- 354 -

Κεφάλαιο 23 Ένζυμα

Σύνοψη

Τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες που καταλύουν χημικές αντιδράσεις (ενζυμικές αντιδράσεις) στους οργανισμούς. Ως καταλύτες επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις μειώνοντας την ενέργεια ενεργοποίησης. Τα ένζυμα παρουσιάζουν διαφόρων βαθμών εξειδίκευση προς το αντιδρών (υπόστρωμα). Για να δράσουν τα ένζυμα, πρέπει το υπόστρωμα να συνδεθεί σε περιοχή του ενζύμου που ονομάζεται ενεργό κέντρο. Το ενεργό κέντρο έχει κατάλληλη διαμόρφωση ώστε να ταιριάζει στη διαμόρφωση του υποστρώματος (σχέση κλειδιού-κλειδαριάς). Η ταχύτητα των ενζυμικών αντιδράσεων εξαρτάται από τη θερμοκρασία, το pH, τη συγκέντρωση του υποστρώματος και του ενζύμου. Η δράση του ενζύμου αναστέλλεται ή ενεργοποιείται από την παρουσία διαφόρων χημικών ενώσεων (αναστολείς ή ενεργοποιητές). Η αναστολή διακρίνεται στην αντιστρεπτή και μη αντιστρεπτή αναστολή. Η αντιστρεπτή αναστολή μπορεί να είναι συναγωνιστική ή μη συναγωνιστική αναστολή. Τα κύτταρα ρυθμίζουν τη λειτουργία των ενζύμων ώστε αυτά να λειτουργούν μόνο όταν είναι απαραίτητο. Οι μηχανισμοί ρύθμισης είναι η ανάδρομη ρύθμιση, τα αλλοστερικά ένζυμα, τα προένζυμα και η χημική τροποποίηση ενζύμου με κυριότερη τη φωσφορυλίωσή του. Η κινητική των ενζυμικών αντιδράσεων περιγράφεται από το μοντέλο Michaelis-Menten.

Προαπαιτούμενη γνώση

Πρωτεΐνες (Κεφάλαιο 22).

Οι φυσιολογικές λειτουργίες των οργανισμών είναι αποτέλεσμα χημικών αντιδράσεων. Τα κύτταρα συνθέ-τουν μέσω χημικών αντιδράσεων τα περισσότερα χημικά μόρια που είναι απαραίτητα για τη λειτουργία τους. Στην πλειοψηφία των αντιδράσεων εμπλέκονται ένζυμα. Τα ένζυμα είναι καταλύτες που επιταχύνουν τις χημι-κές αντιδράσεις που συμβαίνουν στα κύτταρα. Σε ελάχιστες χημικές διεργασίες που συμβαίνουν στα κύτταρα δεν εμπλέκονται ένζυμα. Τα περισσότερα ένζυμα είναι πρωτεΐνες. Στη συνέχεια θα περιγραφούν ένζυμα που είναι πρωτεϊνικής φύσης αν και υπάρχουν μερικά που δεν είναι πρωτεΐνες, αλλά είναι RNA. Οι αντιδράσεις που καταλύονται από ένζυμα ονομάζονται ενζυμικές αντιδράσεις. Στις ενζυμικές αντιδράσεις συμμετέχουν τρεις παράγοντες: το ένζυμο (που είναι ο καταλύτης), το αντιδρών, το οποίο αναφέρεται ως υπόστρωμα και το προϊόν της αντίδρασης.

23�1 Χαρακτηριστικά των ενζύμωνΤα ένζυμα έχουν όλα τα χαρακτηριστικά των καταλυτών (παράγραφος 8.3.2). Δηλαδή δεν αλλάζουν τη θέση της χημικής ισορροπίας. Αυτό σημαίνει ότι δεν αυξάνουν την απόδοση σε προϊόν μίας αντίδρασης. Επιπλέον μία χημική αντίδραση που μόνη της δεν πραγματοποιείται, δεν θα πραγματοποιηθεί ούτε παρουσία ενζύμων. Όμως, τα ένζυμα, ως καταλύτες, αυξάνουν την ταχύτητα μίας αντίδρασης. Αυτό συμβαίνει διότι μειώνουν την ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης (παράγραφος 8.3.5). Τα ένζυμα, όπως οι καταλύτες, δεν καταναλώνο-νται στις αντιδράσεις. Η ποσότητά τους παραμένει σταθερή. Το ίδιο μόριο ενζύμου μπορεί να καταλύσει την ενζυμική μετατροπή χιλιάδων νέων μορίων υποστρώματος (αντιδρώντος) σε προϊόν.

Τα ένζυμα παρουσιάζουν εξειδίκευση ως προς την αντίδραση που καταλύουν. Δηλαδή τα περισσότερα ένζυμα καταλύουν συγκεκριμένη αντίδραση. Το ένζυμο καρβοξυπεπτιδάση καταλύει τη διάσπαση μόνο του πεπτιδικού δεσμού που ενώνει το C-τελικό αμινοξύ στην αλυσίδα μίας πρωτεΐνης και κανενός άλλου πεπτι-δικού δεσμού. Σπάνιες είναι οι περιπτώσεις ενζύμων που καταλύουν δύο διαφορετικές αντιδράσεις του ίδιου ή διαφορετικού υποστρώματος. Τέτοιο ένζυμο είναι η ισοκιτρική αφυδρογονάση που καταλύει την οξείδωση του ισοκιτρικού οξέος και την αποκαρβοξυλίωσή του όπως περιγράφεται στον κύκλο του Krebs (παράγραφος 24.5.1).

