Ενέργεια Τι είναι η ενέργεια; Ενέργεια είναι η ικανότητα επιτέλεσης έργου ή η αιτία της εµφάνισης των φυσικών, χηµικών και βιολογικών φαινοµένων. Είναι απαραίτητη; Η ενέργεια είναι απαραίτητη για τους οργανισµούς, διότι χωρίς αυτή δε θα υπήρχε ζωή.
Κάποιοι προβληματισμοί!!! Πόση ενέργεια είναι διαθέσιµη; Από πού εξασφαλίζουν την ενέργειά τους οι οργανισµοί; Ποια είναι η τύχη της ενέργειας που χρησιµοποιούν οι οργανισµοί; 1ος Νόµος της Θερµοδυναµικής Το ολικό ποσό ενέργειας στο σύµπαν είναι σταθερό. Η ενέργεια δε µπορεί να δηµιουργηθεί από το µηδέν, ούτε και να καταστραφεί, αλλά µπορεί να µετατραπεί από τη µια µορφή στην άλλη. 2ος Νόµος της Θερµοδυναµικής Κατά τις µετατροπές της ενέργειας από τη µια µορφή στην άλλη, ένα µέρος της µετατρέπεται σε µορφή ενέργειας που δε µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την παραγωγή βιολογικού έργου αλλά σε µορφή που προάγει συνεχώς την αταξία στο σύµπαν.
Ροή της ενέργειας μέσα στους οργανισμούς
Χαρακτηριστικά θερμότητας Θεωρείται ενέργεια στην πιο αποδιοργανωµένη µορφή που προάγει την αταξία της ύλης Μπορεί να επιτελέσει έργο µόνον, όταν υπάρχει διαφορά θερµοκρασίας µεταξύ δύο περιοχών (όμως στα κύτταρα αδυνατεί να επιτελέσει βιολογικό έργο αφού διατηρούν οµοιόµορφη θερµοκρασία σ όλη τη µάζα τους).
Ταύτιση των οργανισμών με το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής
Βιοχημικές αντιδράσεις Στα κύτταρα επιτελούνται ταυτόχρονα χιλιάδες χημικές αντιδράσεις (οι περισσότερες είναι αµφίδροµες) κατά τις οποίες: Διασπώνται μεγαλομόρια σε απλούστερα π.χ διασπάσεις (υδρολύσεις) των βιοµορίων Συνθέτονται νέα μόρια από απλά π.χ Οι βιοσυνθέσεις (συµπυκνώσεις) Το σύνολο αυτών των βιοχηµικών αντιδράσεων που γίνονται σ ένα κύτταρο ή σ ένα πολυκύτταρο οργανισµό, ονοµάζεται µεταβολισµός
Μεταβολισμός Καταβολισµός: χηµικές ενώσεις διασπώνται σε απλούστερα µόρια µε παράλληλη συνήθως απελευθέρωση ενέργειας, (π.χ η υδρόλυση του αμύλου σε γλυκόζες) Αναβολισµός: Από απλά µόρια συντίθενται πολύπλοκα µόρια, µε παράλληλη συνήθως απαίτηση ενέργειας (π.χ βιοσύνθεση των πρωτεϊνών από αμινοξέα, αμύλου από γλυκόζες κλπ.)
Ενέργεια ενεργοποίησης Ένα µόριο για να λάβει μέρος σε μια χημική αντίδραση χρειάζεται µια ώθηση (ενέργεια), πάνω από κάποιο ενεργειακό φραγµό. Η συγκεκριµένη αυτή ποσότητα ενέργειας, που καθιστά τα µόρια ικανά να αντιδρούν και να σχηµατίζουν ένα ενδιάµεσο ασταθές ενεργοποιηµένο σύµπλοκο, ονοµάζεται ενέργεια ενεργοποίησης.
Είδη αντιδράσεων Εξώθερμη: Απελευθερώνει ενέργεια π.χ καταβολικές αντιδράσεις (υδρολύσεις ή διασπάσεις) Ενδόθερμη: Χρειάζεται ενέργεια για να γίνει. π.χ αναβολικές αντιδράσεις (βιοσυνθέσεις ή συμπυκνώσεις)
Ένζυμα (Βιολογικοί καταλύτες) Στα κύτταρα τελούνται ταχύτατες βιοχημικές αντιδράσεις αλλά σε στενά πλαίσια θερμοκρασιών, έτσι ώστε να αυτά να επιβιώνουν. Μέσα στα κύτταρα o ενεργειακός φραγμός, που πρέπει να υπερπηδηθεί από τα αντιδρώντα µόρια χαμηλώνει με τη βοήθεια των ενζύμων.
Χημική σύσταση ενζύμων Πρωτεΐνες (Σφαιρίνες) Μόρια RNA (Ριβοένζυμα)
Αμυλάση Καταλάση Έχει 1 πολυπεπτιδική αλυσίδα με 500 αμινοξέα Έχει 4 πολυπεπτιδικές αλυσίδες από 500 αμινοξέα έκαστη
Ενεργό κέντρο (Active side)
Τα ένζυμα εντοπίζονται: Χλωροπλάστες Μιτοχόνδρια Ενδοπλασματικό δίκτυο Συσκευή Golgi Στο εξωτερικό περιβάλλον των κυττάρων
Κατηγορίες ενζύμων με βάση την εξειδίκευση: Ένζυμα με Υψηλή (απόλυτη) εξειδίκευση (μόνο μία αντίδραση) Ένζυμα με Μέτρια εξειδίκευση (περιορισμένος αριθμός αντιδράσεων) Ένζυμα με Χαμηλή εξειδίκευση (πληθώρα αντιδράσεων)
Παράδειγμα ενζυματικής δράσης: Υδρόλυση σακχαρόζης
Παράδειγμα ενζυματικής δράσης: Συμπύκνωση
Παράδειγμα ενζυματικής δράσης: Υδρόλυση πεπτιδίων από χυμοθριψίνη
Αντιστρεπτικότητα: (Το φαινόμενο όπου ένα ένζυμο καταλύει αμφίδρομες αντιδράσεις)
Μηχανισμός μείωσης της ενέργειας ενεργοποίησης Τα αντιδρώντα μόρια περνούν από μια ενδιάμεση ασταθή κατάσταση (ενδιάμεσο ενεργοποιημένο σύμπλοκο) κατά την οποία σπάζουν μερικοί δεσμοί και δημιουργούνται άλλοι Το ένζυμο προσανατολίζει και φέρνει κοντά τα αντιδρώντα σώματα και το ενεργοποιημένο σύμπλοκο ενώνεται με το ενεργό κέντρο του ενζύμου.
Μηχανικό ανάλογο της ενζυματικής δράσης
Πώς τα ένζυμα επιταχύνουν τις βιοχημικές αντιδράσεις;
Μηχανικό ανάλογο της ενζυμικής δράσης
Χαρακτηριστικά Ενζύμων Απαντώνται σε καταλυτικές (πολύ μικρές) ποσότητες. Έχουν ενεργό κέντρο. Παρουσιάζουν εξειδίκευση. Επιταχύνουν τις βιοχηµικές αντιδράσεις, µειώνοντας την ενέργεια ενεργοποίησης των υποστρωµάτων. εν αλλοιώνονται κατά τη διάρκεια της δράσης τους. εν αλλοιώνουν τα τελικά προϊόντα ή την ισορροπία μεταξύ αντιδρώντων και προϊόντων μιας αντίδρασης.
Παράγοντες που επηρεάζουν τη δράση των ενζύμων Ο,τιδήποτε αλλάζει την τρισδιάστατη τους δομή (τριτοταγή ή τεταρτοταγή) Η μεταβολή της θερµοκρασίας Η μεταβολή του ph Η μεταβολή της συγκέντρωσης του ενζύµου Η μεταβολή της συγκέντρωσης του υποστρώµατος Η παρουσία αναστολέων και ενεργοποιητών
Υψηλή Θερμοκρασία *Υπέρμετρη αύξηση θερμοκρασίας προκαλεί μετουσίωση *Συνήθης θερμ. (35-40C) Άριστη θερμοκρασία για τον άνθρωπο (37 C) *Μείωση της θερμ. (-) προκαλεί αδρανοποίηση
«Ακραία» ph *Οι ιοντικοί δεσμοί που συναντούνται στην τριτοταγή δομή είναι ευαίσθητοι στις μικροαλλαγές του ph *Συνήθη ph: 6.5-8.5 (εξαίρεση η πεψίνη με ph: 2 )
Παραδείγματα από την καθημερινότητα
Συγκέντρωση υποστρώματος Αύξηση της συγκέντρωσης του υποστρώματος συνεπάγεται αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης μέχρι ενός σημείου (επειδή όλα τα ενεργά κέντρα των ενζύμων είναι συνεχώς κατειλημμένα από διαφορετικά μόρια υποστρώματος)
Συγκέντρωση ενζύμου Αύξηση της συγκέντρωσης του ενζύμου συνεπάγεται συνεχή αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης (δηλ. της ενζυματικής δράσης).
Δομή των ενζύμων
Έλεγχος της δράσης των ενζύμων Ενεργοποιητές: Χηµικές ουσίες, που ενώνονται µε τα ένζυµα και διαµορφώνουν το ενεργό τους κέντρο για να µπορεί να δεχθεί το υπόστρωµα. Αναστολείς: Χηµικές ουσίες που ενώνονται µε τα ένζυµα και προκαλούν σ αυτά τέτοιες αλλαγές που αναστέλλουν τη δράση τους (δηλ. παραμορφώνουν το ενεργό κέντρο).
Αναστολείς Ενζύµων Μόνιµοι Αντιστρεπτοί
Μόνιµοι αναστολείς Ο αναστολέας συνδέεται στο ενεργό κέντρο του ενζύµου µε οµοιοπολικούς δεσµούς (ισχυροί). κυτταρικά δηλητήρια όπως βαριά μέταλλα Pb και Hg αντιβιοτικά π.χ πενικιλίνη ενώσεις κυανίου (Τα Cn-, αναστέλουν τη δράση της κυτταροχρωμικής οξειδάσης) CO νευροπαραλυτικα αέρια (αναστέλλουν τη δράση της ακετυλοχολινεστεράσης)
Αντιστρεπτοί (προσωρινοί) Αντιστρεπτοί συναγωνιστικοί αναστολείς: μόρια που έχουν στερεοχηµικές οµοιότητες µε τα υποστρώµατα των ενζύµων και συνδέονται άμεσα στο ενεργό κέντρο του ενζύµου με χαλαρούς δεσμούς (υδρογόνου) Αντιστρεπτοί μη συναγωνιστικοί αναστολείς: προσδένονται σε περιοχή διαφορετική, απ εκείνη του ενεργού κέντρου του ενζύµου, διαταράσσοντας όμως και τροποποιώντας έμμεσα το ενεργό κέντρο
Παράδειγμα συναγωνιστικού αντιστρεπτού αναστολέα Το οξυγόνο, που αναστέλλει τη δράση της καρβοξυδισμουτάσης με αποτέλεσμα να μη γίνεται κατορθωτή η δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα από τη διφωσφορική ριβουλόζη κατά τη σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης.
Η έκταση της συναγωνιστικής αναστολής εξαρτάται: από τις σχετικές συγκεντρώσεις του αναστολέα και του υποστρώματος από το βαθμό χημικής συγγένειας του ενζύμου, ως προς το υπόστρωμα και ως προς τον αναστολέα. Η έκταση της μη συναγωνιστικής αναστολής εξαρτάται: από τη συγκέντρωση του αναστολέα από το βαθμό χημικής συγγένειας του, με το ένζυμο.
Κατηγορίες ενζύμων Οξειδοαναγωγάσες -καταλύουν την οξείδωση ή την αναγωγή του υποστρώµατος. Τρανσφεράσες -καταλύουν την µεταφορά οµάδων από µια ένωση σε µια άλλη. Υδρολάσες -διασπούν υδρολυτικά µια σειρά από δεσµούς. Λυάσες -καταλύουν αντιδράσεις στις οποίες αποµακρύνεται νερό, αµµωνία ή διοξείδιο του άνθρακα. Ισοµεράσες -καταλύουν αντιδράσεις ισοµερίωσης, π.χ. µετατροπή αλδόζης σε κετόζη. Λιγάσες -καταλύουν τη σύνθεση ουσιών από απλούστερα µόρια.
Χρήσεις των ενζύμων στην καθημερινή ζωή. Βιομηχανία Ένζυμα Χρήσεις Απορρυπαντικών Πρωτεάσες από βακτήρια Απομάκρυνση λεκέδων Αρτοποιία Πρωτεάσες Παρασκευή μπισκότων Γαλακτοβιομηχανία Λιπάσες Ωρίμανση τυριών Ζυθοποιία Ένζυμα από κριθάρι Παραγωγή μπύρας Χάρτου Αμυλάση Παραγωγή χαρτιού περιτυλίγματος Ζαχαροπλαστική Ιμβερτάση Παραγωγή σιροπιού σοκολάτας Οπτικών ειδών Καταλάση Διαλύματα καθαρισμού φακών επαφής