Bιοχημεία Νοσηλευτικής Τρούγκος Κωνσταντίνος Αν. Καθ. Βιοχημείας Εργ. Βιολογικής Χημείας ΕΚΠΑ- Ιατρική Σχολή

BIOXHMEIA ΜΑΘΗΜΑ 2ο: ΕΝΖΥΜΑ 2014

 Πρωτεϊνικοί καταλύτες που αυξάνουν την ταχύτητα των αντιδράσεων χωρίς να μεταβάλλονται ή να καταναλώνονται (Εξαίρεση τα ριβοένζυμα, τύποι RNA που κάνουν και κατάλυση πχ1 πεπτιδυλομεταφοράση πχ2 U RNAs στο μάτισμα). ΕΝΖΥΜΑ Τα ένζυμα είναι σφαιρικές πρωτεΐνες

Πως δρούν τα ένζυμα Για να γίνει μία αντίδραση πρέπει τα αντιδρώντα να διεγερθούν και να περάσουν σε μία ενδιάμεση κατάσταση που έχει υψηλότερη ενέργεια από τα αντιδρώντα. Η ενέργεια αυτή λέγεται ενέργεια ενεργοποίησης.(= φράγμα που πρέπει να υπερπηδηθεί). Τα ένζυμα μειώνουν την ενέργεια ενεργοποίησης διευκολύνοντας την αντίδραση. Στο κύτταρο η αύξηση της θερμοκρασίας δεν μπορεί νάναι μεγάλη γιατί θα οδηγούσε σε αποδιάταξη ενζύμων και πρωτεινών.

Ενέργεια Ενεργοποίησης

Δράση – ιδιότητες ενζύμων Τα ένζυμα είναι καταλύτες που μεταβάλλουν την ταχύτητα της αντίδρασης χωρίς να επηρεάζουν τη θέση της τελικής ισορροπίας. Δρούν σε μικροποσότητες Παραμένουν αναλλοίωτα στο τέλος της αντίδρασης. Παρουσιάζουν εξειδίκευση υψηλή, μέση, χαμηλή).

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΕΝΖΥΜΩΝ IΙ  Εξειδίκευση - εξειδίκευση υποστρώματος Η συγγένεια του ενζύμου ως προς το υπόστρωμα εκφράζεται από τη σταθερά Michaelis (Km) - εξειδίκευση δράσης Συγκεκριμένη εντόπιση  Συγκεκριμένη εντόπιση μέσα στο κύτταρο Ικανότητα ρύθμισης  Ικανότητα ρύθμισης της ενζυμικής δραστικότητας  Μερικά ένζυμα συνδυάζονται με έναν μη πρωτεϊνικό συμπαράγοντα απαραίτητος για την ενζυμική δραστικότητα

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΕΝΖΥΜΩΝ ΙΙΙ Συμπαράγοντες:  Συμπαράγοντες: απαραίτητοι για την ενζυμική δράση - Μεταλλικά ιόντα (πx Mg ++, Μn++) συνένζυμα - Οργανικά μόρια (συνένζυμα) συχνά παράγωγα βιταμινών Δεμένο με ασθενείς δεσμούς με το ένζυμο. προσθετική ομάδα Αν είναι ισχυρά συνδεδεμένο(ομοιοπολικά) με το ένζυμο ονομάζεται προσθετική ομάδα) ΟΛΟΕΝΖΥΜΟ = ΑΠΟΕΝΖΥΜΟ + ΣΥΜΠΑΡΑΓΟΝΤΑ

ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗΤΩΝ ΕΝΖΥΜΩΝ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗΤΩΝ ΕΝΖΥΜΩΝ. Οξειδοαναγωγάσες 1. Οξειδοαναγωγάσες (αφυδρογονάσες, οξειδάσες,υπεροξειδάσες, αναγωγάσες) Τρανσφεράσες 2. Τρανσφεράσες (αμινοτρανσφεράσες, φωσφοτρανσφεράσες) Υδρολάσες 3. Υδρολάσες (εστεράσες, πεπτιδάσες, γλυκοσιδάσες) Λυάσες 4. Λυάσες Ισομεράσες 5. Ισομεράσες (επιμεράσες, cis-trans ισομεράσες) Λιγάσες 6. Λιγάσες οξείδωσης-αναγωγής Καταλύουν αντιδράσεις οξείδωσης-αναγωγής μεταφορά ομάδων που περιέχουν C, N, P Καταλύουν τη μεταφορά ομάδων που περιέχουν C, N, P σχάση δεσμών με προσθήκη νερού Καταλύουν τη σχάση δεσμών με προσθήκη νερού σχάσης/δημιου- ργίας δεσμών,όπου προκύπτουν εξαφανίζονται διπλοί δεσμοί Καταλύουν σχάσης/δημιου- ργίας δεσμών,όπου προκύπτουν εξαφανίζονται διπλοί δεσμοί ισομερείωσης Καταλύουν αντιδράσεις ισομερείωσης τη δημιουργίας δεσμών μεταξύ C και Ο, S, ή Ρ με υδρόλυση φωσφορι- κών ομάδων υψηλής ενέργειας Καταλύουν τη δημιουργίας δεσμών μεταξύ C και Ο, S, ή Ρ με υδρόλυση φωσφορι- κών ομάδων υψηλής ενέργειας

Τρόπος δράσης ενζύμων Αντιδρών ονομάζεται υπόστρωμα S To S ενώνεται με το ένζυμο Ε  ΕS σε μία ειδική θέση του ενζύμου που λέγεται ενεργό κέντρο, συνήθως με ασθενείς δεσμούς. Πρόκειται για μία «εσοχή» Το ενεργό κέντρο σχηματίζεται από αμινοξέα που απέχουν στην Ιαγή δομή.

Λειτουργία ενζύμου

Η ενεργός θέση διευκολύνει τη μετάβαση του υποστρώματος σε προϊόν  Απομάκρυνση μορίων νερού  Προσέγγιση και προσανατολισμό των υποστρωμάτων  Σταθεροποίηση της μεταβατικής κατάστασης  Καταλυτικές ομάδες που αυξάνουν την πιθανότητα σχηματισμού της μεταβατικής κατάστασης (οξεοβασική κατάλυση, ομοιοπολική κατάλυση, κατάλυση μεταλλοϊόντων)  Η πρόσδεση των υποστρωμάτων στο ενεργό κέντρο του ενζύμου επιτυγχάνεται με: - Ηλεκτροστατικούς δεσμούς - Δεσμούς υδρογόνου - Υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις -( Σε μερικά ένζυμα και με ομοιοπολικούς δεσμούς)= ομοιοπολική κατάλυση

Μοντέλα σύνδεσης SE Κλειδί –κλειδαριά (Fisher), το ενεργό κέντρο έχει συμπληρωματικό σχήμα ως προς το υπόστρωμα. Επαγόμενης προσαρμογής (Κoshland), το ενεργό κέντρο αποκτά συμπληρωματικό σχήμα μετά τη σύνδεση του S.

Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα της αντίδρασης. pH T (θερμοκρασία) Συγκέντρωση Ενζύμου Συγκέντρωση υποστρώματος

Το pH Μικρές αλλαγές του pH μέσα στο κύτταρο δεν επηρεάζουν σημαντικά τη δράση του ενζύμου. Μεγάλες οδηγούν σε αποδιάταξη του ενζύμου και αδρανοποίηση (αλλάζουν τον ιοντισμό)

Η συγκέντρωση του Ενζύμου Η ταχύτητα της αντίδρασης είναι ανάλογος της συγκέντρωσης του ενζύμου έως κάποιο βαθμό.

Η σημασία της επίδρασης της συγκέντρωσης του υποστρώματος στην ταχύτητα της αντίδρασης αποτελεί τη βάση της ενζυμικής κινητικής.

ΕΝΖΥΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ

Οι περισσότερες χημικές αντιδράσεις προχωρούν πολύ αργά χωρίς την παρουσία ενζύμου ΑΒ Α: υπόστρωμα Β: προϊόν Ταχύτητα της αντίδρασης (v): o ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης του υποστρώματος (ή του προϊόντος στη μονάδα του χρόνου V= ΔS/Δt Ή V = ΔP/Δt Eνζυμική Ενεργότητα. Μονάδα μέτρησης της ενζυμικής ενεργότητας είναι το Unit. 1unit είναι η ποσότητα του ενζύμου που μετατρέπει 1μ mol υποστρώματος σε 1 λεπτό. v = k [A], k: σταθερά της ταχύτηταςv = k [A], k: σταθερά της ταχύτητας Μταβατική κατάστασηΜταβατική κατάσταση