Τα ένζυμα εμφανίζουν εξειδίκευση ως προς το υπόστρωμα. Όμως υπάρχουν διάφοροι βαθμοί εξειδίκευσης:

- 355 -

απόλυτη εξειδίκευση έχουν ένζυμα που καταλύουν τη μετατροπή ενός και μόνο υποστρώματος. Το ένζυμο ουριάση υδρολύει μόνο την ουρία και καμία άλλη ένωση,υψηλή εξειδίκευση έχουν ένζυμα που οξειδώνουν περιορισμένο αριθμό υποστρωμάτων, στερεοχημική εξειδίκευση έχουν ένζυμα που καταλύουν την αντίδραση ενός στερεοϊσομερούς. Η οξειδάση L-αμινοξέων οξειδώνει L-αμινοξεά και όχι αμινοξέα που έχουν D-διαμόρφωση,εξειδίκευση ως προς τον δεσμό έχουν ένζυμα που καταλύουν τη διάσπαση ενός είδους δεσμού. Πρόκειται για χαμηλή εξειδίκευση, καθώς υπόστρωμα αυτών των ενζύμων είναι πολλά μόρια τα οποία όμως πρέπει να έχουν συγκεκριμένο είδος δεσμού. Παραδείγματα τέτοιων μορίων είναι οι φωσφατάσες, ένζυμα που υδρολύ-ουν φωσφοεστερικούς δεσμούς που βρίσκονται σε ποικίλα υποστρώματα.

Σε σχέση με τους ανόργανους καταλύτες είναι πολύ πιο αποτελεσματικά και αυξάνουν πολύ περισσότερο την ταχύτητα της αντίδρασης. Η διάσπαση του υπεροξειδίου του υδρογόνου σε νερό και οξυγόνο, καταλύεται από σκόνη Fe ή από το ένζυμο καταλάση. Η ταχύτητα αυξάνεται μερικές φορές με την παρουσία Fe, αλλά χιλιάδες φορές με την παρουσία του ενζύμου καταλάση.

Τα ένζυμα ως πρωτεΐνες έχουν όλα τα χαρακτηριστικά των πρωτεϊνών που μελετήθηκαν στην παράγραφο 22.3. Δηλαδή χαρακτηρίζονται από συγκεκριμένη αλληλουχία αμινοξέων (πρωτοταγής δομή) και συγκεκριμέ-νες διαμορφώσεις στον χώρο (δευτεροταγής, τριτοταγής και τεταρτοταγής δομή). Για να μπορέσουν να δρά-σουν πρέπει να έχουν συγκεκριμένη διαμόρφωση, δηλαδή δευτεροταγή και τριτοταγή δομή, όπως θα περιγρα-φεί στην παράγραφο 23.3. Ως πρωτεΐνες τα ένζυμα υφίστανται μετουσίωση (παράγραφος 22.4). Παράγοντες που προκαλούν μετουσίωση (pΗ ή θερμοκρασία) επηρεάζουν την ενεργότητα των ενζύμων.

23�2 Κατηγορίες ενζύμωνΤα ένζυμα διακρίνονται σε έξι κατηγορίες με βάση την αντίδραση που καταλύουν:Oξειδoαvαγωγάσες, ένζυμα που καταλύουν την οξείδωση ή αναγωγή του υποστρώματος.

Τρανσφεράσες, ένζυμα που καταλύουν τη μεταφορά ομάδας από το ένα μόριο σε άλλο.

Υδρoλάσες, ένζυμα που καταλύουν υδρoλυτικές διασπάσεις (διάσπαση δεσμού παρουσία νερού).

- 356 -

Λυάσες, ένζυμα που καταλύουν τη δημιουργία διπλού δεσμού με απόσπαση μικρών μορίων.

Iσoμεράσες, ένζυμα που καταλύουν εvδoμoριακή μετακίνηση ομάδων ώστε το προϊόν που θα σχηματιστεί να είναι ισομερές με το υπόστρωμα.

Συνθετάσες ή Λιγάσες, ένζυμα που καταλύουν την ένωση δύο μορίων, με ταυτόχρονη διάσπαση ATP.

- 357 -

Τα ένζυμα ονομάζονται με βάση το υπόστρωμα, το είδος της αντίδρασης που καταλύουν και την κατάληξη -άση. Έτσι το ένζυμο γαλακτική αφυδρογονάση είναι ένζυμο που καταλύει αντίδραση που συμμετέχει το γαλα-κτικό οξύ και η αντίδραση είναι απόσπαση υδρογόνου (οξείδωση). Η κατάληξη -άση υποδηλώνει ένζυμο. Σε ορισμένες περιπτώσεις χρησιμοποιείται η κατάληξη -ίνη που δηλώνει ένζυμα πέψης (π.χ. τρυψίνη, πεψίνη).

