Ιστορική αναδροµή 1833, Ρayen και Ρersoz, η πρώτη περίπτωση ενζυµικής αντίδρασης, διάσπαση του αµύλου από το ίζηµα, που προέκυψε από την επίδραση

Transcript

1 Ιστορική αναδροµή Η µελέτη των ενζύµων, ιδιαίτερο ενδιαφέρον, ο κλάδος που ασχολείται µε αυτήν, η Ενζυµολογία, σχετίζεται µε πάρα πολλές επιστήµες, αλλά σε µεγαλύτερο βαθµό µε τη Bιοχηµεία, τημοριακήβιολογία, τηφυσικοχηµεία, τη Μικροβιολογία, τηγενετική, τηφαρµακολογία, τη Παθολογία, τηφυσιολογία, τηνιατρικήκαιάλλες. Αν και η Ενζυµολογία έχει κυρίως αναπτυχθεί τις τελευταίες δεκαετίες, οι διεργασίες των ενζύµων ήταν γνωστές από τους αρχαίους χρόνους. Εφαρµογές των ενζύµων - χωρίς βέβαια να γνωρίζουν τηνύπαρξήτους -στιςπαρασκευέςτυριού, κρασιού, ξυδιού, ψωµιούκ.λπ.

2 Ιστορική αναδροµή 1833, Ρayen και Ρersoz, η πρώτη περίπτωση ενζυµικής αντίδρασης, διάσπαση του αµύλου από το ίζηµα, που προέκυψε από την επίδραση αιθανόλης σε εκχύλισµα βύνης. ιαστάση (από το ρήµα διίσταµαι) διαχωρίζει τις διαλυτές δεξτρίνες (α1-4) από τις αδιάλυτες(α1-6), στους κόκκους του αµύλου (σήµερα λέγεται αµυλάση). 1835, όρος κατάλυση, Σουηδό Βerzelius, λύω κάτι στα συστατικάτου (καταλύω). 1837, Βerzelius, µέσα στους ζωντανούς οργανισµούς γίνονται χιλιάδες καταλυτικές διεργασίες. 19 ος, Liebig, ηζύµωσηκαιοιπαρόµοιεςδιεργασίεςείναι αποτέλεσµα καθαρά χηµικών φαινοµένων, ενώ Ρasteur, η ζύµωση για να γίνει απαιτεί την παρουσία ζωντανώνκυττάρων. Ένζυµα : µη οργανωµένα φυράµατα Μικροοργανισµοί: οργανωµέναφυράµατα

3 Ιστορική αναδροµή 1878, όροςένζυµο, Κühne, εντόςτηςζύµης (ενζύµη) βρίσκονται οι ενώσεις που διαθέτουν την καταλυτική ικανότηταναπροκαλούνζύµωση. 1897, Βuchner, αλκοολική ζύµωση µε εκχύλισµα βύνης πουδενπεριείχεακέραιακύτταρα. 1894, Fischer, εξειδίκευση των ενζύµων και αντιστοιχία κλειδαριάς - κλειδιού για την αλληλεπίδραση ενζύµου υποστρώµατος. 1897, Βertrand, ύπαρξηµικροµοριακώνενώσεων, η παρουσία των οποίων είναι απαραίτητη για τη δράση ορισµένων ενζύµων και τα οποία µπορούσαν να αποµακρυνθούν από το παρασκεύασµα µε διαπίδυση (συνένζυµα).

4 Ιστορική αναδροµή 1898, Duclaux, συστηµατικήονοµασίατωνενζύµων, χρήση των τριών τελευταίων γραµµάτων (-αση) της διάστασης, σαν κατάληξη στη ρίζα που υποδηλώνει τη φύση του υποστρώµατος, στο οποίο δρα το ένζυµο. Έχει διατηρηθεί µέχρι σήµερα µε εξαίρεση ορισµένα πεπτικά ένζυµα, στα οποία είχε ήδη δοθεί η κατάληξη - ινη (π.χ. θρυψίνη, πεψίνηκ.λπ.). Εµφανίστηκε η αναγκαιότητα, το όνοµα να µην υποδηλώνει µόνο τη φύση του υποστρώµατος, αλλά και τη φύση της αντίδρασης. Tο πιο βασικό πρόβληµα της ενζυµολογίας, είναι ο µηχανισµός της δράσης των ενζύµων και η συσχέτιση της υψηλής και εξειδικευµένης καταλυτικής τους δράσης, µε τη χηµική τους δοµή.

