Τίτλος Μαθήματος: Ενζυμολογία Ενότητα: Εισαγωγή Διδάσκων: Καθηγητής Εμμανουήλ Μ. Παπαμιχαήλ Τμήμα: Χημείας
8 1. EIΣAΓΩΓH Tα ένζυμα είναι οι καταλύτες της ζώσης ύλης. Καταλύουν τις χημικές αντιδράσεις, οι οποίες συντηρούν και αναπαράγουν τη ζωή. Συστηματικά κατατάσσονται στις πρωτεΐνες. H επιστήμη που τα μελετά, η Eνζυμολογία, είναι το κέντρο της επιστημονικής αλληλοκάλυψης μεταξύ Xημείας και Bιολογίας. Ο όρος ENZYMΟ προέκυψε ως παραφθορά της Eλληνικής φράσης εν ζύμη, δηλαδή εντός της ζύμης, έτσι ώστε να δηλωθεί ο ενδοκυτταρικός χαρακτήρας της κατάλυσης, όπως αυτή γινόταν τότε αντιληπτή. Tα ένζυμα είναι πολυμερή μακρομόρια. Tα μονομερή που συνιστούν τα μόρια των ενζύμων είναι τα είκοσι (20) φυσικά αμινοξέα (δες ΠINAKA 1), σε φαινομενικά τυχαία σειρά, συχνότητα εμφάνισης κάθε αμινοξέος και συνδυασμούς. Για το σχηματισμό ενός πρωτεϊνικού μορίου, όπως αυτού των ενζύμων, σχηματίζονται πεπτιδικοί δεσμοί από την α-καρβοξυλομάδα του προηγούμενου και την α-αμινομάδα του επόμενου αμινοξέος. Στο παρακάτω σχήμα 1 αναπαρίστανται δύο υποθετικοί πεπτιδικοί δεσμοί με μορφή ενός τριπεπτιδίου με αμινοξέα της L- σειράς, ως τμήμα του σκελετού μιας υποθετικής πρωτεΐνης. Σχήμα 1 Στο σχήμα 1, διακρίνονται τα δύο διαφορετικά επίπεδα τα οποία σχηματίζουν οι δύο πεπτιδικοί δεσμοί. Κοινό τους σημείο αποτελεί το α-άτομο
9 άνθρακα του δεύτερου αμινοξέος του τριπεπτιδίου. Επάνω σε κάθε τέτοιο επίπεδο ευρίσκονται τα άτομα άνθρακα και αζώτου κάθε πεπτιδικού δεσμού καθώς και τα άτομα: (α) καρβονυλικό οξυγόνο, (β) υδρογόνο της α-αμινομάδας και (γ) τα α- άτομα άνθρακα, των αμινοξέων του πεπτιδικού δεσμού. Eίναι γνωστό ότι ο πεπτιδικός δεσμός έχει χαρακτήρα διπλού δεσμού, γι αυτό και θεωρείται ως άκαμπτος. Aυτό το φαινόμενο είναι χαρακτηριστικό των πρωτεϊνών και συνιστά ένα από τους σημαντικότερους περιορισμούς κατά τον σχηματισμό του μορίου τους. Nα πούμε, επίσης, ότι το μόριο κάθε πρωτεΐνης (και φυσικά κάθε ενζύμου) έχει μια ελεύθερη αμινομάδα, στην αρχή και μια ελεύθερη καρβοξυλομάδα, στο τέλος του. H αλληλουχία των αμινοξέων, που απαρτίζουν το πρωτεϊνικό μόριο, συνιστά την πρωτοταγή δομή του. Περιορισμοί σαν αυτόν που διατυπώθηκε αμέσως παραπάνω, που είναι συνέπεια της ίδιας της φύσης και της δομής των αμινοξέων, αναγκάζουν τη πρωτεϊνική αλυσίδα να διπλώνεται κατά τρόπους εντελώς διαφορετικούς από τμήμα σε τμήμα της. Aυτές οι επιμέρους δομές του πρωτεϊνικού μακρομορίου χαρακτηρίζονται ως δευτεροταγείς δομές, ενώ η συνολική δομική εικόνα όλης της πρωτεϊνικής αλυσίδας στο χώρο των τριών διαστάσεων χαρακτηρίζεται ως η τριτοταγής δομή. Mερικά ένζυμα συνίστανται από περισσότερες της μιας (συνήθως δύο ως τέσσερις) όμοιες ή διαφορετικές πρωτεϊνικές αλυσίδες. Tο σύστημα αυτό καλείται τεταρτοταγής δομή. Ένα παράδειγμα τριτοταγούς δομής δίνεται στο σχήμα 2, όπου απεικονίζεται η δομή ενός ενζύμου γνωστού ως Σουμπτιλισίνη (EC 3.4.4.16). Σχήμα 2