Από άποψη δομής τα ένζυμα διακρίνονται στα απλά και στα συζυγιακά ένζυμα. Τα απλά ένζυμα είναι καθαρή πρωτεΐνη, ενώ τα συζυγιακά ένζυμα αποτελούνται από πρωτεΐνη που είναι ενωμένη με μη πρωτεϊνι-κής φύσεως μόριο. Στα συζυγιακά ένζυμα το πρωτεϊνικό μέρος ονομάζεται αποένζυμο, ενώ το μη πρωτεϊνικό μόριο ονομάζεται συμπαράγοντας. O συμπαράγοντας μπορεί να είναι ανόργανο ιόν (Mn2+, Cu2+, Fe3+, Fe2+, Mg2+ κ.ά.) ή οργανικό μόριο το οποίο ονομάζεται συνένζυμο. Συνήθως τα συνένζυμα είναι βιταμίνες. Γνωστά συνένζυμα είναι τα FAD, FMN NAD+, NADP+ (παράγραφος 24.3). Όταν ο συμπαράγοντας (ανόργανο ιόν ή οργανικό μόριο) είναι συνδεδεμένος ομοιοπολικά στο ένζυμο, οπότε δεν μπορεί να απομακρυνθεί, ονομάζεται προσθετική ομάδα. Το αποένζυμο μόνο του δεν είναι λειτουργικό. Η λειτουργική μορφή του ενζύμου είναι το σύμπλοκο αποένζυμο-συμπαράγοντας που ονομάζεται ολοένζυμο.

23�3 Μηχανισμός δράσης ενζύμων Στην κατάλυση μίας ενζυμικής αντίδρασης συμμετέχει μόνο μία περιοχή του ενζύμου που ονομάζεται ενεργό κέντρο. Το υπόστρωμα δεσμεύεται στο ενεργό κέντρο και σχηματίζεται το σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώμα-τος. Συνεπώς η δραστικότητα του ενζύμου εντοπίζεται στο ενεργό κέντρο του. Όταν το ένζυμο έχει προσθετι-κή ομάδα συνδέεται και αυτή στο ενεργό κέντρο. Το ενεργό κέντρο είναι μία εσοχή στο ένζυμο (Σχήμα 23.1) που σχηματίζεται από τις αναδιπλώσεις της πεπτιδικής αλυσίδας, δηλαδή είναι αποτέλεσμα της τριτοταγούς και τεταρτοταγούς δομής του ενζύμου. Συνεπώς στο ενεργό κέντρο μπορεί να συμμετέχουν αμινοξέα που απέχουν αρκετά μεταξύ τους στην πρωτοταγή δομή (Σχήμα 23.2).

Σχήμα 23�1 Ενεργό κέντρο ενζύμου

Σχήμα 23�2 Τα αμινοξέα του ενεργού κέντρου απέχουν αρκετά μεταξύ τους στην πρωτοταγή δομή

Η δέσμευση του υποστρώματος στο ενεργό κέντρο του ενζύμου συμβαίνει μόνο όταν το υπόστρωμα έχει την κατάλληλη διαμόρφωση ώστε να ταιριάζει απόλυτα στη γεωμετρία του ενεργού κέντρου (μοντέλο κλει-διού-κλειδαριάς). Σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί το ενεργό κέντρο να μεταβάλλει ελαφρά τη γεωμετρία του ώστε να ταιριάξει με το υπόστρωμα (μοντέλο επαγόμενης προσαρμογής). Το υπόστρωμα συγκρατείται στο

- 358 -

ενεργό κέντρο μέσω αλληλεπιδράσεων με τα αμινοξέα του ενζύμου που βρίσκονται στην επιφάνεια του ενερ-γού κέντρου. Οι δυνάμεις αυτές είναι ίδιες με αυτές που σταθεροποιούν την τριτοταγή δομή των πρωτεϊνών (παράγραφος 22.3.3), δηλαδή ηλεκτροστατικές δυνάμεις, υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις και δεσμοί υδρογόνου. Μετά τη δέσμευση του υποστρώματος στο ένζυμο, ακολουθεί χημική μετατροπή του υποστρώματος σε προϊ-όν το οποίο απελευθερώνεται από το ενεργό κέντρο (Σχήμα 23.3).

Σχήμα 23�3 Το υπόστρωμα δεσμεύεται στο ενεργό κέντρο του ενζύμου μόνο αν έχει την κατάλληλη διαμόρφωση και κατό-πιν μετατρέπεται σε προϊόν.

Η διαδικασία περιγράφεται από την εξίσωση

όπου Ε το ένζυμο, S το υπόστρωμα, ΕS το σύμπλοκο ενζύμου - υποστρώματος, και Ρ το προϊόν.Η σύνδεση των υποστρωμάτων στο ενεργό κέντρο του ενζύμου έχει ως αποτέλεσμα την προσέγγισή τους

και τον κατάλληλο προσανατολισμό τους ώστε να διευκολυνθεί η αντίδραση. Όμως ο ρόλος του ενεργού κέντρου δεν περιορίζεται μόνο στην προσέγγιση και προσανατολισμό των αντιδρώντων - υποστρωμάτων. Tαυτόχρονα παρέχει το χημικό περιβάλλον το οποίο καταλύει την αντίδραση. Έτσι η παρουσία στο ενεργό κέ-ντρο αμινοξέων που δίνουν ιόντα Η+ διευκολύνουν αντιδράσεις που καταλύονται από οξέα. Υπάρχουν παρα-δείγματα ενζυμικών αντιδράσεων στις οποίες τα αμινοξέα του ενεργού κέντρου αντιδρούν με το υπόστρωμα και σχηματίζονται ενδιάμεσα προϊόντα τα οποία συνδέονται ομοιοπολικά στο ενεργό κέντρο.