Πειράματα όπου μεταβάλλουμε τη [S] και παρατηρούμε τη μεταβολή της ταχύτητας V. Πειράματα Michaelis -Menten Κρατάμε σταθερά pH T o [ enz]

Κινητική των αντιδράσεων που καταλύονται από ένζυμα (σταθερά Μichaelis-Menten, Κm) Ε (ένζυμο) + S (υπόστρωμα)ΕS (σύμπλοκο)Ε + Ρ (προϊόν) Κ3Κ3 Κ1Κ1 Κ2Κ2

Παραδοχές Michaelis - Menten Η αντίδραση δεν ολοκληρώνεται άμεσα, άρα στην αρχή [P] = 0 [ES] παραμένει σταθερό Η ταχύτητα καθορίζεται από το βραδύτερο στάδιο v= k 3 [ES] Με τις παραδοχές αυτές βγαίνει ο τύπος

Κινητική των αντιδράσεων που καταλύονται από ένζυμα (Εξίσωση Μichaelis-Menten) V o = Vmax [S] Km + [S] Αν [S] <<<Km, τότε V=V max [S]/Km (πρώτης τάξης αντίδραση) Αν [S]>>>Km, τότε V=V max (αντίδραση μηδενικής τάξης) Αν [S]=Km, τότε V=V max /2 - η Km είναι αριθμητικά ίση με τη συγκέντρωση του υποστρώματος, στην οποία η Vαντίδρασης είναι ίση με V max /2 - μικρή Κm αντικατοπτρίζει μεγάλη συγγένεια του ενζύμου για το υπόστρωμα - μεγάλη Κm αντικατοπτρίζει μικρή συγγένεια του ενζύμου για το υπόστρωμα

Οι δύο σταθερές που χαρακτηρίζουν μία αντίδραση σύμφωνα με Μ.Μ είναι Κm. Μας πληροφορεί για το βαθμό συγγένειας ενζύμου-υποστρώματος (μικρή Κm μεγάλη συγγένεια). Vmax. Μας πληροφορεί για το πόσα μόρια υποστρώματος μετατρέπονται σε κάθε λεπτό από ένα μόριο ενζύμου.

Διάγραμμα Lineweaver-Burke 1 / Vo = Km / V max [S] + 1 / V max

Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα των αντιδράσεων που καταλύονται από ένζυμα Α. Συγκέντρωση του υποστρώματος Κορεσμός του ενζύμου Διάγραμμα Lineweaver-Burke 1 / Vo = Km / V max [S] + 1 / V max

Παράγοντες που επηρεάζουν ταχύτητα αντιδράσεων pH T o Συγκέντρωση [ενζύμου] Εχει ήδη γίνει αναφορά

ΑΝΑΣΤΟΛΕΙΣ

Παράγοντες που επηρεάζουν την ενεργότητα των ενζύμων Παρουσία Αναστολέων Αναστολέας μπορεί να δρα αντιστρεπτά και μη αντιστρεπτά ΜΗ ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΗ ΑΝΑΣΤΟΛΗ Η δράση του αναστολέα είναι μόνιμη, ακόμα και αν αφαιρεθεί το ένζυμο δεν επανακτά την ενεργότητά του. - φαρμακολογική δράση αντιβιοτικά αναστολείς ενζύμων που συνθέτουν το βακτηριακό κυτταρικό τοίχωμα πχ πενεκιλλίνη εμποδίζει τη τρανσπεπτιδάση ένζυμο βιοσύνθεσης βακτηριακου τοιχώματος. ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΗ ΑΝΑΣΤΟΛΗ  Συνηθέστεροι τύποι : η συναγωνιστική και μη συναγωνιστική αναστολή

Πενικιλλίνη Εμποδίζει τη δημιουργία του βακτηριακού τοιχώματος Προσδένεται μη αντιστρεπτά στο ενεργό κέντρο της τρανσπεπτιδάσης

Aντιστρεπτή Αναστολή Συναγωνιστική Μη Συναγωνιστική

Συναγωνιστική Αναστολή Ο αναστολέας προσδένεται:  Αντιστρεπτά στο ενεργό κέντρο του ενζύμου και εμποδίζει τη πρόσδεση του υποστρώματος Μοιάζει με το υπόστρωμα  Iδια Vmax  Διαφορετικό Km  Συναγωνίζεται το υπόστρωμα για τη θέση αυτή (↑Km)

Συναγωνιστικός αναστολέας.

