Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Τμήμα Χημείας Καθηγητής Ιωάννης Ρούσσης ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ ΚΑΙ ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΚΑΤΑΤΑΞΗ ΚΑΙ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΕΝΖΥΜΩΝ

Ένζυμα Τα ένζυμα είναι λειτουργικές πρωτεΐνες (καταλύτες), που έχουν την ικανότητα να δεσμεύουν εκλεκτικά ligands, τα υποστρώματα. Αυτό συνεπάγεται χημική μεταβολή του υποστρώματος, ενώ το υπόστρωμα στο τέλος παραμένει αμετάβλητο. Για τον προσδιορισμό της καταλυτικής δράσης χρησιμοποιείται η διεθνής μονάδα, IU, που ορίζεται ως το ποσό του ενζύμου που μετατρέπει 1μmol υποστρώματος ανά λεπτό, υπό καθορισμένες συνθήκες. Η θερμοκρασία ορίζεται, ενώ οι άλλοι παράγοντες (όπως το pΗ και ησυγκέντρωση υποστρώματος) είναι οι βέλτιστοι. Τα ένζυμα έχουν δύο ονομασίες, μία συστηματική και μία κοινή. Τα συστηματικά ονόματα αποτελούνται από δύο μέρη. Το πρώτο είναι το όνομα του υποστρώματος και το δεύτερο αναφέρεται στο είδος της αντίδρασης, και καταλήγει σε -άση. Τα κοινά ονόματα, που μοιάζουν με τα συστηματικά, είναι πιο απλά. Σε αυτά, ορισμένα πρωτεολυτικά ένζυμα έχουν την κατάληξη -ίνη αντί της -άσης. Παράδειγμα, το κοινό όνομα της οξειδοαναγωγάσης του γαλακτικού: NAD είναι γαλακτική δεϋδρογονάση.

Τα ένζυμα κατατάσσονται σε έξι μεγάλες κατηγορίες (Διεθνής Ένωση Βιοχημείας) 1. Οξειδοαναγωγάσες (οξείδωση ή αναγωγή υποστρώματος) 2. Τρανσφεράσες (μεταφορά ομάδας) 3. Υδρολάσες (υδρόλυση υποστρώματος) 4. Λυάσες (μη υδρολυτική αφαίρεση ομάδων από υποστρώματα, είτε προσθήκη ομάδων σε διπλούς δεσμούς) 5. Ισομεράσες (ενδομοριακές μεταβολές στο υπόστρωμα) 6. Λιγάσες ή συνθετάσες (σύνθεση ουσιών από απλούστερα μόρια)

Κάθε κατηγορία υποδιαιρείται περαιτέρω Κάθε κατηγορία υποδιαιρείται περαιτέρω. Έτσι, σε κάθε ένζυμο αντιστοιχεί ένας κωδικός EC WXYZ όπου: EC, Enzyme Commission number system, W, δείχνει την κατηγορία (αντίδραση) (1 -6), Χ, δείχνει την υποκατηγορία (το υπόστρωμα ή την ομάδα που εμπλέκεται), Υ, δείχνει την υπο-υπο-κατηγορία (το ειδικό υπόστρωμα ή το συνένζυμο), Ζ, δείχνει τον αριθμό σειράς του ενζύμου (αριθμός σειράς στην υπο-υπο-κατηγορία). Παράδειγμα, αλκοολική δεϋδρογονάση: NADP, EC 1.1.1.2. EC, Enzyme Commission (number system), 1, οξειδοαναγωγάση, 1.1, δρουν σε ομάδα -CHOH του δότη, 1.1.1, με NAD+ η NADP+ ως αποδέκτη, 1.1.1.2, αριθμός σειράς του ενζύμου.

Τις αντιδράσεις καταλύουν τα ένζυμα μόνα τους ή με την βοήθεια των συνενζύμων (οργανικές ενώσεις). Το συνένζυμο παίζει τον ρόλο του δότη ή δέκτη ομάδων, ηλεκτρονίων κ.α., που μεταφέρονται προς ή από το υπόστρωμα. Το σύμπλοκο αποενζύμου-συνενζύμου καλείται ολοένζυμο. Η δράση του ενζύμου συνίσταται στη δημιουργία συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος με χαμηλότερη ενέργεια ενεργοποίησης, με τον κατάλληλο προσανατολισμό των μορίων. Η ενέργεια ενεργοποίησης (ΔG) σχετίζεται με την ενθαλπία (ΔΗ) (περιεκτικότητα σε θερμότητα) και με την εντροπία (ΔS) (βαθμός αταξίας) και την θερμοκρασία. ΔG=ΔΗ-ΤΔS. Στις ενζυμικές αντιδράσεις υπάρχει κέρδος εντροπίας.

Για τις καταλυτικές ιδιότητες των ενζύμων έχουν αναφερθεί οι στατικές θεωρίες (το υπόστρωμα προσαρμόζεται στο ενεργό κέντρο των ενζύμων), οι ημιστατικές (η δέσμευση του υποστρώματος στο ένζυμο έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία τάσης ή παραμόρφωσης δεσμού) και οι δυναμικές (το ένζυμο και το υπόστρωμα βρίσκονται σε συνεχή θερμική κίνηση). Οι δυνάμεις με τις οποίες δημιουργούνται τα σύμπλοκα ενζύμων-υποστρωμάτων είναι συνήθως ασθενείς (ιονικοί δεσμοί, δεσμοί υδρογόνου, υδρόφοβοι δεσμοί), ενώ μπορεί να σχηματισθούν και ομοιοπολικοί δεσμοί (π.χ. με -ΟΗ σερίνης ή –SH κυστεïνης). Οι αλληλεπιδράσεις ενζύμου-υποστρώματος συμβαίνουν σε συγκεκριμένη περιοχή του ενζύμου, το ενεργό κέντρο. Το ενεργό κέντρο του ενζύμου είναι ο "τόπος" που λαμβάνει χώρα η αντίδραση (το μέγεθος του ενζύμου είναι συνήθως πολύ πιο μεγάλο από το υπόστρωμα).

Η επίδραση της θερμοκρασίας στην ταχύτητα της ενζυμικής αντίδρασης αφορά την καταλυόμενη αντίδραση (χαμηλές θερμοκρασίες) και την θερμική μετουσίωση του ενζύμου (υψηλές θερμοκρασίες). Διάφορα χημικά δρουν ως τροποποιητές της ενζυμικής δράσης. Οι αναστολείς διακρίνονται σε αντιστρεπτούς (με αφαίρεση τους επανακτάται η ενζυμική δραστικότητα) και μη αντιστρεπτούς, που συνήθως λαμβάνει χώρα ομοιοπολική δέσμευση (δεν απομακρύνεται με ήπια μέσα). Οι ενεργοποιητές διακρίνονται σε απαραίτητους και μη απαραίτητους.

Τα ένζυμα χαρακτηρίζονται από εξειδίκευση (οφείλεται στο ενεργό κέντρο και στη δυνατότητα δημιουργίας συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος). Σύμφωνα με την «επαγώγιμη προσαρμογή», η δέσμευση του υποστρώματος με το ένζυμο επάγει η προκαλεί μεταβολή στη διαμόρφωση του ενεργού κέντρου, τέτοια ώστε να μπορέσει να προχωρήσει η αντίδραση. Την ειδίκευση των ενζύμων μπορούμε να την διακρίνουμε σε απόλυτη (ένα μόνο υπόστρωμα), υψηλή (μικρός αριθμός υποστρωμάτων) και χαμηλή (μεγάλη ποικιλία υποστρωμάτων). Ακόμη, υπάρχει η στερεοχημική εξειδίκευση των ενζύμων.

Ένζυμα που απαντώνται στα τρόφιμα Από τις έξι κατηγορίες των ενζύμων αυτά που έχουν μεγαλύτερη σημασία στα τρόφιμα είναι οι υδρολάσες και οι οξειδορεδουκτάσες, και σε μικρό βαθμό οι ισομεράσες. Αντίθετα, οι τρανσφεράσες, οι λυάσες και οι λιγάσες, δεν παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον για τα τρόφιμα.

Υδρολάσες Πρωτεολυτικά ένζυμα Εστεράσες Καρβοξυλεστεράσες: λιπάσες, εστεράσες, φωσφολιπάσες Φωσφορικές υδρολάσες: φωσφολιπάσες, πηκτινεστεράσες Γλυκοζιτάσες: αμυλάσες, κυτταρινάσες, πολυγαλακτουρονάσες, σουκράση, λακτάση Οξειδορεδουκτάσες Καταλάση Υπεροξειδάση Οξειδάση γλυκόζης Λιποξειγενάση Πολυφαινυλοξειδάση Ισομεράσες Ισομεράση γλυκόζης

Υδρόλυση πεπτιδικού δεσμού Τα πρωτεολυτικά ένζυμα διακρίνονται σε πρωτεινάσες (υδρόλυση μεγάλων μορίων) και πεπτιδάσες, όπως δι-, τρι-, αμινο-, καρβοξυλ- πεπτιδάσες. Οι πεπτιδάσες που δρουν σε εσωτερικό πεπτιδικό δεσμό καλούνται ενδοπεπτιδάσες και αυτές που δρουν σε ακραίο πεπτιδικό δεσμό εξωπεπτιδάσες. Οι εξωπεπτιδάσες διακρίνονται σε αμινοπεπτιδάσες και καρβοξυλπεπτιδάσες, εάν υδρολύουν από το αμινοτελικό ή το καρβοξυλτελικό άκρο, αντίστοιχα.