23�4 Παράγοντες που επιδρούν στην ταχύτητα των ενζυμικών αντιδράσεωνΤαχύτητα ενζυμικής αντίδρασης είναι ο ρυθμός με τον οποίο μειώνεται η συγκέντρωση του υποστρώματος ή αυξάνεται η συγκέντρωση του προϊόντος (μεταβολή συγκέντρωσης στη μονάδα του χρόνου). Στη συνέχεια περιγράφεται η επίδραση της θερμοκρασίας, του pH και της συγκέντρωσης υποστρώματος και ενζύμου στην ταχύτητα ενζυμικής αντίδρασης. Επίδραση θερμοκρασίας

Στις απλές χημικές αντιδράσεις η ταχύτητα της αντίδρασης συνήθως αυξάνεται με την αύξηση της θερ-μοκρασίας. Στις ενζυμικές αντιδράσεις η ταχύτητα της αντίδρασης αυξάνεται μέχρι μία ορισμένη τιμή. Αυτό συμβαίνει διότι η δραστικότητα του ενζύμου αυξάνει με την αύξηση της θερμοκρασίας μέχρι μία βέλτιστη θερμοκρασία. Λίγο πάνω από αυτή τη θερμοκρασία συμβαίνει αλλαγή στη διαμόρφωση του ενζύμου, οπότε μειώνεται η ενεργότητά του και η ταχύτητα της αντίδρασης. Σε πολύ μεγαλύτερες θερμοκρασίες συμβαίνει μετουσίωση του ενζύμου, οπότε η ταχύτητα της ενζυμικής αντίδρασης μειώνεται δραστικά. Τα περισσότερα ένζυμα έχουν βέλτιστη θερμοκρασία 37οC. Στο Σχήμα 23.4 φαίνεται η επίδραση της θερμοκρασίας στην τα-χύτητα της ενζυμικής αντίδρασης.

- 359 -

Σχήμα 23�4 Επίδραση της θερμοκρασίας στην ταχύτητα της ενζυμικής αντίδρασης

Επίδραση pHΕφόσον τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες, το pH επιδρά στη διαμόρφωσή τους. Τα ένζυμα έχουν μέγιστη δραστι-

κότητα σε στενή περιοχή pH. Κάθε ένζυμο έχει μέγιστη δραστικότητα σε συγκεκριμένο pH που ονομάζεται βέλτιστο pH, στο οποίο η ταχύτητα της ενζυμικής αντίδρασης είναι η μέγιστη. Όταν η τιμή του pH διαφέρει σημαντικά από τη βέλτιστη τιμή η ταχύτητα της αντίδρασης μειώνεται δραματικά διότι συμβαίνει μετουσίωση του ενζύμου. Στο Σχήμα 23.5 φαίνεται η επίδραση του pΗ στην ταχύτητα της ενζυμικής αντίδρασης.

Σχήμα 23�5 Επίδραση του pΗ στην ταχύτητα της ενζυμικής αντίδρασης

Επίδραση συγκέντρωσης υποστρώματος και ενζύμουΗ ταχύτητα της ενζυμικής αντίδρασης αυξάνει γραμμικά με την αύξηση της συγκέντρωσης του ενζύμου

όπως φαίνεται στο Σχήμα 23.6. Διπλασιασμός της συγκέντρωσης του ενζύμου προκαλεί διπλασιασμό της ταχύτητας της αντίδρασης.

- 360 -

Σχήμα 23�6 Επίδραση της συγκέντρωσης του ενζύμου στην ταχύτητα της ενζυμικής αντίδρασης

Αντίθετα συμβαίνουν με την αύξηση της συγκέντρωσης του υποστρώματος. Στο Σχήμα 23.7 φαίνεται η επί-δραση της συγκέντρωσης του υποστρώματος στην ταχύτητα ενζυμικής αντίδρασης. Αρχικά όσο αυξάνεται η συγκέντρωση του υποστρώματος η ταχύτητα της ενζυμικής αντίδρασης αυξάνεται. Από μία τιμή συγκέντρω-σης υποστρώματος και πάνω η ταχύτητα της αντίδρασης φθάνει σε μέγιστη τιμή και παραμένει σταθερή όσο και αν αυξηθεί η συγκέντρωση του υποστρώματος. Αυτό συμβαίνει διότι, όσο αυξάνεται η συγκέντρωση του υποστρώματος, τόσο περισσότερα μόριά του συνδέονται στα ενεργά κέντρα των μορίων του ενζύμου και έτσι η ταχύτητα της αντίδρασης αυξάνεται. Όταν σε όλα τα μόρια του ενζύμου έχει συνδεθεί υπόστρωμα (σημείο κορεσμού) η αντίδραση γίνεται με μέγιστη ταχύτητα. Από το σημείο κορεσμού και μετά η αύξηση της συγκέ-ντρωσης του υποστρώματος δεν οδηγεί σε περαιτέρω αύξηση της ταχύτητας της ενζυμικής αντίδρασης, διότι δεν υπάρχουν άλλα ελεύθερα μόρια ενζύμου για να συνδεθούν τα επιπλέον μόρια υποστρώματος.

Σχήμα 23�7 Επίδραση της συγκέντρωσης του υποστρώματος στην ταχύτητα της ενζυμικής αντίδρασης

23�5 Αναστολή και ενεργοποίηση ενζύμωνΗ ταχύτητα των ενζυμικών αντιδράσεων μειώνεται ή αυξάνεται παρουσία χημικών ενώσεων. Οι αναστολείς των ενζύμων είναι χημικές ενώσεις που συνδέονται στο ένζυμο και επιβραδύνουν ή σταματούν την ενζυμική αντίδραση. Υπάρχουν δύο διαφορετικοί μηχανισμοί αναστολής των ενζύμων, η αντιστρεπτή αναστολή και η μη αντιστρεπτή αναστολή. Στην αντιστρεπτή αναστολή, το ένζυμο μπορεί να ανακτήσει τη δραστικότητά του και η ενζυμική αντίδραση να ξαναρχίσει. Αυτό συμβαίνει διότι ο αναστολέας συνδέεται αντιστρεπτά στο ένζυμο με ασθενείς δυνάμεις, οπότε μπορεί να αποδεσμευτεί. Αντίθετα, αναστολείς που συνδέονται στο ένζυ-μο με ομοιοπολικούς δεσμούς απενεργοποιούν μόνιμα το ένζυμο και προκαλούν τη μη αντιστρεπτή αναστολή. Η αντιστρεπτή αναστολή διακρίνεται στη συναγωνιστική αναστολή και στη μη συναγωνιστική αναστολή.