Συναγωνιστική αναστολή Η έκταση της Συν. αναστολής εξαρτάται: Συγκέντρωση υποστρώματος Συγκέντρωση αναστολέα Συγγένεια ενζύμου ως προς το υπόστρωμα και ως προς τον αναστολέα.

Συναγωνιστική Αναστολή Vmax ίδια Κm διαφορετικό

ΜΗ Συναγωνιστική Αναστολή Ο αναστολέας προσδένεται:  Σε διαφορετική θέση από το ενεργό κέντρο  Τροποποιεί τη τρισδιάστατη δομή του ενζύμου με αποτέλεσμα το υπόστρωμα να μη δεσμεύεται αποτελεσματικά  Δεν μοιάζει με το υπόστρωμα  Είτε στο ελεύθερο ένζυμο ΕΙ, είτε στο σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος ΕSI που γίνεται ανενεργό, άρα είναι σαν να υπάρχει λιγότερο ένζυμο  Vmax μειώνεται

M συναγωνιστικός αναστολέας Πρόσδεση σε άλλη θέση διαφορετική του ενεργού κέντρου

Μη συναγωνιστική αναστολή Vmax μειώνεται Km παραμένει ίδιο

Η έκταση της μη συναγωνιστικής αναστολής εξαρτάται Από τη συγκέντρωση του αναστολέα Από τη συγγένεια του ενζύμου ως προς τον αναστολέα

Διπλό αντίστροφο/ Συναγωνιστική αναστολή Ιδια Vmax Διαφορετικό Κm

Διπλό αντίστροφο/ μη συναγωνιστική αναστολή ίδιο Κm Διαφορετική Vmax

Συνένζυμα

Σε αντίθεση με τα ένζυμα, τα συνένζυμα (οργανικά μόρια προσδεδεμένα με ασθενείς δεσμούς στο ένζυμο): - δεν έχουν καταλυτική δράση - υφίστανται μετατροπή κατά τη διάρκεια της αντίδρασης (συνυποστρώματα: προσωρινοί δέκτες ηλεκτρονικών, π.χ. NAD+, NADP+, ή ομάδων ατόμων π.χ. συνένζυμο Α) και αναγεννιόνται μέσω μιας 2ης αντίδρασης καταλυόμενης είτε από το ίδιο είτε από ένα άλλο ένζυμο - δεν είναι ειδικά ως προς το ένζυμο

Αλλοστερικά Ενζυμα

Είναι ένζυμα που αποτελούνται από περισσότερες υπομονάδες. Εχουν ένα άλλο κέντρο (αλλοστερικό) όπου προσδένεται ο αλλοστερικός τροποποιητής (ενεργοποιητής ή αναστολέας) που μεταβάλλει τη δράση τους Υπάρχουν σε δύο μορφές R (relax) ενεργός και Τ (tense) διαφορετικής ενεργότητας (χαμηλότερης)

Αλλοστερικά ένζυμα συνέχεια Δεν υπακούουν στη κινητική Michaelis- Menten Δίνουν σιγμοειδείς καμπύλες [ V = f (S) ] Παρουσιάζουν συνεργατικότητα οι υπομονάδες

Ρύθμιση της ενζυμικής δραστικότητας στον οργανισμό  Aλλοστερική ρύθμιση - μη ομοιοπολική πρόσδεση των τροποποιητών σε μία θέση διαφορετική από την ενεργό - τροποποίηση της συγγένειας του ενζύμου για το υπόστρωμα ή/και της μέγιστης καταλυτική του δραστικότητας - Αναστολή (αρνητικοί τροποποιητές) ή αύξηση (θετικοί τροποποιητές) της ενζυμικής δραστικότητας

-Οι τροποποιητές διακρίνονται σε: ομότροπους: το υπόστρωμα χρησιμεύει ως τροποποιητής συνήθως θετικός τροποποιητής (συνεργατικότητα) ετερότροπους: ο τροποποποιητής είναι διαφορετικός από το υπόστρωμα π.χ. αναδραστική αναστολή από το προϊόν της αντίδρασης τα αλλοστερικά ένζυμα εμφανίσουν σιγμοειδή καμπύλη

