CHIMIE ALIMENTAR I TEHNOLOGII BIOCHIMICE

ENZIMOLOGIE APLICAT

Scurt istoric Aspecte introductiveSpecificitatea enzimatic Nomenclatura enzimelor

Conf. Dr. Biochim. Bogdan Nicolae Manolescu

Facultatea de Chimie Aplicat i tiina MaterialelorDepartamentul de Chimie Organic C. NeniescuLaborator 013, Corp F, Campus Polizu

ENZIMOLOGIEAPLICATNomenclatura i clasificareaenzimelorStructura i mecanismul deaciune al enzimelorAnalizaalimentelorProducereaalimentelor

Date semnificative n biochimia enzimelor:

GOTTLIEB SIGISMUND KIRCHHOFF (1816):zaharificarea amidonului n semine

HEINRICH AUGUST VOGEL (1817):transformarea zahrului din lapte ntr-un zahar fermentabil cu ajutorul unei infuzii de ovz

ANSELME PAYEN & JEAN-FRANCOIS PERSOZ (1833):izolarea din mal a unui ferment solubil hidroliza amidonuluiintroduc termenul de diastaz (a separa, gr.)

LOUIS PASTEUR (1850-1860):studiaz fermentaia zaharurilor la etanol de ctre drojdiiintroduce TEORIA VITALIST

Date semnificative n biochimia enzimelor:

CHRISTIAN HANSEN (1874):izoleaz un complex de enzime din stomacul de vielcomplexul permitea coagularea laptelui (chimozin)

WILHELM KUHNE (1876):introduce termenul de ENZIM

EDUARD BUCHNER (1897):fermentaia alcoolic poate avea loc i n absena celulelor intacteinfirm TEORIA VITALISTPremiul Nobel pentru Chimie 1907

JAMES B. SUMNER (1926):demonstreaz natura exclusiv proteic a ureazei

Date semnificative n biochimia enzimelor:

JAMES B. SUMNER (1937):demonstreaz natura exclusiv proteic a catalazei

JOHN H. NORTHROP & WENDELL M. STANLEY (1930):izoleaz pepsina, tripsina, chimotripsinademonstreaz natura lor exclusiv proteicPremiul Nobel pentru Chimie 1946

DAVID C. PHILLIPS (1965):determin prin difracie de raze X structura lizozimului

Activitatea enzimatic:

proteine:enzimeabzime (antibody + enzyme) anticorpi monoclonali:produi prin imunizarea animalelor de laborator cu un antigenantigenul este analog structural al strii de tranziie a unei reaciiexemple: formare de legturi C-C, reacii de transaminare

acizi nucleici:ribozime (ribonucleic acid enzyme)manifest activitate catalitic sau autocataliticexemple: autoexcizia intronului din RNAr (Tetrahymena sp.)

activitatea catalitic este ntlnit la biomolecule foarte diverse

Abzime:

pentru hidroliza esterilor:utilizarea unui ester fosforic ciclic ce mimeaz intermediarul

pentru oxidarea sulfurilor la sulfoxizi:utilizarea unui acid aminofosfonic ce mimeaz intermediarul

Ribozime:

eliminarea intronilor din molecula RNAr precursor

Caracteristici generale ale enzimelor:

caracteristici comune cu cele ale catalizatorilor tradiionali:scad energia de activare faciliteaz formarea intermediaruluiacioneaz la concentraii foarte micinu se consum n timpul reaciei

caracteristici proprii enzimelor:eficien catalitic mult mritacioneaz n condiii blnde de pH i temperaturmanifest diferite tipuri de specificitateactivitatea lor este reglat prin mecanisme:calitative:efectori allostericimodificri covalentecantitative:scderea/creterea ratei de sintezscderea/creterea ratei de catabolizare

Hidrateaz 106 molecule de CO2 ntr-o secund!

Dezavantajele enzimelor fa de catalizatorii tradiionali:

costuri ridicate datorit tehnologiilor de producie i purificare

instabilitii la temperaturi de peste 40-45C i valori extreme de pH

riscului contaminrii biologice a produsului final

Aplicaii ale enzimelor ramuri industriale:

aplicaii n industria alimentar:panificaieobinerea sucurilor din fructe i procesarea fructelorfabricarea buturilor alcoolice (bere, vin)produse lactateprocesarea crnii (porc, vit, pui, pete)

aplicaii n alte industrii:industria de detergeni (proteaze, amilaze, lipaze, celulaze)obinerea furajelor i nutreurilor pentru animaleindustria textilindustria de procesare a lemnului i obinere a hrtieiindustria de cosmeticeindustria de medicamente

Aplicaii ale enzimelor utilizrile practice:

prelucrarea i obinerea anumitor tipuri de alimente i buturi

evaluarea contaminrii alimentelor cu anumite microorganisme

analiza alimentelor:analiz calitativanaliz cantitativ

evaluarea modificrilor pe care le sufer alimentele n timpul stocrii

Analiza sucurilor de fructe:

