Generalități asupra Enzimelor

1. GENERALITĂŢI ASUPRA ENZIMELOR

Enzimele definite drept componente de natură proteică, produse de celu¬lele vii care catalizează reacţii de sinteză şi degradare din organismele animale, vegetale şi microorganisme, prezintă numeroase implicaţii şi aplicaţii în in¬dustria alimentară. Fiind componente ale materiilor prime vegetale şi animale utilizate în industria alimentară, a căror activitate nu încetează odată cu recoltarea, depozitarea, conservarea şi prelucrarea tehnologică a acestora, enzimele pot manifesta acţiuni favorabile, dorite, care conduc la îmbună¬tăţirea calităţilor naturale constituţionale, gustative etc. sau nefavorabile şi nedorite, determinînd degradarea şi pierderea valorilor nutritive. Dacă în acest sens se are în vedere activitatea enzimelor proprii materiilor prime vegetale şi animale, enzimele ca atare sub formă de preparate enzimatice, obţinute din diferite surse bogate în enzime, îşi găsesc multiple aplicaţii ca adaosuri, fiind folosite încă din cele mai vechi timpuri ca de exemplu cheagul la prepararea brînzeturilor, „Koji" (kabi-taki = „floare de mucegai", prepa¬rat enzimatic obţinut prin cultivarea lui Aspergillus oryzae pe un decoct de orez sau alte cereale), la prepararea unor produse tradiţionale-fermentate, larg răspîndite în Asia de Sud-Est.

In ultimele decenii, preparatele enzi¬matice şi-au găsit numeroase utilizări în diferite sectoare ale industriei ali¬mentare. Această creştere spectaculoasă a gradului de utilizare a preparatelor enzimatice în industria alimentară (dar şi nealimentară) este explicată prin eficienţa şi precizia, versatilitatea şi economicitatea cu care acţionează aceste preparate enzimatice.

Se postulează existenţa în materia vie a circa 10 000 de enzime diferite, dintre care circa

2 000 au fost izolate, în stare mai puţin sau mai mult puri¬ficată şi a căror intervenţie şi acţiune în diferitele procese metabolice este mai mult sau mai puţin cunoscută. Catalizînd reacţiile biochimice din orga¬nismele vegetale şi animale, enzimele condiţionează desfăşurarea, coordonarea şi autoreglarea acestor reacţii prin care se realizează procesele metabolice (anabolice şi catabolice) ale creşterii, dezvoltării, reproducerii şi tuturor acti¬vităţilor celulare.

In industria alimentară, prelucrătoare de materii prime vegetale şi animale, practic nu există procese tehnologice în care să nu fie implicate enzimele endogene, proprii materiilor biologice folosite sau ale microorganis¬melor utilizate în prelucrarea acestora; în plus, în multe cazuri, în prezent, se recurge la suplimentarea acestor activităţi enzimatice cu enzime exogene, cu preparate enzimatice obţinute din diverse surse bogate în enzime, ţesuturi vegetale, animale şi mai ales în ultimii ani din culturile diverselor micro¬organisme.

Indiferent că se au în vedere enzimele endogene, proprii materiilor prime sau cele adăugate acestora, ele se caracterizează prin următoarele proprietăţi generale:

— sunt cei mai eficienţi catalizatori cunoscuţi astăzi; în concentraţii extrem de mici ( 10-6 M sau chiar şi 10-9 M) determină realizarea reacţiilor cu viteze extrem de mari;

— reacţiile catalizate enzimatic se produc în condiţii compatibile cu viaţa, la temperatură şi presiune obişnuită, în mediu slab acid, neutru sau slab alcalin ;

— manifestă specificitate de acţiune (determină producerea unui anumit tip de reacţii, de exemplu de oxidorcducere, de hidroliză, de sinteză etc.) şi de substrat (recunoaşte numai un anumit reactant, sau un grup limitat de reactanţi);

— asigură coordonarea, reglarea şi controlul proceselor biochimice la care participă şi care stau la baza metabolismului celular.

1.1. Avantajele utilizării enzimelor:

- cei mai activi biocatalizatori, în concentraţii foarte mici , pot cataliza cu foarte mare viteza reacţiile biochimice

- reacţiile catalizate de enzime se desfăşoară în condiţii compatibile cu viaţa, la temperatura şi presiunea normală.

