Enzime și hormoni

Enzimele sunt catalizatori biologici: măresc viteza reacției fără să fie consumate și au specificitate pentru substrat. Cele mai multe sunt proteine; unele molecule de ARN au activitate catalitică. Amilaza hidrolizează amidonul, catalaza descompune peroxidul de hidrogen. Hormonii sunt mesageri chimici: insulina este peptidică, adrenalina derivă dintr-un aminoacid, iar cortizolul este steroid. Natura chimică influențează transportul și receptorul lor. Enzima nu modifică produșii reacției, ci doar viteza ei.

Enzimele. Enzimele sunt biocatalizatori, în majoritate de natură proteică. Substratul se leagă de o regiune a moleculei enzimei numită loc activ; după transformare, produșii se desprind, iar enzima rămâne nemodificată și poate repeta ciclul. Specificitatea față de substrat este strictă: amilaza hidrolizează amidonul, dar nu și celuloza, deși ambele sunt polizaharide din glucoză. Unele enzime au nevoie de un cofactor, un ion metalic sau o coenzimă, derivată adesea dintr-o vitamină. Viteza reacției enzimatice depinde de temperatură și de pH: peste valoarea optimă proteina se denaturează, iar locul activ își pierde forma. Enzimele scad energia de activare a reacției, nu modifică poziția echilibrului.

Dependența de condiții. Viteza unei reacții enzimatice crește cu temperatura până la valoarea optimă, aproximativ $37{}^{\circ }\mathrm{C}$ la om, apoi scade brusc prin denaturare; ea depinde și de pH, fiecare enzimă având valoarea ei optimă. Enzimele acționează deci în mediul în care lucrează: pepsina în sucul gastric acid, tripsina în intestinul subțire slab bazic. Substanțele care se leagă de enzimă și îi blochează activitatea se numesc inhibitori; metalele grele ($\mathrm{H}{\mathrm{g}}^{2+}$, $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$) denaturează multe enzime, de aceea sunt toxice. Enzimele sunt folosite în industrie (detergenți cu proteaze, fabricarea brânzeturilor, a berii și a pâinii) și în analize medicale, de exemplu glucozoxidaza pentru dozarea glucozei din sânge sau din urină.

Hormonii. Hormonii sunt mesageri chimici produși de glande endocrine și transportați de sânge la celulele-țintă, unde se leagă de receptori specifici. Acționează în cantități foarte mici. Insulina scade glicemia, glucagonul o crește, iar adrenalina pregătește organismul pentru efort. Lipsa insulinei sau răspunsul slab al celulelor la ea cauzează diabetul zaharat, la care glicemia rămâne crescută, iar glucoza apare în urină. Tiroxina, un derivat iodat al aminoacidului tirozină, reglează metabolismul, iar lipsa iodului din alimentație provoacă gușa. Natura chimică a hormonului arată cum acționează: cei peptidici și proteici se leagă de receptori din membrana celulei, cei steroizi, liposolubili, trec prin membrană.

Exemplu rezolvat 1. Catalaza descompune $68$ g de peroxid de hidrogen pur, ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$.

1. Ecuația egalată este $2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2\to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_2$.
2. $n({\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2)=68/34=2$ mol.
3. Se formează $2/2=1$ mol ${\mathrm{O}}_2$, adică $32$ g, și $2$ mol apă, adică $36$ g.
4. Bilanțul de masă este corect: $68=32+36$ g, iar enzima nu apare în ecuație.

Exemplu rezolvat 2. Amilaza salivară hidrolizează amidonul la glucoză, după schema $({\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_5{)}_{\mathrm{n}}+\mathrm{n}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{n}{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6$. Câtă glucoză se obține din $81$ g amidon, la randament de $100\%$?

1. Unitatea de glucoză din amidon are $M=162$ g/mol, iar glucoza are $M=180$ g/mol.
2. $n=81/162=0,50$ mol unități de glucoză.
3. Se obțin $0,50\cdot 180=90$ g glucoză.

Clasificarea enzimelor are șase clase: oxidoreductaze, transferaze, hidrolaze, liaze, izomeraze și ligaze. Exemple: amilaza (saliva și sucul pancreatic) hidrolizează amidonul până la maltoză, pepsina (stomac) hidrolizează proteinele, tripsina (intestin) la fel, lipaza hidrolizează grăsimile, lactaza lactoza, zaharaza zaharoza, catalaza ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$.

Condiții optime. Enzimele umane lucrează la aproximativ $37{}^{\circ }\mathrm{C}$; peste $45$–$50{}^{\circ }\mathrm{C}$ proteinele se denaturează. Fiecare enzimă are un pH optim: pepsina aproximativ $2$ (mediu acid din stomac), amilaza salivară aproximativ $7$, tripsina aproximativ $8$. Viteza crește cu concentrația substratului până la saturarea enzimei. Un inhibitor competitiv seamănă cu substratul și ocupă locul activ.

Hormoni după natură chimică: peptidici sau proteici (insulina, glucagonul, hormonul de creștere), derivați de aminoacizi (adrenalina, tiroxina, care conține iod) și steroizi (cortizol, estradiol, testosteron). Insulina are două lanțuri (A cu $21$ de aminoacizi, B cu $30$) legate prin punți disulfurice. Hormonii steroizi, liposolubili, trec prin membrană și se leagă de receptori intracelulari; hormonii peptidici se leagă de receptori de pe membrană.

Exemplu de calcul. O soluție de apă oxigenată de $3\%$ ($100$ g) conține $3$ g ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$, adică $3/34=0,088$ mol. Catalaza o descompune după $2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2\to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_2$, deci rezultă $0,044$ mol ${\mathrm{O}}_2$, adică $0,044\cdot 22,4\approx 0,99$ L în condiții normale.

Complement grupat. Despre enzime și hormoni sunt date patru afirmații:

1. pepsina are pH optim acid;
2. insulina este un hormon steroid;
3. catalaza nu se consumă în reacția pe care o catalizează;
4. toate enzimele sunt lipide.

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte
• D. Numai 4 este corectă
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false

Afirmația 1 este adevărată, deoarece pepsina lucrează în sucul gastric acid. Afirmația 2 este falsă, deoarece insulina este un hormon peptidic. Afirmația 3 este adevărată: catalaza descompune ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$ și se regenerează. Afirmația 4 este falsă, deoarece enzimele sunt proteine, nu lipide. Răspuns corect: B.

Greșeli frecvente

• Greșit: Enzima se consumă stoechiometric în reacția catalizată.
  Corect: Enzima este regenerată în ciclul catalitic și nu apare în ecuația globală.
• Greșit: Toți hormonii sunt proteine.
  Corect: Există hormoni peptidici, derivați ai aminoacizilor și steroizi.
• Greșit: Încălzirea la $80{}^{\circ }\mathrm{C}$ face enzima mai activă.
  Corect: Peste temperatura optimă proteina se denaturează, iar activitatea scade până la zero.
• Greșit: O enzimă catalizează orice reacție dintr-o clasă de substanțe.
  Corect: Fiecare enzimă recunoaște un substrat anume; amilaza hidrolizează amidonul, nu celuloza.
• Greșit: Catalaza modifică produșii descompunerii apei oxigenate.
  Corect: Ea mărește viteza reacției, iar produșii rămân apa și oxigenul.

Înainte și după