Ρύθμιση της ενζυμικής δραστικότητας στον οργανισμό  Ομοιοπολική τροποποίηση των ενζύμων: - συνήθως με την προσθήκη ή απόσπαση φωσφορικών ομάδων από συγκεκριμένα υπολείμματα Ser, Thr ή Τyr του ενζύμου  Πρωτεόλυση: - αποθήκευση ως προένζυμα - ενεργοποίηση μέσω αφαίρεσης ενός τμήματος της πεπτιδικής αλυσίδας  Επαγωγή ή καταστολή της σύνθεσης του ενζύμου - μεταβολή του συνολικού αριθμού των ενζύμων - συνήθως για ένζυμα που απαιτούνται σε συγκεκριμένες συνθήκες - αργές αλλαγές  Ισοένζυμα - Καταλύουν την ίδια αντίδραση αλλά έχουν διαφορετική Ιαγή δομή (προιόντα διαφορετικών γονιδίων),έχουν και διαφορετική συγγένεια Δηλ διαφορετικό Κm για το υπόστρωμα.

Τα ένζυμα στην κλινική διάγνωση Ένζυμα Εκκρινόμενα Κυτταρικά πλάσμα γαστρεντερικόσωλήνα αυξημένα επίπεδα ενζυμικών δραστικοτήτων στο πλάσμα υποδηλώνει καταστροφή ιστού.  Με εξαίρεση τα ένζυμα που εκκρίνονται φυσιολογικά στο πλάσμα, αυξημένα επίπεδα ενζυμικών δραστικοτήτων στο πλάσμα υποδηλώνει καταστροφή ιστού.  Αν τα ένζυμα εμφανίζουν σχετικά μεγάλες δραστικότητες σε έναν ή σε λίγους ιστούς τότε ταυτοποιείται ο κατεστραμμένος ιστός  Αν τα ένζυμα εμφανίζουν σχετικά μεγάλες δραστικότητες σε έναν ή σε λίγους ιστούς (π.χ. η αμινοτρασφεράση της αλανίνης στο ήπαρ), τότε ταυτοποιείται ο κατεστραμμένος ιστός Διάφορα όργανα περιέχουν χαρακτηριστικές αναλογίες των διαφορετικών ισοενζύμων  Διάφορα όργανα περιέχουν χαρακτηριστικές αναλογίες των διαφορετικών ισοενζύμων (=ένζυμα που καταλύουν την ίδια αντίδραση δηλ ισοένζυμα, αλλά έχουν διαφορετική αμινοξική ακολουθία, άρα και διαφορετικές φυσικές ιδιότητες-διαχωρίζονται με ηλεκτροφόρηση)

Ενζυμικές δραστικότητες μετά από οξύ έμφραγμα του μυοκαρδίου CK= κρεατινική κινάση μυς του μυοκαρδίου >5% της ολικής δραστικότητας CK, ως συνένζυμο CK-MB (CK2) LDH= γαλακτική δεϋδρογονάση Κάθοδος (-) Άνοδος (+) CK1-MM CK2-MB CK3-MM

Ερωτήσεις για μελέτη 1.Ένζυμα-χαρακτηριστικές τους ιδιότητες. 2.Διαφορές μεταξύ ενζύμων και συνενζύμων. 3.Τι είναι το ενεργό κέντρο και πως συμμετέχει στην κατάλυση των αντιδράσεων. 4.Σταθερά Κm-εξίσωση Μichaelis-Menten 5.Σημασία της Km 6.Ποιοι φυσικοί παράγοντες επηρεάζουν την ταχύτητα της αντίδρασης και με ποιο τρόπο; 7.Αναφέρατε τους κύριους τύπους αναστολής των ενζύμων. Ποιες οι διαφορές μεταξύ τους; 8.Συναγωνιστική και μη συναγωνιστική αναστολή. Κm kai Vmax, μεταβολές αντίστοιχα. 9.Ρύθμιση της ενζυμικής δραστικότητας. 10.Αλλοστερικά ένζυμα. 11.Ισοένζυμα, τι γνωρίζετε.