- 361 -

23�5�1 Συναγωνιστική αναστολήΟφείλεται σε χημικές ενώσεις (αναστολείς) που μοιάζουν με το υπόστρωμα και συνδέονται στο ενεργό κέντρο του ενζύμου εμποδίζοντας το υπόστρωμα να συνδεθεί (Σχήμα 23.8). Δηλαδή ο αναστολέας και το υπόστρωμα συναγωνίζονται για να δεσμευτούν στο ενεργό κέντρο. Ο αναστολέας που συνδέεται στο ένζυμο δεν αντιδρά, δηλαδή δεν δίνει προϊόν, οπότε η ενζυμική αντίδραση σταματά. Όμως επειδή η σύνδεση του αναστολέα στο ενεργό κέντρο γίνεται με ασθενείς δυνάμεις, σύντομα το σύμπλοκο αναστολέα-ενζύμου διασπάται. Στο κενό πλέον ενεργό κέντρο δεσμεύεται υπόστρωμα και η ενζυμική αντίδραση αρχίζει πάλι. Ο ρυθμός δέσμευσης του αναστολέα και του υποστρώματος στο ένζυμο είναι τυχαίος. Όσο μεγαλύτερη η συγκέντρωση του υποστρώ-ματος τόσο περισσότερο χρόνο παραμένει στο ενεργό κέντρο και τόσο αυξάνεται η ταχύτητα της ενζυμικής αντίδρασης. Συνεπώς, η συναγωνιστική αναστολή περιορίζεται με αύξηση της συγκέντρωσης του υποστρώ-ματος. Αντίθετο αποτέλεσμα έχει η αύξηση της συγκέντρωσης του αναστολέα.

Σχήμα 23�8 Συναγωνιστική αναστολή. Ο αναστολέας και το υπόστρωμα δεσμεύονται στο ενεργό κέντρο.

23�5�2 Μη συναγωνιστική αναστολήΟ αναστολέας συνδέεται σε άλλη θέση του ενζύμου και όχι στο ενεργό κέντρο (Σχήμα 23.9). Το υπόστρωμα μπορεί να συνδεθεί στο ενεργό κέντρο, όμως η ενζυμική αντίδραση δεν γίνεται, διότι το ένζυμο δεν είναι ενεργό λόγω της παρουσίας του αναστολέα. Σε αντίθεση με τη συναγωνιστική αναστολή, η αύξηση της συ-γκέντρωσης του υποστρώματος δεν περιορίζει την αναστολή.

Σχήμα 23�9 Μη συναγωνιστική αναστολή. Ο αναστολέας και το υπόστρωμα δεσμεύονται σε διαφορετικές θέσεις.

23�5�3 Ενεργοποίηση ενζύμουΠολλά ένζυμα ενεργοποιούνται από την παρουσία κυρίως μεταλλικών ιόντων. Τα ιόντα είναι απαραίτητα για τη λειτουργία του ενζύμου και συνδέονται συνήθως στο ενεργό κέντρο. Σε ορισμένες περιπτώσεις τα μεταλ-λικά ιόντα συνδέονται στο υπόστρωμα.

23�6 Ρύθμιση δράσης ενζύμουΤα κύτταρα χρειάζεται να ρυθμίσουν τη δράση των ενζύμων τους ώστε να παράγουν ποσότητες προϊόντων ανάλογα με τις ανάγκες τους. Στη συνέχεια περιγράφονται οι κυριότεροι τρόποι ρύθμισης της δράσης των ενζύμων.

23�6�1 Ανάδρομη ρύθμιση (feed back regulation)Η ρύθμιση αυτή εφαρμόζεται όταν υπάρχει αλληλουχία ενζυμικών αντιδράσεων. Το προϊόν της τελευταίας ενζυμικής αντίδρασης αναστέλλει τη λειτουργία του πρώτου ενζύμου, όταν αυξάνεται η συγκέντρωσή του.

- 362 -

23�6�2 Αλλοστερικά ένζυμαΤα αλλοστερικά ένζυμα αποτελούνται από δύο ή περισσότερες πεπτιδικές αλυσίδες με ένα ή περισσότερα ενεργά κέντρα η καθεμία. Έχουν δύο θέσεις δέσμευσης, το ενεργό κέντρο που δεσμεύεται το υπόστρωμα και μία περιοχή στην οποία δεσμεύεται το μόριο ρυθμιστής. Ο ρυθμιστής μπορεί να επηρεάζει θετικά ή αρνητικά την ενζυμική αντίδραση (αλλοστερικός αναστολέας ή αλλοστερικός ενεργοποιητής). Όταν το μόριο ρυθμι-στής συνδεθεί στο ένζυμο επάγει αλλαγές στη διαμόρφωσή του και στο ενεργό κέντρο με αποτέλεσμα να ρυθμίζεται (ευνοείται ή αναστέλλεται) η δέσμευση του υποστρώματος.

