ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Στρατηγικές κατάλυσης. ΕΝΖΥΜΑ Βιολογικοί καταλύτες: επιταχύνουν κατά πολύ (> 10 6 ) τη ταχύτητα των βιοχημικών αντιδράσεων χωρίς να.

Παρουσίαση με θέμα: "ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Στρατηγικές κατάλυσης. ΕΝΖΥΜΑ Βιολογικοί καταλύτες: επιταχύνουν κατά πολύ (> 10 6 ) τη ταχύτητα των βιοχημικών αντιδράσεων χωρίς να."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Στρατηγικές κατάλυσης

2 ΕΝΖΥΜΑ Βιολογικοί καταλύτες: επιταχύνουν κατά πολύ (> 10 6 ) τη ταχύτητα των βιοχημικών αντιδράσεων χωρίς να αναλίσκονται σε αυτές. 99,9 % των ενζύμων είναι πρωτε ΐ νες και το υπόλοιπο 0,1 % είναι κυρίως ριβοσωματικό RNA. Δεν αλλοιώνουν την χημική ισορροπία μιας αντίδρασης, απλά συντομεύουν κατά 1 εκατομμύριο φορές και άνω, τον χρόνο επίτευξης αυτής της ισορροπίας Έχουν μεγάλη εξειδίκευση (κάθε μια από τις περ. 15.000 βιοχημικές αντιδράσεις έχει το δικό της ένζυμο που την καταλύει).

3 ΕΝΖΥΜΑ (συν.) Η εξειδίκευση των ενζύμων επεκτείνεται και στην απαίτηση που έχουν αρκετά από αυτά για κατάλυση παρουσία συνενζύμου (βιταμίνης ή παράγωγού της) ή/και μεταλλικού συμπαράγοντα. Η εξειδίκευση των ενζύμων μεσολαβείται από το ενεργό τους κέντρο, μια διάταξη μερικών αμινοξέων οι πλευρικές αλυσίδες των οποίων σχηματίζουν μια θήκη μέσα στην οποία δεσμεύονται τα υποστρώματα, με τους προς διάσπαση δεσμούς των να βρίσκονται υπό ένταση. Έτσι, διευκολύνεται η διάσπαση συγκεκριμένων δεσμών και η δημιουργία νέων, ώστε να έχουμε μετατροπή αντιδρώντων σε προϊόντα.

4 ΕΝΖΥΜΑ (συνέχεια) Η εξειδίκευση των ενζύμων, πέρα από τη συγκριμένη αντίδραση που καταλύουν, αφορά και τη βέλτιστη θερμοκρασία, και το βέλτιστο pH κατάλυσης. Η λειτουργία των ενζύμων αναστέλλεται από ειδικούς αναστολείς (π.χ. συναγωνιστικούς, μη συναγωνιστικούς, αυτοκτονίας (με ομοιοπολική σύνδεση με το ένζυμο)). Η μεγάλη πλειοψηφία των φαρμάκων είναι ενζυμικοί αναστολείς! Η βέλτιστη θερμοκρασία αφορά στο είδος του οργανισμού που το περιέχει (ποικιλόθερμος ή ομοιόθερμος κλπ). Το βέλτιστο pH συνήθως παραπέμπει σε συγκεκριμένο υποκυτταρικό διαμέρισμα όπου το ένζυμο βρίσκεται και λειτουργεί.

5 ΟΥΣΙΑ ΕΝΖΥΜΙΚΗΣ ΔΡΑΣΗΣ 1. Αποδιαλυτοποίηση υποστρώματος 2. Επαγόμενη προσαρμογή συμπλόκου ενζύμου- υποστρώματος 3. Μεγάλη μείωση της ενέργειας ενεργοποίησης της αντίδρασης εξ αιτίας αυτού του συμπλόκου 4. Διάσπαση των υπό ένταση δεσμών και σχηματισμός νέων δεσμών, δηλ. των προϊόντων 5. Τα προϊόντα αποτελούν καλές απερχόμενες ομάδες, ώστε να έρθουν νέα αντιδρώντα.

6 Ουσία του κεφαλαίου για τις στρατηγικές κατάλυσης (φαινόμενο Κίρκης, κατά WP Jencks) Το κάθε ένζυμο έχει τον δικό του μηχανισμό κατάλυσης Θα δούμε τρία από τα πιο κοινά παραδείγματα μηχανισμών: χυμοθρυψίνης, ανθρακικής ανυδράσης και αζωτάσης Τα δύο τελευταία είναι μεταλλοένζυμα, η αζωτάση με επιπλέον πολύπλοκους συμπαράγοντες Οι αντίστοιχοι μηχανισμοί δράσης, καθώς και οι αρχές της κατάλυσης, είναι κοινοί για μεγάλες κατηγορίες παρόμοιων ενζύμων Δεν περιμένουμε να θυμόσαστε τις χημικές λεπτομέρειες των μηχανισμών, μόνο την ουσία της ενζυμικής δράσης, όπως την αποτυπώνει η προηγούμενη διαφάνεια.