Specificitatea enzimatic:

specificitate de reacie:o enzim catalizeaz doar un singur tip de transformare chimicacioneaz asupra unui numr variabil de substrate

specificitate de substrat:o enzim acioneaz asupra unui numr variabil de substratecatalizeaz acelai tip de transformare chimic

specificitate steric:caz particular de specificitate stericenzima recunoate doar un singur enantiomer din mai mulienzima catalizeaz formarea unui singur izomer geometric sau opticenzima recunoate ambii enantiomeri i catalizeaz interconversia lorenzima catalizeaz schimbarea configuraiei la un singur centru chiralenzima discrimineaz ntre dou grupri identice din molecul

Specificitatea de reacie:

o enzim catalizeaz doar un singur tip de transformare chimicacioneaz asupra unui numr variabil de substratetipuri de transformri:

st la baza clasificrii enzimelor n 6 CLASE

Specificitatea de substrat:

o enzim acioneaz asupra unui numr variabil de substratecatalizeaz acelai tip de transformare chimic

enzime cu specificitate larg de substrate:acioneaz asupra unui numr mare de substrateexemplu: amilaz

enzime cu specificitate de grup:acioneaz asupra unui numr limitat de substrateexemplu: hexokinaza

enzime cu specificitate absolut:acioneaz asupra unui singur compusexemplu: arginaza, ureaza

AmilazHexokinazUreaz

Specificitatea steric:

enzime ce recunosc i transform doar unul dintre enantiomeri:

L-lactat Bacillus subtilisD-lactat Lactobacillus plantarumL/D-lactat Leuconostoc mesenteroides

enzime ce catalizeaz formarea unui singur izomer geometric sau optic din mai muli posibili:

Specificitatea steric:

enzime ce recunosc ambii enantiomeri ai unui compus cu un singur centru de chiralitate i catalizeaz interconversia lor:

enzime ce recunosc compui cu mai multe centre de chiralitate i catalizeaz schimbarea configuraiei unui singur centru:

Specificitatea steric:

enzime ce discrimineaz ntre dou grupri identice:

observaii:three-point attachement (1948)un compus simetric, darprochiral, interacioneazasimetric cu enzimaexemple: glicerol kinaza

Specificitatea enzimatic aplicaii:

analiza vinurilor:detecia adulterrii cu acid malic de sintezdozarea acidului D-malic

Specificitatea enzimatic aplicaii:

sinteza organic:sinteze enantioselective

Nomenclatura enzimelor:

scurt istoric:1956 Comisia de Enzimologie (IUBMB & IUPAC)1961 publicarea primei cri despre nomenclatura enzimelor1984 publicarea unor updatri2000 publicarea ultimelor updatriau mai aprut suplimente pn n 2014

tipuri de denumiri:denumire comun (trivial, de lucru, recomandat)denumire sistematiccod de forma EC A.B.C.D

Nomenclatura enzimelor denumirea comun (trivial, de lucru):

reguli generale de realizare a denumirilor comune:se utilizeaz denumirile comune ale substanelor (se omit descriptorii D i L pentru zaharuri i aminoacizi)nu ar trebui s se bazeze pe denumirea unei substane care nu este substrat al enzimei respective (enoil~CoA hidrataza crotonaz)se utilizeaz denumirile: dehidrogenaz, reductaz, oxidaz, peroxidaz, kinaz, tautomerazse bazeaz pe sensul demonstrat al unei reacii

observaii:ofer informaii despre natura substratului (ureaz, arginaz, zaharaz)nu ofer niciun fel de informaii (catalaz, pepsin, bromelain)este uor de utilizat n practica curent

Nomenclatura enzimelor denumirea sistematic:

numele substratului + numele reaciei + sufixul -azdenumirea substratelor se face n acord cu regulile IUPACdac substratul este ionizat la pH fiziologic se folosete sufixul -at:acid lactic dehidrogenazlactat dehidrogenazpentru enzimele cu funcie dubl ce catalizeaz dou modificri n molecula substratului denumirea se face pe baza primei reacii i a doua este indicat n parantez

pentru reaciile reversibile se alege un sens care va fi utilizat pentru toate enzimele din clasa respectic chiar dac nu a fost demonstrat pentru toateL-triptofan indol-liaz (dezaminant)

Clasificarea enzimelor:

se face pe baza tipului de reacie catalizatfiecare enzim primete un cod de forma EC A.B.C.Denzimele sunt organizate n:CLASESUBCLASESUBSUBCLASE

observaii:fiecare cod descrie o activitate enzimatic (nu o anumit enzim)enzimele pentru care nu se cunoate mecanismul de reacie sau care nu pot fi ncadrate n nici una dintre subclasele sau subsubclasele existente se aloc coduri de forma:EC A.99.C.DEC A.B.99.D