Σχήμα 23�10 Τα αλλοστερικά ένζυμα έχουν δύο θέσεις δέσμευσης. Η σύνδεση του ενεργοποιητή στο ένζυμο διευκολύνει τη σύνδεση του υποστρώματος στο ενεργό κέντρο.

23�6�3 ΠροένζυμαΣε πολλές περιπτώσεις οι οργανισμοί συνθέτουν τα ένζυμα με τη μορφή προενζύμων που είναι μη λειτουργι-κές μορφές του ενζύμου. Όταν οι ανάγκες του οργανισμού απαιτούν να λειτουργήσει το ένζυμο τότε αφαιρεί-ται ένα τμήμα της πεπτιδικής αλυσίδας του προενζύμου και σχηματίζεται η ενεργή μορφή του ενζύμου.

23�6�4 Τροποποίηση της δομής του ενζύμου Η λειτουργία ενός ενζύμου μπορεί να ρυθμιστεί με τροποποίηση της πρωτοταγούς δομής του. Αυτό γίνεται με προσθήκη κάποιας ομάδας στο ένζυμο. Ο πιο γνωστός τρόπος ρύθμισης με τροποποίηση της δομής του είναι η φωσφορυλίωση που είναι η προσθήκη στο ένζυμο μίας φωσφορικής ομάδας. Η φωσφορυλίωση του ενζύμου οδηγεί είτε στην ενεργοποίηση είτε στην αδρανοποίησή του. Για παράδειγμα, η συνθάση του γλυκογόνου είναι ενεργή όταν δεν είναι φωσφορυλιωμένη, οπότε συνθέτει γλυκογόνο. Όταν δεν χρειάζεται να συντεθεί γλυκο-γόνο η συνθάση του γλυκογόνου φωσφορυλιώνεται, οπότε απενεργοποιείται, και η σύνθεση του γλυκογόνου σταματά.

23�7 Κινητική ενζυμικών αντιδράσεωνΣύμφωνα με το μοντέλο των Michaelis-Menten το ένζυμο (Ε) αντιδρά με το υπόστρωμα (S) και σχηματίζουν το ενδιάμεσο σύμπλοκο ES. Το ES είτε θα ξαναδώσει Ε και S είτε θα σχηματίσει το ένζυμο και το προϊόν (P)

- 363 -

Η γραφική παράσταση της εξίσωσης Michaelis-Menten

9

23.6.4 Τροποποίηση της δομής του ενζύμου Η λειτουργία ενός ενζύμου μπορεί να ρυθμιστεί με τροποποίηση της πρωτοταγούς δομής του. Αυτό γίνεται με προσθήκη κάποιας ομάδας στο ένζυμο. Ο πιο γνωστός τρόπος ρύθμισης με τροποποίηση της δομής του είναι η φωσφορυλίωση που είναι η προσθήκη στο ένζυμο μίας φωσφορικής ομάδας. Η φωσφορυλίωσή του ενζύμου οδηγεί είτε στην ενεργοποίηση είτε στην αδρανοποίηση του. Για παράδειγμα, η συνθάση του γλυκογόνου είναι ενεργή όταν δεν είναι φωσφορυλιωμένη, οπότε συνθέτει γλυκογόνο. Όταν δεν χρειάζεται να συντεθεί γλυκογόνο η συνθάση του γλυκογόνου φωσφορυλιώνεται, οπότε απενεργοποιείται, και η σύνθεση του γλυκογόνου σταματά. 23.7 Κινητική ενζυμικών αντιδράσεων Σύμφωνα με το μοντέλο των Michaelis-Menten το ένζυμο (Ε) αντιδρά με το υπόστρωμα (S) και σχηματίζουν το ενδιάμεσο σύμπλοκο ES. Το ES είτε θα ξαναδώσει Ε και S είτε θα σχηματίσει το ένζυμο και το προϊόν (P)

Η γραφική παράσταση της εξίσωσης Michaelis-Menten

είναι μία υπερβολή, όπως φαίνεται στο Σχήμα 23.11. Σε χαμηλές συγκεντρώσεις υποστρώματος (S) η αρχική ταχύτητα (V0) αυξάνεται γραμμικά με τη συγκέντρωση του υποστρώματος. Σε υψηλές συγκεντρώσεις S όλα τα μόρια του ενζύμου είναι με τη μορφή συμπλόκου (κορεσμός) και η ταχύτητα τείνει στη μέγιστη τιμή (Vmax). Η Km ονομάζεται σταθερά Michaelis-Menten και ισούται

Κ

Αποτελεί χαρακτηριστική σταθερά για κάθε ένζυμο. Είναι μέτρο της σταθερότητας του συμπλόκου ES και εκφράζει τον βαθμό συγγένειας ενζύμου – υποστρώματος. Χαμηλές τιμές Km φανερώνουν μεγάλη συγγένεια, ενώ υψηλές τιμές Km μικρή συγγένεια ενζύμου – υποστρώματος. Μετράται με μονάδες συγκέντρωσης (mol/L). Η τιμή της ισούται αριθμητικά με τη συγκέντρωση του υποστρώματος για την οποία έχουμε το μισό της μέγιστης ταχύτητας (Km = Vmax /2).

