Biochimie: Enzimele - Structură, Clasificare, Cinetică și Reglare

Set de 50 de fișe de vocabular în limba română acoperind noțiunile cheie despre structura, funcția, clasele, cinetica și reglarea enzimelor din cursul de biochimie.

Enzimologie

Ramură a biochimiei care studiază enzimele, structura și proprietățile lor, mecanismele catalizei enzimatice, reglarea activității și rolul acestora în procesele fiziologice și patologice.

Ribozime

Molecule de ARN care posedă activitate catalitică biologică.

Reacție posibilă din punct de vedere termodinamic

Reacție chimică ce se poate desfășura spontan într-un anumit sens în condițiile date, fără a necesita furnizarea continuă de energie din exterior ($\Delta G < 0$).

Echilibru chimic

Stare dinamică a unei reacții reversibile în care viteza reacției directe este egală cu viteza reacției inverse, concentrațiile reactanților și ale produșilor rămânând constante; enzimele accelerează atingerea echilibrului fără a-i modifica poziția sau constanta ($K$).

Centru activ

Regiune tridimensională specializată a enzimei formată prin apropierea spațială a unor resturi de aminoacizi distanți în structura primară, responsabilă de recunoașterea, legarea substratului și cataliză.

Situs alosteric

Regiune distinctă de centrul activ prezentă la enzimele alosterice, cu rol reglator, la care se leagă efectori (modulatori) ce induc modificări conformaționale transmise centrului activ.

Enzime alosterice

Proteine oligomerice formate din mai mulți protomeri, implicate în reglarea căilor metabolice, caracterizate prin cooperativitate și o curbă cinetică sigmoidă a vitezei în funcție de concentrația substratului.

Holoenzimă

Forma catalitic activă a unei enzime conjugate, rezultată din unirea componentei proteice (apoenzimă) cu o componentă neproteică (cofactor sau coenzimă).

Apoenzimă

Componenta proteică a unei enzime conjugate, responsabilă de asigurarea specificității față de substrat și de organizarea spațială a centrului activ.

Cofactor

Componentă neproteică anorganică a enzimei conjugate, reprezentată predominant de ioni metalici ($\text{Mg}^{2+}$, $\text{Zn}^{2+}$, $\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}^{3+}$, $\text{Cu}^{2+}$) sau rareori de anioni.

Coenzimă

Componentă neproteică organică cu masă moleculară mică ce participă direct la reacția enzimatică prin transfer de electroni, protoni sau grupări chimice.

Grupare prostetică

Coenzimă asociată strâns (adesea covalent) cu apoenzima, care nu disociază de enzimă pe durata ciclului catalitic (de exemplu: FMN, FAD, biotina, acidul lipoic).

Cosubstrat

Coenzimă slab și reversibil asociată cu apoenzima, care participă direct la transformarea chimică și disociază de enzimă la finalul reacției (de exemplu: $\text{NAD}^+$, $\text{NADP}^+$, CoA).

Metaloenzime

Enzime care conțin ioni metalici ferm legați în calitate de cofactori (de exemplu: catalaza și peroxidaza cu $\text{Fe}$, citocromoxidaza cu $\text{Cu}$, glutation peroxidaza cu $\text{Se}$).

Enzime metaloactive

Enzime a căror activitate catalitică este amplificată de prezența ionilor metalici, pe care îi leagă slab prin forțe electrostatice la nivelul resturilor de aminoacizi dicarboxilici (Asp, Glu) sau bazici (Arg, Lys, His).

Tiamin pirofosfat (TPP)

Forma coenzimatică a vitaminei $B_1$ (tiamină), alcătuită dintr-un inel pirimidinic și un inel tiazolic uniți printr-o punte metilenică ($-\text{CH}_2-$), cu rol în decarboxilarea oxidativă a $\alpha$-cetoacizilor și în reacțiile de transcetolare.

Coenzime flavinice (FMN și FAD)

Derivați ai vitaminei $B_2$ (riboflavină) conținând nucleul heterociclic izoaloxazinic, care funcționează ca grupări prostetice în reacții redox acceptând doi protoni și doi electroni ($\text{FAD} + 2\,\text{H}^+ + 2\,e^- \rightleftharpoons \text{FADH}_2$).