7 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Χυμοθρυψίνη: ένα τυπικό πρωτεολυτικό ένζυμο Πεπτίδιο Δύο μικρότερα πεπτίδια

8 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

9

10 Βολεύει πολύ η χρήση υποστρώματος που οδηγεί σε έγχρωμο προϊόν Στο εργαστήριο θα μελετήσουμε την αλκαλική φωσφατάση και την όξινη φωσφατάση, δύο ένζυμα που μπορούν να σχηματίσουν π-νιτροφαινολικό ανιόν.

11 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

12

13 Για την ενεργοποίηση της χυμοθρυψίνης στη διάλεξη για ενζυμική ρύθμιση

14 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Όλα πρωτεολυτικά ένζυμα με παρόμοια καταλυτική τριάδα στο ενεργό τους κέντρο λέγονται σερινο-πρωτεάσες

15 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Η «φιντέλεια» (fidelity) μηχανισμού Ακρίβεια θέσεων ενεργού κέντρου Διαφορετικότητα μικροπεριβάλλοντος Αφού γίνει η δουλειά, όλα είναι όπως πριν

16 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28 Διοξείδιο του άνθρακα Στους περιφερικούς ιστούς  ↑  Στους πνεύμονες Ανθρακική ανυδράση

29 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

30

31 Το μόριο ύδατος δίπλα από το ιόν Zn 2+ γίνεται σχεδόν τόσο ισχυρό οξύ όσο η δισόξινη φωσφορική ρίζα, Η 2 ΡΟ 4 2-

32 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Η2ΟΗ2Ο His His

33 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

34 Η ποικιλία των βιολογικών λύσεων είναι σχεδόν ανεξάντλητη! ΜΟΝΟ ΓΙΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΗΣΗ!

35 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Αζωτάση: η αιτία που τα ψυχανθή είναι πολύ πλούσια σε άζωτο

36 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Αντίδραση Haber στα αζωτοβακτήρια: αντί υψηλής Ρ και Τ, ενέργεια από ΑΤΡ μέσω καύσεων 300 ατμ. Ν≡Ν + 3 Η 2 → 2 ΝΗ 3 500 ο C Ενδόεργη αντίδραση, άρα απαιτεί ενέργεια και επίσης, έχει μεγάλη ενέργεια ενεργοποίησης H + + e -

37 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Μεταφορά ηλεκτρονίων

38 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

39 Βιοσύνθεση αμινοξέων (από ΝΗ 3 της αζωτάσης)

40 Ουσία της δράσης της αζωτάσης (η βάση της αμειψισποράς) Συμβίωση ψυχανθών με αζωτοβακτήρια: οξυγόνο (για παραγωγή ΑΤΡ) έναντι αμμωνίας από την οποία τα πρώτα συνθέτουν όλες τις απαραίτητες αζωτούχες ενώσεις τους (αχρείαστο το αζωτούχο λίπασμα!) Η αζωτάση είναι συμπλεγμένη με αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων (και Η + ), και προσλαμ- βάνει ΑΤΡ από τις καύσεις, οπότε της παρέχε- ται η απαραίτητη ενέργεια (ενεργοποίησης και αντίδρασης) ώστε να διασπαστεί ο τριπλός δεσμός Ν≡Ν και να προκύψει ΝΗ 3.

41 Σχέση της αμειψισποράς με την προστασία από το φαινόμενο του θερμοκηπίου Είναι προφανές ότι με την αμειψισπορά αποφεύγουμε (ή στη χειρότερη περίπτωση περιορίζουμε σημαντικά) την λίπανση με αζωτούχα λιπάσματα. Δεν είναι περισσότερος κόπος για τον/ην αγρότη/ισσα, αλλά σημαίνει –Πολύ λιγότερα έξοδα για λιπάσματα –Περιορισμό της παραγωγής CO 2 στην ατμόσφαιρα από τα εργοστάσια λιπασμάτων

42 ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ Η αποτελεσματική κατάλυση απαιτεί στρατηγική (πορεία της ελάχιστης δράσης, κυτταρική οικονομία) Το κάθε ένζυμο παρουσιάζει τον δικό του τρόπο κατάλυσης, ο οποίος όμως ανήκει σε μια από τις λίγες γενικές υποκατηγορίες (π.χ. σερινοπρωτεάσες, σερινοεστεράσες) Η γνώση του μηχανισμού κατάλυσης μπορεί να οδηγήσει και στην κατασκευή πολύ καλών αναστολέων, πράγμα επιθυμητό για κομβικά ένζυμα που καταλύουν αντιδράσεις οι οποίες πρέπει να ανασταλούν (σημαντικά φάρμακα).