Σχήμα 23.11 Σχέση συγκέντρωσης υποστρώματος [S] και αρχικής ταχύτητας της αντίδρασης V0

είναι μία υπερβολή, όπως φαίνεται στο Σχήμα 23.11. Σε χαμηλές συγκεντρώσεις υποστρώματος (S) η αρχική ταχύτητα (V0) αυξάνεται γραμμικά με τη συγκέντρωση του υποστρώματος. Σε υψηλές συγκεντρώσεις S όλα τα μόρια του ενζύμου είναι με τη μορφή συμπλόκου (κορεσμός) και η ταχύτητα τείνει στη μέγιστη τιμή (Vmax). Η Km ονομάζεται σταθερά Michaelis-Menten και ισούται

9

23.6.4 Τροποποίηση της δομής του ενζύμου Η λειτουργία ενός ενζύμου μπορεί να ρυθμιστεί με τροποποίηση της πρωτοταγούς δομής του. Αυτό γίνεται με προσθήκη κάποιας ομάδας στο ένζυμο. Ο πιο γνωστός τρόπος ρύθμισης με τροποποίηση της δομής του είναι η φωσφορυλίωση που είναι η προσθήκη στο ένζυμο μίας φωσφορικής ομάδας. Η φωσφορυλίωσή του ενζύμου οδηγεί είτε στην ενεργοποίηση είτε στην αδρανοποίηση του. Για παράδειγμα, η συνθάση του γλυκογόνου είναι ενεργή όταν δεν είναι φωσφορυλιωμένη, οπότε συνθέτει γλυκογόνο. Όταν δεν χρειάζεται να συντεθεί γλυκογόνο η συνθάση του γλυκογόνου φωσφορυλιώνεται, οπότε απενεργοποιείται, και η σύνθεση του γλυκογόνου σταματά. 23.7 Κινητική ενζυμικών αντιδράσεων Σύμφωνα με το μοντέλο των Michaelis-Menten το ένζυμο (Ε) αντιδρά με το υπόστρωμα (S) και σχηματίζουν το ενδιάμεσο σύμπλοκο ES. Το ES είτε θα ξαναδώσει Ε και S είτε θα σχηματίσει το ένζυμο και το προϊόν (P)

Η γραφική παράσταση της εξίσωσης Michaelis-Menten

είναι μία υπερβολή, όπως φαίνεται στο Σχήμα 23.11. Σε χαμηλές συγκεντρώσεις υποστρώματος (S) η αρχική ταχύτητα (V0) αυξάνεται γραμμικά με τη συγκέντρωση του υποστρώματος. Σε υψηλές συγκεντρώσεις S όλα τα μόρια του ενζύμου είναι με τη μορφή συμπλόκου (κορεσμός) και η ταχύτητα τείνει στη μέγιστη τιμή (Vmax). Η Km ονομάζεται σταθερά Michaelis-Menten και ισούται

Κ

Αποτελεί χαρακτηριστική σταθερά για κάθε ένζυμο. Είναι μέτρο της σταθερότητας του συμπλόκου ES και εκφράζει τον βαθμό συγγένειας ενζύμου – υποστρώματος. Χαμηλές τιμές Km φανερώνουν μεγάλη συγγένεια, ενώ υψηλές τιμές Km μικρή συγγένεια ενζύμου – υποστρώματος. Μετράται με μονάδες συγκέντρωσης (mol/L). Η τιμή της ισούται αριθμητικά με τη συγκέντρωση του υποστρώματος για την οποία έχουμε το μισό της μέγιστης ταχύτητας (Km = Vmax /2).

Σχήμα 23.11 Σχέση συγκέντρωσης υποστρώματος [S] και αρχικής ταχύτητας της αντίδρασης V0

Αποτελεί χαρακτηριστική σταθερά για κάθε ένζυμο. Είναι μέτρο της σταθερότητας του συμπλόκου ES και εκφράζει τον βαθμό συγγένειας ενζύμου – υποστρώματος. Χαμηλές τιμές Km φανερώνουν μεγάλη συγγέ-νεια, ενώ υψηλές τιμές Km μικρή συγγένεια ενζύμου – υποστρώματος. Μετράται με μονάδες συγκέντρωσης (mol/L). Η τιμή της ισούται αριθμητικά με τη συγκέντρωση του υποστρώματος για την οποία έχουμε το μισό της μέγιστης ταχύτητας (Km = Vmax /2).

Σχήμα 23.11 Σχέση συγκέντρωσης υποστρώματος [S] και αρχικής ταχύτητας της αντίδρασης V0

Για να υπολογιστούν πειραματικά οι Km και Vmax χρησιμοποιούνται οι καμπύλες διπλού αντιστρόφου 1/V0 ως προς 1/S των Lineweaver-Burk (Σχήμα 23.12). Η εξίσωση των Michaelis-Menten γίνεται

10

Για να υπολογιστούν πειραματικά οι Km και Vmax χρησιμοποιούνται οι καμπύλες διπλού αντιστρόφου 1/V0 ως προς 1/S των Lineweaver-Burk (Σχήμα 23.12). Η εξίσωση των Michaelis-Menten γίνεται

Από τη γραφική παράσταση που είναι ευθεία γραμμή υπολογίζονται οι τιμές των Km και Vmax. Η τομή του άξονα y δίνει την τιμή 1/Vmax, ενώ η τομή στον άξονα x ισούται με -1/Km. Η κλίση της ευθείας δίνει το Km/ Vmax.

Σχήμα 23.12 Γραφική παράσταση διπλού αντιστρόφου Lineweaver-Burk.

