de mai sus, ambele componente A şi B trebuie să fie de un anumit fel dat, pentru ca enzima să acţioneze. Acest tip de specificitate este mult răspândit; datorită aceste particularităţi există în natură un număr atât de mare de enzime. Vom menţiona, ca exemplu, maltaza din bobul de orz încolţit, care, spre deosebire de a-glicozidazele menţionate, hidrolizează numai maltoza, dar este fără acţiune asupra altor dizaharide sau a-glicozide. În mod similar, tanaza hidrolizează numai esterii acizilor benzoici substituiţi cu cel puţin două grupe OH în alte poziţii decât orto faţă de carboxil, iar clorofilaza nu hidrolizează decât cele două clorofile a şi b; fumaraza nu adiţionează apă decât la acidul fumaric spre a da naştere acidului (-)-malic.
Formarea unui complex intermediar între substrat şi enzimă. Se ştie că acţiunea unui catalizator constă în participarea sa efectivă la reacţia chimică. Un catalizator se deosebeşte de un reactant obişnuit numai prin aceea că el se regenerează necontenit în cursul procesului chimic. Enzimele nu diferă, în această privinţă, de catalizatorii simpli. Specificitatea enzimelor sugerează participarea enzimei la reacţia chimică, adică la formarea unui complex între enzimă şi substrat.
Măsurătorile cinetice sprijină această concepţie. În majoritatea cazurilor, în condiţii comparabile, viteza reacţiei enzimatice este proporţională cu concentraţia enzimei. De obicei, proporţionalitatea aceasta se observă numai în stadiul iniţial al reacţiei; pe măsură ce concentraţia produşilor de reacţie creşte, viteza de reacţie scade datorită unui efect inhibant al acestor produşi. De aceea se iau în consideraţie pentru comparaţie numai vitezele iniţiale ale reacţiilor enzimatice.
Pornind de la o cantitate fixă de enzimă şi mărind progresiv, într-o serie de experienţe succesive, concentraţia substratului, viteza de reacţie iniţială creşte din ce în ce mai încet cu concentraţia substratului, până ce atinge o valoare constantă maximă, dincolo de care viteza nu mai variază cu concentraţia. La concentraţii mici de substrat, reacţia este de ordinul I, iar la concentraţii mari devine de ordinul zero faţă de substrat.
Aceste observaţii au dus la concepţia că între enzimă (E) şi substrat (S), se formează printr-o reacţie reversibilă ascultând de legea maselor, un complex labil. Acest complex reacţionează apoi irversibil, cu viteză mare, cu un reactant, dând produsul de reacţie (P) şi regenerând catalizatorul:
Coenzime (cofactori). În afară de enzimă şi substrat, mai este necesară de multe ori prezenţa altor substanţe pentru ca reacţia enzimatică să se producă. La fermentaţia alcoolică, pe lângă prezenţa unei enzime termolabile, nedializabile, este necesară şi o coenzimă termostabilă şi dializabilă. Mai târziu, coenzimele fermentaţiei alcoolice (cocarboxilaza şi codehidraza I) au fost izolate şi de asemenea au fost izolate coenzimele altor procese enzimatire; structura acestor coenzime a fost apoi determinată. În unele cazuri, s-a putut stabili exact funcţiunea îndeplinită de coenzimă în procesul enzimatic.
Pentru a vedea tot referatul CLICK AICI
|