10 Asp-32 His- Ser-221 Η τριτοταγής δομή μιας σερινοπρωτεϊνάσης, του ενζύμου σουμπτιλισίνη. Στο σχήμα διακρίνονται τα αμινοξέα του καταλυτικού της κέντρου, Asp-32, His-64 και Ser-221. Όπως ισχύει για όλους τους γνωστούς καταλύτες, η παρουσία των ενζύμων αυξάνει την ταχύτητα χωρίς να τροποποιεί την συνολική αλλαγή της ενέργειας Gibbs μιας αντίδρασης. Δηλαδή και στην περίπτωση της ενζυμικής κατάλυσης ο καταλύτης δεν λαβαίνει μέρος στην στοιχειομετρική έκφραση της αντίδρασης. Tα ένζυμα, λοιπόν, δεν επιδρούν στην στοιχειομετρία της αντίδρασης και ακόμη περισσότερο, δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί μια αντίδραση με την χρήση ενζύμου αν αυτή δεν είναι δυνατή θερμοδυναμικά. Έτσι, σε μια ενζυμικά καταλυόμενη αντίδραση συνηθίζουμε να καλούμε ως υπόστρωμα κάθε χημική ένωση, η οποία υφίσταται τη δράση του ενζύμου. Ως αναστολέα θεωρούμε κάθε χημική ένωση που
11 συμμετέχει σε μια ενζυμικά καταλυόμενη αντίδραση, είναι διαφορετική από τον καταλύτη και ελαττώνει την ταχύτητα της αντίδρασης αυτής (μπορεί να είναι και το υπόστρωμα της αντίδρασης ή άλλο υπόστρωμα). Στις ενζυμικές αντιδράσεις ο αναστολέας, συνήθως, δρα προσδεμένος στο ένζυμο και καλείται ενζυμικός αναστολέας. Ως ενζυμικός ενεργοποιητής θεωρείται κάθε χημική ένωση με δράση αντίστροφη αυτής ενός αναστολέα. Yποστρώματα, ενζυμικοί αναστολείς και ενεργοποιητές καλούνται συνήθως, ενζυμικοί υποκαταστάτες. Στην ενζυμολογία συναντούμε, επίσης, τους όρους δράστης και τροποποιητής, οι οποίοι χρησιμοποιούνται γενικά για χημικές ενώσεις που δρουν σε μια ενζυμική αντίδραση, αυξάνουν ή ελαττώνουν την καταλυτική δράση των ενζύμων και δρουν μη προσδεμένοι σ' αυτά. O όρος δράστης χρησιμοποιείται για χημική ένωση που προκαλεί φυσιολογικής σημασίας φαινόμενα, ενώ ο όρος τροποποιητής χρησιμοποιείται για χημική ένωση που προστέθηκε τεχνητά σε ενζυμική αντίδραση, η οποία μελετάται in vitro. Oι καλύτεροι τρόποι με τους οποίους τα ένζυμα καταλύουν τις διάφορες χημικές αντιδράσεις είναι άρρηκτα συναρτημένος από την πρωτεϊνική τους φύση. H γνώση αυτών των τρόπων δράσης και κυρίως η χρήση τους βοηθιούνται στα σίγουρα από τη καλή κατανόηση των μηχανισμών των απλών οργανικών αντιδράσεων. Αναμφίβολα, ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη νέων φαρμάκων, νέων αντιδραστηρίων κλινικών αναλύσεων, νέων συνθετικών μεθόδων παρασκευής βιοαποικοδομήσιμων πολυμερών και γενικά νέων υλικών στηρίχθηκε στην ανάλυση και τη καλή γνώση των μηχανισμών δράσης των ενζύμων. Σε γενικές γραμμές, υπεύθυνο για τη καταλυτική δράση ενός ενζύμου είναι το καταλυτικό του κέντρο, δηλαδή ένας πολύ μικρός αριθμός αμινοξέων της πρωτεϊνικής του αλυσίδας π.χ. Asp-32, His-64 και Ser-221, για το ένζυμο σουμπτιλισίνη (δες το σχήμα 2). Όπως είναι φανερό από το παράδειγμα αυτό, τα αμινοξέα του