5 Ιστορική αναδροµή 1902, Βrown και Ηenri, υπόθεση της ύπαρξης του συµπλόκου ενζύµου υποστρώµατος. 1913, ΜichaelisκαιΜentenκαι 1924, Βriggsκαι Ηaldane, ραγδέα ανάπτυξη της ενζυµικής κινητικής. 1922, Willstätter, ξεκίνησε καθαρισµός των ενζύµων. 1926, Summer, κρυστάλλωσητηςουρεάσης. Η κλασική αποµόνωση πρωτεολυτικών ενζύµων (Νorthrop) απέδειξε και την πρωτεϊνική φύση των ενζύµων. Λίγο πριν από το 2ο Παγκόσµιο Πόλεµο, εντατική µελέτη άλλων ενζύµων, εκτός από εκείνα της πέψης και της ζύµωσης, και πιο συγκεκριµένα των ενδοκυττάριων ενζύµων (ταπιοσηµαντικά).

6 Τα ένζυµα βοήθησαν στην εξήγηση πολλών βιοχηµικών µηχανισµών που γίνονται µέσα στα κύτταρα. Πιο πρόσφατες µελέτες διαλεύκαναν το µηχανισµό βιοσύνθεσης των ενζύµων και τουςτρόπουςµετουςοποίουςηχηµικήτους δοµή αντιπροσωπεύεται και καθορίζεται από το γενετικό υλικό των χρωµοσωµάτων.

7 Ταένζυµαβάσητηςζωής Ιδιαίτερο είδος καταλύτη, αφού έχουν βιολογική προέλευση (βιοκαταλύτες) µοναδική εξειδίκευση γιατουπόστρωµα γιατοείδοςτηςαντίδρασης. Η πρωταρχική σηµασία των ενζύµων είναι η σχέση τουςµετηζωή. Από όλες τις χηµικές διεργασίες που γίνονται µέσα σ ένα ζωντανό κύτταρο, ελάχιστες είναι εκείνες που δενεξαρτώνταιαπότηδράσητωνενζύµων. Εύκολα λοιπόν γίνεται κατανοητό ότι δεν µπορεί να υπάρξει ζωή χωρίς ένζυµα, αλλά δεν µπορούν να υπάρξουν και άλλες µορφές ζωής, ιοί κ.λπ.

8 Η δράση ενός ενζύµου είναι άρρηκτα συνδεδεµένη, µε τηνπρωτεϊνικήφύση. Υπάρχουν καταλυτικά µόρια, που δεν είναι πρωτεϊνικά, όπως τα καταλυτικά RΝΑ (µπορούν να υδρολύουν ή να αποκαθιστούν φωσφοδιεστερικούς δεσµούςσεάλλαµόρια RΝΑήστονεαυτότους) Υπερτερούν από τους υπόλοιπους καταλύτες λόγω: 1) Της µεγάλης δραστικότητάς τους. 2) Της ικανότητάς τους να επιταχύνουν τις αντιδράσεις περισσότερο από τους άλλους καταλύτες ( διάσπασης του υπεροξειδίου του υδρογόνου σε νερό και οξυγόνο, επιταχύνεται µερικές φορές µε την παρουσία µικρής ποσότητας σκόνης σιδήρου, αλλά επιταχύνεται χιλιάδες φορές µε την παρουσία ελάχιστης ποσότητας του ενζύµου καταλάση. 3)Της υψηλής τους εξειδίκευσης ως προς το υπόστρωµα

9 Η κατανοµή τους στα διάφορα υποκυτταρικά κλάσµατα (ανάλογα µε το βιολογικό τους ρόλο) παίζει σηµαντικότατο ρόλο π.χ. στη ρύθµιση του µεταβολισµού. Σύγκριση των ενζύµων σταδιάφοραόργαναή στο ίδιο όργανο στα διαφορετικά στάδια ανάπτυξης ή σταίδιαόργανασεδιάφοραείδη οδηγείσεσηµαντικέςπαρατηρήσεις. Υπάρχουναδιαµφισβήτητεςδιαφορέςστοµεταβολισµό, στη χηµική σύσταση και δοµή ανάµεσα στους διαφορετικούς ιστούς και σταδιάφοραείδη πουόλεςαντικατοπτρίζουνδιαφορέςσταένζυµα. Σύγκριση πολλών κυττάρων από πολύ διαφορετικά είδη δείχνει ότι υπάρχουν αξιοσηµείωτες οµοιότητες στα ένζυµα που περιέχουν.

10 Ταένζυµαέπαιξαντονπιοσηµαντικόρόλοστην εξελικτική πορεία, που οδήγησε στο σχηµατισµό της ζωής στη γη, καθώς επίσης και στην εξέλιξη στις σηµερινές µορφές ζωής. Το πρόβληµα της προέλευσης της ζωής ανάγεται στο πρόβληµα της προέλευσης των ενζύµων, το οποίο µε τη σειρά του σχετίζεται µε εκείνο της προέλευσης του γενετικού κώδικα. ενµπορείόµωςνααπαντηθείποιοαπότα παραπάνω προηγήθηκε. Οκώδικαςέχειλίγησηµασίαχωρίςταένζυµακαι τα άλλα συστατικά των ριβοσωµάτων. Ανηζωήυπήρχεσεµιαπρο-κώδικαεποχή, πώς υιοθετήθηκε παντού ο ίδιος κώδικας.

11 εv µετατοπίζουν τo σύστηµα από τηv κατάσταση ισoρρoπίας, αλλάεπιταχύvoυvτηvαπoκατάσταση ισoρρoπίας (µέχρικαι φoρές). Μιααντίδρασηχωρίςέvζυµo t 1/2 = 300 χρόvια, µεέvζυµo t 1/2 =1 sec. oλo-έvζυµo = απo-έvζυµo + συvέvζυµo (ή συµπαράγovτας) oλo-πρωτεΐvη (oλo-έvζυµo) = απo-πρωτεΐvη + πρoσθετική oµάδα συµπαράγοντας ενεργό κέντρο ένζυµο ενεργή περιοχή υπόστρωµα προϊόν

12 ιάγραµµα εvέργειας αvτίδρασης, πoυ καταλύεται από µη εvζυµικό καταλύτη και από έvζυµo. Ηµετατροπήτου SσεΡαπότοένζυµογίνεταισεπερισσότερα στάδια, µε αποτέλεσµα να µειώνονται τα επιµέρους φράγµατα ενέργειας. Με ένζυµο Με καταλύτη Χωρίς καταλύτη

13 Λόγω πρoσέγγισης τωv αvτιδρόvτων, συµβαίνουν περισσότερες απoτελεσµατικές - ωφέλιµες συγκρoύσεις. Αv και δεv είvαι γvωστές όλες oι λεπτoµέρειες γι' αυτά τα θέµατα, πιστεύεται ότι αvαλυτικά η όλη πoρεία είvαι η εξής : έσµευση τoυ συvέvζυµoυ ή της πρoσθετικής oµάδας από τo έvζυµo, για vα εvισχυθoύv oι δραστικές oµάδες τoυ εvεργoύ κέvτρoυ. έσµευση τoυ υπoστρώµατoς µε δεσµoύς oµoιoπoλικής ή µηφύσηςήµεάλλεςαλληλεπιδράσεις. έσµευση µέσα από περισσότερoυς τoυ εvός δεσµoύς τωvδραστικώv oµάδωvτoυεvεργoύκέvτρoυ, µε αvτίστoιχες τoυ υπoστρώµατoς. Εvτελώς καθoρισµέvη στo χώρo θέση του υποστρώµατοςµέσαστoεvεργόκέvτρo. Απoτέλεσµα αυτoύ η µεγάλη εξειδίκευση τωv εvζύµωvωςπρoςτoυπόστρωµα, π.χ. διακρίνεικαι oπτικούςαvτίπoδες (στερεoεξειδίκευση). Απεvεργoπoίησητωvεvζύµωvόταvµετoυσιωθoύv.

14 Οι πoλλαπλές αλληλεπιδράσεις - δεσµoί αvάµεσα στo υπόστρωµα και τo έvζυµo, πρoκαλoύv µια αvακαταvoµή τωvηλεκτρovίωv στηv περιoχή τoυ εvεργoύ κέvτρoυ και στη συvέχεια σε όλo τo έvζυµo. Για αυτό, πoλλές φoρές παρατηρείται αvαστoλή της δραστικότητας εvός εvζύµoυ, µετά από φαιvoµεvικά άσχετη αλλαγή της χηµικής δoµής τoυ εvζύµoυ (απόσπαση εvός τµήµατoς) πoυ βρίσκεται µακριά από τoεvεργόκέvτρo.

15 Στη γλώσσα της χηµικής εvεργητικής η συvισταµέvη αυτώvτωvµεταβoλώvλέγεται "εvεργoπoίηση" τoυ υπoστρώµατoς, δηλαδή µετάπτωση από τη "θεµελιώδη κατάσταση" σε µια "κατάσταση µετάπτωσης" ή µεταβατικής κατάστασης, ώστε vα ελαττωθεί τo φράγµα εvέργειας εvεργoπoίησης. Φράγµα ενέργειας ενεργοποίησης Χωρίς ένζυµο Κατάσταση µετάπτωσης Μεταβατική κατάσταση Θεµελιώδης κατάσταση

16 Στηγλώσσα της κβαvτικής βιoχηµείας σηµαίνει ότι σαvαπoτέλεσµα τωv παραπάvω και της αvακαταvoµής τωv ηλεκτρovίωv στoµόριo, µπoρεί vα πάψει vα υπάρχει κάπoιoς δεσµόςήvα σχηµατισθεί έvας άλλoς. Πρωτεάση σερίνης

17 Αv θέλει κανείς vα τα µεταφέρει όλα αυτάστoχώρo, θα µπoρoύσε vα πει ότι αλλάζει η χωρoδιάταξη τoυ πρωτεϊvικoύ µoρίoυ τoυ εvζύµoυ,όταv συvδέεται µε τo υπόστρωµα και έτσι αvαπτύσσovται τάσειςστoµόριo τoυ υπoστρώµατoς πoυ διευκoλύvoυv τηvαvτίδραση

18 Σύµφωναδεµετηθεωρία του Koshland, τoεvεργό κέvτρoτoυεvζύµoυδεvείvαι αρvητικόαvτίτυπoτoυ υπoστρώµατoς, αλλάµπoρεί vα απoκτήσει αvάλoγη διάταξηστoχώρo, διαδoχικά, µετά τη σύvδεση τωv συvεvζύµωvκαιτωv αvτιδρώvτωvσωµάτωv

19 ΕΞΕI IΚΕΥΣΗ ΕΝΖΥΜΩΝ Τα έvζυµα παρoυσιάζoυv: Εξειδίκευση ως πρoς τo υπόστρωµα απόλυτη εξειδίκευση (δρα µόvo σε έvα υπόστρωµα) υψηλής εξειδίκευσης (δρα σε λίγα υπoστρώµατα) χαµηλής εξειδίκευσης (δρα σε έvα σχετικά µεγάλo αριθµόυπoστρωµάτωv) Πάvτως, στις δύo τελευταίες περιπτώσεις, η ταχύτητα της αvτίδρασηςδεvείvαιίδιαµεόλαταυπoστρώµατα.

20 ΕΞΕI IΚΕΥΣΗ ΕΝΖΥΜΩΝ Εξειδίκευση ως πρoς τo υπόστρωµα Εξειδίκευση ως πρoς τηv αvτίδραση: ΜεεπίδρασηΟ 2 στηvακεταλδεΰδηλαµβάvoυvχώρα διάφoρες αvτιδράσεις πoυ όλες απελευθερώvoυv εvέργεια ( G<0, εξεργovικές), όλες µπoρεί vα γίvoυv. Έχoυv όµως διαφoρετική ταχύτητα και πoσoτικά η αvτίδρασηπρoχωρείπρoς CH 3 COOH σαvκύριoπρoϊόv. Στη γλώσσα της Οργαvικής Χηµείας λέγεται ότι µε oξείδωση της ακεταλδεΰδης παράγεται oξικό oξύ. Στη γλώσσα της Βιoχηµείας λέγεται ότι η κυριότερη µεταβoλική oδός oξείδωσης της ακεταλδεΰδης είvαι o σχηµατισµός oξικoύ. CH COOH 3 CH + CO 4 2 CH OH + CO 3 CH CHO + 1/2 O 3 2 2HCHO OHCCH OH 2 2C + 2H O 2

21 Αvτίστoιχα, τα έvζυµα επιλέγoυv µια µόvo από τις πoλλές αvτιδράσεις πoυ µπoρoύv vα γίvoυv και αυξάvoυvτηvταχύτητάτης. Υπάρχoυv όµως και λίγα έvζυµα, πoυ καταλύoυv δύo διαφoρετικές αvτιδράσεις. Έτσι, µπoρεί σε έvα µέρoς τoυ µoρίoυ vα βρίσκεται µια εvζυµική δράση και σε έvα άλλo µια άλλη δράση. Σήµερα, έχει βρεθεί έvας µικρός αριθµός τέτoιωv "πoλυλειτoυργικώvεvζύµωv".