Clasa 1 (clasa oxidoreductazelor):

catalizeaz reacii de forma: Ared + Box Aox + Breddenumirea sistematic se face pe baza regulii generale:

denumire Sdonor echiv de red:denumire Sacceptor echiv de red oxidoreductaz

organizarea n subdiviziuni:subclase ine cont de gruparea/substratul ce se oxideazsubsubclase ine cont de substratul ce se reduce

observaii:peroxidaze enzime ce folosesc H2O2 ca acceptor de echiv de redoxidaze enzime ce folosesc O2 ca acceptor de echiv de redpentru unele enzime este mai greu de realizat denumirea sistematic

Exemplu de denumire sistematic:

denumire recomandat: glucozo oxidazdenumire sistematic: D-glucozo oxigen oxidoreductazdonor de echivaleni de reducere: D-glucozacceptor de echivaleni de reducere: O2codul: EC 1.1.3.4

Clasa 2 (clasa transferazelor):

catalizeaz reacii de forma: A-X + B A + B-Xdenumirea sistematic se face pe baza regulii generale:

denumire Sdonor:denumire Sacceptor denumirea gr transferate transferaz

organizarea n subdiviziuni:subclase ine cont de natura gruprii transferatesubsubclase ine cont de particularitile gruprii transferate

transferaze importante:transaminaze EC 2.6.1.Xkinaze EC 2.7.1.X

Clasa 3 (clasa hidrolazelor):

catalizeaz reacii de forma: A-B + H2O A-H + B-OHdenumirea sistematic se face pe baza regulii generale:

denumire S : natura legturii scindate hidrolaz

organizarea n subdiviziuni:subclase ine cont de tipul legturii scindatesubsubclase ine cont de particularitile legturii scindate

observaii:reacia de hidroliz poate fi interpretat ca o reacie de transfer n care acceptorul este molecula de apmulte enzime utilizate la procesarea alimentelor sunt hidrolazeexemple: proteaze, amilaze, esteraze, lipazeC CC NC OC SO P

Clasa 4 (clasa liazelor):

catalizeaz reacii de forma: A-B A + Bdenumirea sistematic se face pe baza regulii:

denumire S denumire grupare eliminat-liaz

organizarea n subdiviziuni:subclase ine cont de tipul legturii scindatesubsubclase ine cont de particularitile legturii scindate i ale substratului asupra cruia acioneaz enzima

observaii:se recomand utilizarea scrierii HIDRO-LIAZ n loc de HIDROLIAZpentru liazele ce catalizeaz reacii reversibile, dac sensul invers (cel de formare a unei legturi) este relevant fiziologic, atunci enzima se va denumi SINTAZC CC OC NC S

Clasa 5 (clasa izomerazelor):

catalizeaz modificri intramoleculare ale substratului:racemizareepimerizareizomerizare cis-trans

organizarea n subdiviziuni:subclase ine cont de tipul de rearanjare intramolecularsubsubclase ine cont de natura substratului

observaii:nu exist o regul general pentru realizarea denumirii sistematiceunele izomeraze catalizeaz procese redox intramoleculare

Clasa 6 (clasa ligazelor):

catalizeaz reacii de forma: X + Y + NTP X-Y + NDP + Padenumirea sistematic se face pe baza regulii generale:

denumire X : denumire Y ligaz (NDP formatoare)

organizarea n subdiviziuni:subclase ine cont de tipul legturii formatesubsubclase ine cont de tipul produsului de reacie

observaii:ligazele snt enzime ce catalizeaz reacii ireversibileNTP = ATP/GTP, NDP = ADP/GDPse poate utiliza denumirea alternativ de SINTETAZ

COD: EC 1.4.1.1

Denumire sistematic: L-lactat:NAD+ oxidoreductaz

Denumire recomandat: L-lactat dehidrogenazCOD: EC 2.7.1.1

Denumire sistematic: ATP:D-hexozo-6-fosfo transferaz

Denumire recomandat: hexokinaz

COD: EC 3.1.1.3

Denumire sistematic: triacilglicerol acil hidrolaz

Denumire recomandat: lipaz pancreaticCOD: EC 4.1.1.1

Denumire sistematic: 2-oxo acid carboxi-liaz (formatoare de aldehid)

Denumire recomandat: piruvat decarboxilaz

COD: EC 5.1.3.3

Denumire sistematic: aldozo 1-epimeraz

Denumire recomandat: aldozo epimerazCOD: EC 6.3.1.2

Denumire sistematic: L-glutamat:amoniac ligaz (ADP formatoare)

Denumire recomandat: L-glutamin sintetaz

Expert Protein Analysis System (www.expasy.org)

Braunschweig Enzyme Database (www.brenda-enzymes.info):