Coenzime nicotinamidice (NAD⁺ și NADP⁺)

Forme coenzimatice derivate din vitamina PP (nicotinamidă sau acid nicotinic), ce funcționează ca cosubstraturi în dehidrogenări prin acceptarea unui ion hidrură ($\text{H}^-$: doi electroni și un proton), prezentând absorbție la $340\,\text{nm}$ în stare redusă.

Piridoxalfosfat (PALP)

Coenzimă derivată din vitamina $B_6$ (piridoxină), esențială în metabolismul aminoacizilor pentru reacțiile de transaminare (în cuplu cu PAMP), decarboxilare și transsulfurare.

Coenzima A (CoA-SH)

Coenzimă a acidului pantotenic (vitamina $B_5$), formată din mercaptoetilamină, beta-alanină, acid pantoic și adenozin-3',5'-difosfat, având rolul central de a activa și transfera grupări acil.

Biotină (Vitamina H)

Compus heterobiciclic ce funcționează ca grupare prostetică pentru enzimele carboxilaze, realizând transferul de dioxid de carbon ($\text{CO}_2$) în reacții precum cele catalizate de piruvat carboxilază și acetil-CoA carboxilază.

Acid tetrahidrofolic (THF)

Forma coenzimatică activă a acidului folic (vitamina $B_9$), alcătuită din pteridină, acid para-aminobenzoic și acid glutamic, cu rol de transportor al fragmentelor monocarbonice ($-\text{CH}_3$, $-\text{CH}_2-$, $-\text{CH}=$, $-\text{CHO}$, $-\text{CH}=\text{NH}$).

Acid lipoic (Lipoamidă)

Coenzimă legată covalent la gruparea amino a lizinei din apoenzime, funcționând ca braț mobil pentru transferul grupărilor acil și al echivalenților reducători în complexele de decarboxilare oxidativă a $\alpha$-cetoacizilor.

Coenzime cobamidice

Derivați ai vitaminei $B_{12}$ (ciancobalamină) conținând un atom central de cobalt ($\text{Co}^+$), implicați ca și coenzime în reacții de transmetilare (conversia homocisteinei în metionină) și mutaze (metilmalonil-CoA în succinil-CoA).

S-adenozilmetionină (SAM)

Coenzimă nevitaminică derivată din metionină și ATP, cu rol de donor universal de grupări metil ($-\text{CH}_3$) în reacțiile de transmetilare biologică.

Oxidoreductaze (Clasa EC 1)

Clasă de enzime care catalizează reacții de oxido-reducere, utilizând coenzime ca $\text{NAD}^+$, $\text{NADP}^+$, FAD sau FMN; include dehidrogenaze, reductaze, oxidaze, peroxidaze și hidroxilaze.

Transferaze (Clasa EC 2)

Clasă de enzime care catalizează transferul grupărilor funcționale (metil, amino, acil, fosfat) de la un donor la un acceptor; include aciltransferaze, aminotransferaze și kinaze.

Hidrolaze (Clasa EC 3)

Clasă de enzime care catalizează scindarea legăturilor covalente (esterice, peptidice, glicozidice, fosfatice) prin adiția apei; include esteraze, peptidaze, glicozidaze și fosfataze.

Liaze (Clasa EC 4)

Clasă de enzime care catalizează ruperea legăturilor $\text{C}-\text{C}$, $\text{C}-\text{S}$ și $\text{C}-\text{N}$ fără intervenția apei, formând legături duble sau realizând adiția la duble legături; include decarboxilaze, aldolaze și hidrataze.

Izomeraze (Clasa EC 5)

Clasă de enzime ce catalizează rearanjări intramoleculare sau modificări de configurație spațială; include racemaze, epimeraze, mutaze și izomeraze propriu-zise.

Ligaze (Sintetaze, Clasa EC 6)

Clasă de enzime care catalizează formarea de noi legături chimice între atomul de carbon și O, S sau N, proces cuplat obligatoriu cu hidroliza legăturilor macroergice din ATP.

Translocaze (Clasa EC 7)

Clasă de enzime ce catalizează transportul ionilor sau moleculelor prin membrane celulare ori între compartimente, cuplat cu o reacție chimică sau o sursă de energie.

Modelul «lacăt–cheie»

Model elaborat de Emil Fischer (1894), conform căruia centrul activ al enzimei are o structură geometrică rigidă și preformată, complementară cu forma substratului.

Modelul potrivirii induse

Model formulat de Daniel Koshland, conform căruia legarea substratului determină o rearanjare conformațională flexibilă a enzimei pentru atingerea unei complementarități optime a grupărilor catalitice.

Specificitate absolută de substrat

Capacitatea unei enzime de a acționa și transforma exclusiv o singură substanță (de exemplu: ureaza ce hidrolizează numai ureea, arginaza, carbanhidraza).

Specificitate relativă de substrat

Capacitatea unei enzime de a cataliza transformarea unui grup de substraturi înrudite structural sau de a scinda un tip specific de legătură (de exemplu: pepsina pentru legături peptidice formate de aminoacizi aromatici).

Specificitate stereochimică

Proprietatea enzimei de a recunoaște și acționa doar asupra unui singur stereoizomer sau configurare spațială (de exemplu: LDH pentru L-lactat, hexokinaza pentru D-glucoză, fumaraza pentru izomerul trans).

Număr de turnover (kcat)

Numărul de molecule de substrat transformate în produs de o singură moleculă de enzimă pe secundă, în condiții de saturație completă cu substrat.

Constanta Michaelis-Menten (Km)

Concentrația de substrat la care viteza inițială a reacției atinge jumătate din viteza maximă ($\frac{1}{2}V_{\max}$); reflectă afinitatea enzimei față de substrat, fiind invers proporțională cu aceasta.

Viteza maximă (Vmax)

Viteza reacției enzimatice atinsă la o concentrație dată de enzimă atunci când toate centrele active sunt complet saturate cu substrat.

Diagrama Lineweaver-Burk

Reprezentare dublu-reciprocă a cineticii enzimatice ($\frac{1}{v}$ în funcție de $\frac{1}{[S]}$), utilizată pentru determinarea grafică precisă a parametrilor $V_{\max}$ și $K_m$.

Inhibiție ireversibilă

Inactivare a enzimei produsă prin formarea unei legături covalente stabile între inhibitor și o grupare esențială din centrul activ (de exemplu: DIPF legat la Ser din acetilcolinesterază).

Inhibiție competitivă

Inhibiție reversibilă în care inhibitorul este un analog structural al substratului și concurează pentru centrul activ; crește valoarea $K_m$, menține constantă $V_{\max}$ și poate fi înlăturată prin exces de substrat.

Inhibiție necompetitivă

Inhibiție reversibilă în care inhibitorul se leagă în alt locus decât centrul activ, atât de enzima liberă cât și de complexul ES; scade $V_{\max}$, nu modifică $K_m$ și nu poate fi înlăturată prin exces de substrat.

Inhibiție uncompetitivă

Tip de inhibiție reversibilă în care inhibitorul se asociază exclusiv cu complexul enzimă-substrat format (ES); determină scăderea paralelă a parametrilor $V_{\max}$ și $K_m$.

Reglare cantitativă enzimatică

Control al activității metabolice prin modificarea raportului dintre sinteza ($K_s$) și degradarea ($K_d$) enzimei, generând enzime constitutive ($K_s = K_d$), inductibile ($K_s > K_d$) și represibile ($K_d > K_s$).

Proteoliză limitată

Activare ireversibilă a precursorilor enzimatici inactivi (zimogeni sau proenzime) prin clivarea hidrolitică a unui fragment peptidic, permițând restructurarea centrului activ (de exemplu: pepsinogen $\rightarrow$ pepsină sub acțiunea $\text{H}^+$).

Reglare covalentă prin fosforilare–defosforilare

Modificare covalentă reversibilă în care o proteinkinază transferă o grupare fosfat de la ATP la un rest de Ser/Thr al enzimei, iar o fosfatază îndepărtează fosfatul prin hidroliză, comutând enzima între stările activă și inactivă.

Izoenzime (Izoforme)

Forme moleculare multiple ale aceleiași enzime ce catalizează aceeași reacție, dar diferă prin structură cuaternară, proprietăți fizico-chimice, parametri cinetici, mobilitate electroforetică și repartiție tisulară (de exemplu: LDH 1–5).

Sisteme polienzimatice

Grupări de enzime asociate funcțional într-o cale metabolică, ce pot fi organizate funcțional (enzime individuale independente), structural-funcțional (complexe multienzimatice stabile precum PDH) sau mixt (cum se întâlnește în ciclul Krebs).