Από τη γραφική παράσταση διπλού αντιστρόφου και τις τιμές των Km και Vmax διαπιστώνεται το είδος της αναστολής (συναγωνιστική ή μη συναγωνιστική) μιας ενζυμικής αντίδρασης. Στη μη συναγωνιστική αναστολή μειώνεται η Vmax, ενώ παραμένει σταθερή η Km. Αντίθετα στη συναγωνιστική αναστολή η Vmax παραμένει σταθερή, ενώ η Km αυξάνεται. Στο Σχήμα 23.13 συγκρίνονται οι γραφικές παραστάσεις διπλού αντιστρόφου απουσία αναστολέα και παρουσία μη συναγωνιστικού ή συναγωνιστικού αναστολέα.

Σχήμα 23.13 Γραφική παράσταση διπλού αντιστρόφου στην α) μη συναγωνιστική και β) συναγωνιστική αναστολή

Ασκήσεις Άσκηση 23.1 Να χαρακτηρισθούν τα ένζυμα των παρακάτω αντιδράσεων ως oξειδoαvαγωγάση, τρανσφεράση, υδρoλάση, λυάση, ισoμεράση και συνθετάση (ή λιγάση)�

Από τη γραφική παράσταση που είναι ευθεία γραμμή υπολογίζονται οι τιμές των Km και Vmax. Η τομή του άξο-να y δίνει την τιμή 1/Vmax, ενώ η τομή στον άξονα x ισούται με -1/Km. Η κλίση της ευθείας δίνει το Km/ Vmax.

- 364 -

Σχήμα 23�12 Γραφική παράσταση διπλού αντιστρόφου Lineweaver-Burk.

Από τη γραφική παράσταση διπλού αντιστρόφου και τις τιμές των Km και Vmax διαπιστώνεται το είδος της αναστολής (συναγωνιστική ή μη συναγωνιστική) μίας ενζυμικής αντίδρασης. Στη μη συναγωνιστική αναστο-λή μειώνεται η Vmax, ενώ παραμένει σταθερή η Km. Αντίθετα στη συναγωνιστική αναστολή η Vmax παραμένει σταθερή, ενώ η Km αυξάνεται. Στο Σχήμα 23.13 συγκρίνονται οι γραφικές παραστάσεις διπλού αντιστρόφου απουσία αναστολέα και παρουσία μη συναγωνιστικού ή συναγωνιστικού αναστολέα.

Σχήμα 23�13 Γραφική παράσταση διπλού αντιστρόφου στην α) μη συναγωνιστική και β) συναγωνιστική αναστολή

- 365 -

Ασκήσεις

Άσκηση 23�1Να χαρακτηρισθούν τα ένζυμα των παρακάτω αντιδράσεων ως oξειδoαvαγωγάση, τρανσφεράση, υδρoλάση, λυάση, ισoμεράση και συνθετάση (ή λιγάση)�

Απάντηση: α) συνθετάση ακυλο-CoA = συνθετάση, β) αφυδρογονάση 3-φωσφορικής γλυκερόλης = οξειδο-αναγωγάση, γ) φουμαράση = λυάση δ) μουτάση φωσφογλυκερικού = ισομεράση ε) ακετυλοχολινεστεράση = υδρολάση στ) εξοκινάση = τρανσφεράση

Άσκηση 23�2Ένζυμο Ε συνδέεται με υπόστρωμα S1 με Km = 0,02 mM, με υπόστρωμα S2 με Km = 0,3 mM και με υπό-στρωμα S3 με Km = 0,1 mM� Με ποιο υπόστρωμα εμφανίζει μεγαλύτερη συγγένεια;Απάντηση: Η σταθερά Km είναι μέτρο της σταθερότητας του συμπλόκου ES και εκφράζει τον βαθμό συγγένει-ας ενζύμου – υποστρώματος. Χαμηλές τιμές Km φανερώνουν μεγάλη συγγένεια, ενώ υψηλές τιμές Km μικρή συγγένεια ενζύμου – υποστρώματος. Επομένως, μεγαλύτερη συγγένεια εμφανίζει με το υπόστρωμα S1.

- 366 -

Βιβλιογραφία

Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (απόδοση στα ελληνικά: Δραΐνας, Δ., Χατζηλουκάς, Ε., Παπαδόπου-λος, Γ.Κ., Αλετράς, Α., Κωνσταντίνου, Α., Κούβελας, Η.) (2014). Βιοχημεία (1η έκδοση). Ηράκλειο: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης.

Bettelheim, F. A., Brown, W. H., Campbell, M. K., Farrell, S. O. (2010). Ιntroduction tο Organic and Biochemistry (7th ed.). Belmont: Brooks/Cole Cengage learning.

Διαμαντίδης, Γ. (1994). Εισαγωγή στη Βιοχημεία (2η έκδοση). Θεσσαλονίκη: University Studio Press.Hames, B.D. & Hooper, N.M. (2000). Instant Notes Biochemistry (2nd ed.). Oxford: BIOS Scientific

Publishers Limited.Koolman, J. & Roehm, K.H. (2005). Color Atlas of Biochemistry (2nd ed.). New York: Thieme.Nelson, D.L. & Cox M.M. (2004). Lehninger principles of biochemistry (4th ed.). New York: Freeman and

Company.Stryer, L. (απόδοση στα ελληνικά: Αλετράς, Α., Βαλκανά, Θ., Δραΐνας, Δ., Δραΐνας, Κ., Κούβελας, Η.,

Παπαδόπουλος, Γ.Κ., Παπαδόπουλος, Μ.Γ., Φράγκου-Λαζαρίδη, Μ.) (1994). Βιοχημεία (1ος τόμος). Ηράκλειο: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης.