Εξερευνώντας τα Βιομόρια Ένζυμα: Βασικές Αρχές και Κινητική

Transcript

1 Εξερευνώντας τα Βιομόρια Ένζυμα: Βασικές Αρχές και Κινητική Βιοχημεία Βιομορίων Αθήνα 2015

2 Γενικές Ιδιότητες Ένζυμα : Βιολογικοί Καταλύτες Τα ένζυμα είναι πρωτεϊνικά μόρια Μικρή ομάδα καταλυτικών RNA H Καταλυτική ιδιότητα εξαρτάται από την διατήρηση της φυσικής διαμόρφωσης του βιομορίου Αποτελούν εξειδικευμένους καταλύτες

3 Ισοένζυμα Ένζυμα που απαντώνται σε πολλαπλές μορφές Κωδικοποιούνται από διαφορετικά γονίδια Τα ισοένζυμα διαφέρουν ως προς: Τις φυσικοχημικές ιδιότητες Την καταλυτική δραστηριότητα Απαιτούν διαφορετικούς συμπαράγοντες Ισοένζυμα απαντώνται: Στο ίδιο κύτταρο Σε διαφορετικά οργανίδια του ίδιου κυττάρου Σε διαφορετικούς ιστούς του ίδιου οργανισμού Σε διαφορετικά άτομα του ίδιου οργανισμού

4 Οργάνωση ενζύμων Μονομερή ένζυμα Μονο-, δι-, τρι-, ή πολυλειτουργικά ένζυμα Ολιγομερή ένζυμα Πολυενζυμικά συμπλέγματα Αποένζυμο: Πρωτεϊνικό τμήμα του ενζύμου Συμπαράγοντες: Μόρια μικρού σχετικά μοριακού βάρους που απαιτούνται για την δράση των ενζύμων. Ολοένζυμο: Σύμπλοκο ενζύμου-συμπαράγοντα Αποένζυμο: Πρωτεϊνικό μέρος του ενζύμου Ολοένζυμο Σύμπλοκο αποενζύνου και συμπαράγωντα

5 Οι συμπαράγοντες διακρίνονται σε: Συνένζυμα: Οργανικά μόρια μικρού μοριακού βάρους τα οποία συνδέονται με το αποένζυμο μέσω ασθενών αλληλεπιδράσεων Προσθετικές ομάδες: Οργανικά μόρια μικρού μοριακού βάρους τα οποία συνδέονται με το αποένζυμο μέσω ισχυρών αλληλεπιδράσεων Δεν αποχωρίζονται από το αποένζυμο Μεταλλικά ιόντα: Μεταλλοένζυμα περίπου το 30% των γνωστών ενζύμων Μg 2+, Mn 2+, Ca 2+, Zn 2+

6 Συνήθεις συμπαράγοντες : Νικοτιναμιδο-αδενινο-δινουκλεοτίδιο NAD + <-> NADH + H + Μεταφορά πρωτονίων από και προς τα υποστρώματα των ενζυμικών αντιδράσεων Φωσφορικό-νικοτιναμιδο-αδενινοδινουκλεοτίδιο NADP + <-> NADPH + H + Μεταφορά πρωτονίων από και προς τα υποστρώματα των ενζυμικών αντιδράσεων Συνένζυμο Α Μεταφορά σκελετών άνθρακα κατά μεταξύ υποστρωμάτων

7 Τα ένζυμα αποτελούν αποδοτικούς βιολογικούς καταλύτες Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα μιας χημικής αντίδρασης Θερμοκρασία Συγκέντρωση αντιδρώντων Ελεύθερη ενέργεια ενεργοποίησης Τα ένζυμα μεταβάλλουν μόνο την ταχύτητα και όχι την ισορροπία της αντίδρασης

8 Τα ένζυμα αποτελούν αποδοτικούς βιολογικούς καταλύτες

9 Ο σχηματισμός του συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος Ενεργό κέντρο: περιοχή που προσδένονται τα υποστρώματα 1. Το ενεργό κέντρο αποτελεί μια τρισδιάστατη εσοχή που σχηματίζεται από τις πλευρικές ομάδες πολλών αμινοξέων 2. Καταλαμβάνει μικρό σχετικά όγκο από το σύνολο του ενζύμου 3. Τα ενεργά κέντρα αποτελούν μοναδικά μικροπεριβάλλοντα

10 Ο σχηματισμός του συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος 4. Τα υποστρώματα αλληλοεπιδρούν με το ενεργό κέντρο με πολλαπλές ασθενείς αλληλεπιδράσεις 5. Η εξειδίκευση εξαρτάτε από την καθορισμένη τοποθέτηση των ατόμων στο ενεργό κέντρο Μοντέλο κλειδιού-κλειδαριάς Μοντέλο επαγόμενης προσαρμογής

11 Ονοματολογία και Κατάταξη των Ενζύμων Τα ένζυμα κατηγοριοποιούνται με βάση τον κωδικό EC (Enzyme Commission) EC a.b.c.d a: Είδος της αντίδρασης που καταλύει (1-6) b: Υποκατηγορία που αναφέρεται στον τύπο του υποστρώματος και του δεσμού c: Υπο-υποκατηγορία που επιτρέπει την πιο ακριβή περιγραφή των ομάδων που λαμβάνουν μέρος στη ενζυμική κατάλυση d: Αριθμός κατάταξης του ενζύμου στην υπο-υποκατηγορία

12 Κινητική Απλής Ενζυμικής Αντίδρασης Οι ενζυμικές αντιδράσεις παρουσιάζουν κορεσμό ως προς το υπόστρωμα Τα ένζυμα σχηματίζουν ένα παροδικό ενδιάμεσο σύμπλοκο με το υπόστρωμα Ορισμένη ποσότητα ενζύμου έχει περιορισμένο αριθμό θέσεων δέσμευσης υποστρώματος Ισχύει: Αποδεικνύεται ότι: V αντίδρασης = Κ 2 [ΕS]

13 Κινητική Απλής Ενζυμικής Αντίδρασης Εξίσωση των Michaelis-Menten Όπου: V max = μέγιστη ταχύτητα Κ m = σταθερά Michaelis (M) Αν [S] = K m τότε v = V max /2 Εάν [S]<<K m ισχύει v = V max [S]/K m H ταχύτητα ανάλογη της [S]

14 Εξίσωση Lineweaver-Burk Κινητική Απλής Ενζυμικής Αντίδρασης

15 Κινητική Ρυθμιστικών Ενζύμων

16 Αναστολή Ενζυμικής Δραστηριότητας Αναστολείς (Inhibitors): Ενώσεις μικρού μοριακού βάρους που μειώνουν την δραστικότητα των ενζύμων μέσω διαφόρων μηχανισμών Μη-αντιστρεπτή Αναστολή Αντιστρεπτή Αναστολή Συναγωνιστική Αναστολή (Competitive Inhibition) Ασυναγώνιστη Αναστολή (Uncompetitive Inhibition) Μη-συναγωνιστική Αναστολή (Non-competitive Inhibition)

17 Αναστολή Ενζυμικής Δραστηριότητας Αναστολείς (Inhibitors): Ενώσεις μικρού μοριακού βάρους που μειώνουν την δραστικότητα των ενζύμων μέσω διαφόρων μηχανισμών Μη-αντιστρεπτή Αναστολή Αντιστρεπτή Αναστολή Συναγωνιστική Αναστολή (Competitive Inhibition) Ασυναγώνιστη Αναστολή (Uncompetitive Inhibition) Μη-συναγωνιστική Αναστολή (Non-competitive Inhibition)

18 Συναγωνιστική Αναστολή (Competitive Inhibition) Συναγωνιστικός αναστολέας Εξειδικευμένη πρόσδεση στο ενεργό κέντρο, όπου συναγωνίζεται την δέσμευση του υποστρώματος. Η αναστολή αίρεται με αύξηση της [S]. Αύξηση της K m Διατήρηση της V max

19 Μη-συναγωνιστική Αναστολή (Non-competitive Inhibition) Μη-συναγωνιστικός αναστολέας Δεσμεύεται στο Ε ή στο ΕS σε θέση διαφορετική από το υπόστρωμα. Το σύμπλοκο ESI δεν οδηγεί στο σχηματισμό προϊόντος. Η αναστολή δεν αίρεται με αύξηση της [S]. Η Km παραμένει σταθερή H Vmax μειώνεται ανάλογα με τη συγκέντρωση του αναστολέα

20 Ασυναγώνιστη Αναστολή (Uncompetitive Inhibition) Ασυναγώνιστος αναστολέας Δεσμεύεται μόνο στο ES σε θέση διαφορετική από το υπόστρωμα. Η αναστολή δεν αίρεται με αύξηση της [S]. Μείωση της Vmax, Μείωση της Km.