- enzimele prezintă specificitate de acţiune, reacţia va fi întotdeauna condusă în sensul obţinerii unui singur produs şi prezintă specificitate de substrat, enzima va putea reacţiona numai cu un anumit substrat.

1.2. Constituţia enzimelor

Determinantă pentru funcţia catalitică a enzimelor este configuraţia lor, respectiv structura şi organizarea spaţială a moleculei proteice care manifestă activitatea enzimatică.

Din punct de vedere structural, enzimele se împart în două categorii:

— enzime de natură exclusiv proteică, constituite în întregime din pro¬teine (de exemplu: pepsina, tripsina, papaina etc.) ;

— enzime de natură heteroproteică formate dintr-o parte proteică (apo-enzimă) şi una neproteică denumită cofactor enzimatic. Cele două părţi separate sînt inactive catalitic; împreună formează complexul molecular apo-enzimă:cofactor, respectiv holoenzima care manifestă acti¬vitate catalitică.

În structura holoenzimei, cofactorul imprimă specificitate de acţiune, respectiv tipul şi viteza de reacţie catalitică, în timp ce apoenzima imprimă specificitatea de substrat, deci determină substanţa asupra căreia acţionează enzima.

Apoenzima, fiind de natură proteică, va manifesta proprietăţile generale ale proteinelor:

• este termolabilă şi nedializabilă;

• stabileşte legătura enzimei cu substratul;

• manifestă grade diferite de afinitate pentru cofactor;

• este susceptibilă de modificări conformaţionale în anumite limite.

Cofactorul enzimatic reprezintă componente neproteice, de natură chimică foarte diferită, care sunt indispensabile pentru manifestările activităţii catalitice a numeroase enzime.

După natura chimică şi modul lor de legare la apoenzimă, cofactorii se clasifică:

• coenzimă;

• grupări prostetice;

• ioni metalici.

Coenzimele sunt compuşi organici, derivaţi din vitamine, care se ataşează temporar la apoenzimă şi care sunt uşor disociabili de acestea. Ele trec uşor de la o apoenzimă la alta, putând să participe la transformarea altor molecule de substrat după terminarea unei anumite reacţii. Din ei fac parte: NAD+, NADP+, FMN, FAD, ATP, CTP, acidul lipoic etc.

Grupările prostetice sunt substanţe organice fixate pe apoenzimă, care disociază greu, deoarece sunt legate prin legături covalente. Aceste grupări sunt: TPP, piridoxalfosfatul, hemul. Gruparea prostetică imprimă mecanismul unor procese enzimatice: transportul de electroni, de grupări –NH2, acetic etc.

Ionii metalici sunt indispensabili pentru exercitarea funcţiei catalitice a unor enzime, participând în calitate de cofactori sau de componente structurale ale acestora. Ele se mai numesc metal-enzime, iar printre ionii care îndeplinesc rol de cofactor se pot menţiona: Mg2+, Mn2+, Cu2+, Zn2+, Fe2+, Fe3+, Mo2+. Unele enzime pot conţine chiar doi ioni metalici.

Exercitarea proprietăţilor catalitice ale enzimelor se realizează prin inter¬mediul situsurilor catalitice — centrilor sau zonelor active — care reprezintă ansamblul grupărilor chimice din structura enzimei ce participă efectiv în manifestarea activităţii enzimatice (de exemplu, anumite resturi din aminoacizii constituenţi ai lanţurilor polipeptidice şi cofactorii enzimatici, care vin în contact direct cu substratul).

În funcţie de organizarea lor structurală se disting: enzime monomerice, constituite dintr-un lanţ polipeptidic care nu poate fi disociat în subunităţi fără pierderea activităţii lor catalitice şi enzime oligomerice care sunt agregate moleculare constituite din doi sau mai mulţi protomeri, respectiv lanţuri poli¬peptidice similare sau diferite, care prin disociere sau din contră prin asociere devin catalitic-active. Pentru o serie de enzime s-au stabilit existenta unor forme moleculare multiple sau izoenzime, care catalizează realizarea aceleiaşi reacţii biochimice, dar care diferă între ele prin configuraţii spaţiale diferite (compoziţie în aminoacizi constituenţi), prin proprietăţile lor fizico-chimice (pH sau temperatură optimă, cinetică de reacţie, comportare faţă de inhibi¬tori sau activatori etc.). imunologice etc.