Στις καρβοξυλεστεράσες ανήκουν οι κοινές εστεράσες και οι λιπάσες που υδρολύουν λίπη. Οι εστεράσες υδρολύουν διαλυτά υποστρώματα, σε αντίθεση με τις λιπάσες που δρουν στην ενδοεπιφάνεια λίπους-νερού (γαλακτοποιημένα υποστρώματα). Μερικές λιπάσες σχηματίζουν εστέρες αρώματος από αλκοόλη και λιπαρά οξέα. Μερικές λιπάσες καταλύουν την ανταλλαγή ακυλίων στα τριγλυκερίδια. Στις καρβοξυλεστεράσες ανήκουν επίσης οι φωσφολιπάσες Β και Α, όπως και οι πηκτινεστεράσες. Οι φωσφορικές υδρολάσες (υδρολάσες φωσφορικών μονοεστέρων και υδρολάσες φωσφορικών διεστέρων) υδρολύουν φωσφορικούς εστέρες. Στις υδρολάσες φωσφορικών διεστέρων ανήκουν οι φωσφολιπάσες D και C.

Οι γλυκοζιτάσες υδρολύουν γλυκοζιτικούς δεσμούς Οι αμυλάσες υδρολύουν το άμυλο Οι α-αμυλάσες υδρολύουν α-1,4-γλυκοζιτικούς δεσμούς στο εσωτερικό του υποστρώματος, και λαμβάνονται ολιγοζαχαρίτες με 2-6 μονομερή. Οι β-αμυλάσες απομακρύνουν μονάδες μαλτόζης (γλυκόζη-γλυκόζη) από το μη ανάγον άκρο του πολυζαχαρίτη (α-1,4-δεσμούς). Οι γλυκοαμυλάσες απομακρύνουν μονάδες γλυκόζης από το μη ανάγον άκρο της αλυσίδας. Υδρολύουν α-1,4-δεσμούς και επίσης α-1,6-δεσμούς με μικρότερη ταχύτητα.

Δράση αμυλασών

Οι κυτταρινάσες υδρολύουν την κυτταρίνη Στις κυτταρινάσες ανήκουν οι β-1,4-γλουκανάσες και οι β-γλυκοσιδάσες. Οι β-1,4-γλουκανάσες διακρίνονται σε έξω- (αποσπούν γλυκόζη από το μη ανάγων άκρο) και ενδο-γλουκανάσες (δρουν στο εσωτερικό της αλυσίδας). Οι β-γλυκοσιδάσες δρουν σε μικρότερου μοριακού βάρους προϊόντα.

Στα ένζυμα που διασπούν τις πηκτίνες ανήκουν οι πηκτινεστεράσες (καρβοξυλεστεράσες) και οι πολυγαλακτουρονάσες (γλυκοζιτάσες).

Στις γλυκοζιτάσες ανήκουν και άλλα ένζυμα, όπως η β-φρουκτοφουρανοσιδάση (σουκράση), σουκρόζη + ΗΟΗ  γλυκόζη + φρουκτόζη, και η β-γαλακτοσιδάση (λακτάση), λακτόζη + ΗΟΗ  γλυκόζη + γαλακτόζη.

Η καταλάση καταλύει την αντίδραση 2Η2Ο2 ——>2Η2Ο + Ο2, στην οποία ένα μόριο Η2Ο2 δρα ως δότης και ένα δεύτερο ως δέκτης ατόμου υδρογόνου. Η υπεροξειδάση καταλύει την αντίδραση Η2Ο2 + ΑΗ2 ——>2Η2Ο + Α, στην οποία το Η2Ο2 δρα ως αποδέκτης ατόμου υδρογόνου, και μία άλλη ένωση, ΑΗ2, δρα ως δότης ατόμου υδρογόνου.

Η λιποξειγενάση καταλύει την παρακάτω αντίδραση Υπάρχουν τρεις τουλάχιστον ανεπιθύμητες δράσεις λιποξειγενάσης στα τρόφιμα, α) η καταστροφή λιπαρών οξέων όπως λινελαϊκό, λινολενικό και αραχοδονικό, β) οι ελεύθερες ρίζες που παράγονται καταστρέφουν άλλες ενώσεις όπως βιταμίνες και πρωτεΐνες, και γ) η ανάπτυξη αρνητικού αρώματος και γεύσης.

Η οξειδάση γλυκόζης καταλύει την οξείδωση της D-γλυκόζης σε D –γλυκονο-δ-λακτόνη, παρουσία μοριακού οξυγόνου, και στη συνέχεια σε υπεροξείδιο του υδρογόνου. Επίσης, με άλλη πορεία λαμβάνεται D-γλυκονικό οξύ.

Η οξειδάση του ασκορβικού οξέος καταλύει την αντίδραση 2 L-ασκορβικό + O2   2 δευδρο-ασκορβικό + 2 H2O Από το δεϋδροασκορβικό οξύ στη συνέχεια μπορεί να προκύψει το 2,3-δικετογουλονικό οξύ, που οδηγεί σε αντιδράσεις αμαύρωσης. Η πολυφαινυλοξειδάση οξειδώνει μονοφαινολικές και ο-διφαινολικές ενώσεις. Διακρίνονται δύο δράσεις. Η υδροξυλίωση μονοφαινολών καλείται δραστικότητα κρεσολάσης. Η οξείδωση ο-διφαινολών προς κινόνες καλείται δράση κατεχολάσης.

Η ισομεράση της γλυκόζης καταλύει την ισομερίωση της γλυκόζης σε φρουκτόζη, δηλαδή αλδόζης σε κετόζη.