22 ΡΥΘΜIΣΗ ΤΗΣ ΡΑΣΤIΚΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΕΝΖΥΜΩΝ Από τις άπειρες αvτιδράσεις πoυ µπoρoύv vα γίvoυv στη φύση, έχoυvεπιλεγείκάπoιες (πεπερασµέvoςαριθµός) για vαφέρovταισεπέρας oιλειτoυργίεςτoυµεταβoλισµoύ. Έτσι ελέγχεται και ρυθµίζεται o µεταβoλισµός και µάλιστα µε δύoτρόπoυς : Με κατάλληλη ρύθµιση της συγκέvτρωσης τωv εvζύµωv και Με ρύθµιση της δραστικότητας τωv εvζύµωv, µε εvεργoπoίηση - απεvεργoπoίηση τωv εvζύµωv, µε τους εξής τρόπους: 1) Με τρoπoπoίηση της δoµής τoυ εvζύµoυ Οµoιoπoλική µεταβoλή στηv πρωτoταγή δoµή Αλλoστερικήµεταβoλήστηδιαµόρφωσητηςδoµής. 2)Μεπεριoρισµέvηπρωτεόλυσητωvζυµoγόvωv (πρoεvζύµωv) και 3) Με τα ισoέvζυµα.

23 1α) Οµoιoπoλική µεταβoλή στηv πρωτoταγή δoµή Πoρείααµφίδροµηήµηαµφίδρoµη. Έχoυv µελετηθεί διάφoρες τέτoιες περιπτώσεις, όπωςµεφωσφoρυλίωση, ακετυλίωση, αδεvυλίωση, oυριδυλίωσηκ.λπ. 1β) Αλλoστερική µεταβoλή στη διαµόρφωση της δoµής Η ρύθµιση, µέσω αλλoστερισµoύ θα περιγράφεται µε λεπτoµέρειες σε επόµενο µάθηµα. 2)Περιoρισµέvηπρωτεόλυσητωvζυµoγόvωv (πρoεvζύµωv) Πoλλά έvζυµα (πρωτεoλυτικά κυρίως) παράγovται σε µoρφές αδραvείς ή πoλύ λίγo δραστικές και λέγovται ζυγoµόvα ή πρoέvζυµα. Μετατρέπovται δε στη δραστική τoυς µoρφή µετά από απόσπαση εvός ή λίγωv πεπτιδίωv.

24 3) Iσoέvζυµα Πρωτεΐvες µε διαφoρετική δoµή, πoυ καταλύoυv τηv ίδια αvτίδραση, µε διαφoρετική χηµική συγγέvεια (τάση σύvδεσης) µεταξύ υπoστρώµατoς και εvζύµoυ. Όταv έvα έvζυµo έχει τεταρτoταγή δoµή µε αvόµoιες υπoµovάδες, τότε από τoυς συvδυασµoύς αυτώv τωv υπoµovάδωvµπoρoύv vαπρoκύψoυvέvζυµαµείδια εξειδίκευση, αλλάδιαφoρετικήδραστικότητα, τα "ισoέvζυµα Η µελέτη τωv ισoεvζύµωv στα βιoλoγικά υγρά έχει βoηθήσει στηv κλιvική διάγvωση.

25 Κλασικό παράδειγµα η γαλακτική αφυδρoγovάση (LDH) (έvζυµoτoυ κυτoπλάσµατoς) πoυ πρoέρχεται από συvδυασµόδύoγεvετικά καθoρισµέvωv υπoµovάδωv, τηςη(πoυυπερέχει στηvκαρδιά - Heart) και τηςμ(πoυυπερέχει στoυς µύες - Μuscle). Τo κάθε ισoέvζυµo (Η 4, Η 3 Μ 1, Η 2 Μ 2, Η 1 Μ 3, Μ 4 ) έχειδιαφoρετικό ισoηλεκτρικό σηµείo