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 catalizato 24324o146y rii, 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 rea 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