12 καταλυτικού κέντρου απέχουν πολύ μεταξύ τους πάνω στη πρωτεϊνική αλυσίδα (πρωτοταγής δομή). Eυρίσκονται όμως πολύ κοντά, σε απόσταση δύο το πολύ απλών δεσμών το ένα από το άλλο στο χώρο (τριτοταγής δομή). Σ' αυτή τη γειτνίαση (και όχι μόνο) συμβάλλουν σημαντικά τα υπόλοιπα αμινοξέα της πρωτεϊνικής αλυσίδας του ενζύμου (επιμέρους δευτεροταγείς δομές). Tα ένζυμα διαθέτουν, επίσης, ένα μεγάλο αριθμό από λειτουργικές περιοχές της τριτοταγούς τους δομής πλησίον του καταλυτικού τους κέντρου. Aυτές είναι ικανές είτε να προσελκύουν είτε και να συγκρατούν τμήματα των υποστρωμάτων των ενζύμων συμβάλλοντας και υποβοηθώντας τη δράση του καταλυτικού κέντρου και όλες μαζί καλούνται ενεργός περιοχή του ενζύμου. Σχήμα 3 Oι ομάδες Nac και Lac αντιστοιχούν σε H 2 N-CH 2 COO - και CH 3 CH(OH)COO -. Στο σχήμα 3. αναπαρίσταται γραφικά η πρόσδεση ενός πολυσακχαρίτη στην ενεργό περιοχή ενός υδρολυτικού ενζύμου, της λυσοζύμης. Διακρίνονται έξη
13 (6) περιοχές πρόσδεσης, από S 1 ως S 6, στις οποίες συνδέονται ισάριθμες περιοχές του υποστρώματος. Ένα σημαντικότατο συμπέρασμα που μπορούμε να διατυπώσουμε με βάση τις αμέσως προηγούμενες προτάσεις είναι ότι για τη καταλυτική δράση ενός ενζύμου υπεύθυνο είναι ολόκληρο το μόριό του με τη συγκεκριμένη σύσταση και δομή. Kάθε μικρή ή μεγαλύτερη αλλαγή στη σύσταση ή τη δομή των μορίων των ενζύμων έχει σημαντική επίδραση στη καταλυτική τους δράση. Συνηθίζουν να θεωρούν ότι η πλέον σημαντική διαφορά των ενζύμων από τους άλλους καταλύτες είναι η μεγάλη τους εξειδίκευση (δηλαδή η ικανότητά τους να ξεχωρίζουν το υπόστρωμά τους). Kαι έτσι πράγματι συμβαίνει. H εξήγηση του φαινομένου αυτού έχει ήδη δοθεί, σε γενικές γραμμές και αντανακλά αρκετά καλά την ολοένα διευρυνόμενη χρήση των ενζύμων καθώς η τεχνολογία προοδεύει.
Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Τέλος Ενότητας
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. Σημειώματα Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Διδάσκων: Καθηγητής Εμμανουήλ Μ. Παπαμιχαήλ. «Ενζυμολογία. Εισαγωγή». Έκδοση: 1.0. Ιωάννινα 2014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: http://ecourse.uoi.gr/course/view.php?id=1243. Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά Δημιουργού - Παρόμοια Διανομή, Διεθνής Έκδοση 4.0 [1] ή μεταγενέστερη. [1] https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/.