2.3.6: Ένζυμα

Last updated
Save as PDF

Page ID: 213706

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Μαθησιακοί Στόχοι

Μέχρι το τέλος αυτής της ενότητας, θα μπορείτε να κάνετε τα εξής:

Περιγράψτε το ρόλο των ενζύμων στις μεταβολικές οδούς
Εξηγήστε πώς λειτουργούν τα ένζυμα ως μοριακοί καταλύτες
Συζητήστε τη ρύθμιση των ενζύμων από διάφορους παράγοντες

Μια ουσία που βοηθά στην εμφάνιση μιας χημικής αντίδρασης είναι ένας καταλύτης και τα ειδικά μόρια που καταλύουν τις βιοχημικές αντιδράσεις είναι ένζυμα. Σχεδόν όλα τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες, που αποτελούνται από αλυσίδες αμινοξέων και εκτελούν το κρίσιμο έργο της μείωσης των ενεργειών ενεργοποίησης των χημικών αντιδράσεων μέσα στο κύτταρο. Τα ένζυμα το κάνουν αυτό δεσμεύοντας τα μόρια του αντιδρώντος και κρατώντας τα με τέτοιο τρόπο ώστε να πραγματοποιούνται πιο εύκολα οι διαδικασίες διάσπασης χημικών δεσμών και σχηματισμού δεσμών. Είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι τα ένζυμα δεν αλλάζουν το ΔG της αντίδρασης Με άλλα λόγια, δεν αλλάζουν εάν μια αντίδραση είναι εξεργονική (αυθόρμητη) ή ενδεργονική. Αυτό συμβαίνει επειδή δεν αλλάζουν την ελεύθερη ενέργεια των αντιδρώντων ή των προϊόντων. Μειώνουν μόνο την ενέργεια ενεργοποίησης που απαιτείται για να φτάσουν στη μεταβατική κατάσταση (Εικόνα 6.15).

Αυτή η γραφική παράσταση δείχνει ότι ένας καταλύτης μειώνει την ενέργεια ενεργοποίησης για μια αντίδραση αλλά δεν αλλάζει την ελεύθερη ενέργεια Gibbs.

Εικόνα 6.15 Τα ένζυμα μειώνουν την ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης αλλά δεν αλλάζουν την ελεύθερη ενέργεια της αντίδρασης.

Ειδικότητα ενεργής θέσης ενζύμου και υποστρώματος

Τα χημικά αντιδρώντα στα οποία συνδέεται ένα ένζυμο είναι τα υποστρώματα του ενζύμου. Μπορεί να υπάρχουν ένα ή περισσότερα υποστρώματα, ανάλογα με τη συγκεκριμένη χημική αντίδραση. Σε ορισμένες αντιδράσεις, ένα υπόστρωμα ενός αντιδρώντος διασπάται σε πολλαπλά προϊόντα. Σε άλλα, δύο υποστρώματα μπορεί να ενωθούν για να δημιουργήσουν ένα μεγαλύτερο μόριο. Δύο αντιδρώντα μπορεί επίσης να εισέλθουν σε μια αντίδραση, και τα δύο να τροποποιηθούν και να αφήσουν την αντίδραση ως δύο προϊόντα. Η θέση εντός του ενζύμου όπου συνδέεται το υπόστρωμα είναι η ενεργή θέση του ενζύμου. Εδώ συμβαίνει η «δράση». Δεδομένου ότι τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες, υπάρχει ένας μοναδικός συνδυασμός υπολειμμάτων αμινοξέων (επίσης πλευρικές αλυσίδες ή ομάδες R) εντός της ενεργού θέσης. Διαφορετικές ιδιότητες χαρακτηρίζουν κάθε υπόλειμμα. Αυτά μπορεί να είναι μεγάλα ή μικρά, ασθενώς όξινα ή βασικά, υδρόφιλα ή υδρόφοβα, θετικά ή αρνητικά φορτισμένα ή ουδέτερα. Ο μοναδικός συνδυασμός υπολειμμάτων αμινοξέων, οι θέσεις, οι αλληλουχίες, οι δομές και οι ιδιότητές τους, δημιουργεί ένα πολύ συγκεκριμένο χημικό περιβάλλον εντός της ενεργού θέσης. Αυτό το συγκεκριμένο περιβάλλον είναι κατάλληλο για σύνδεση, αν και εν συντομία, με ένα συγκεκριμένο χημικό υπόστρωμα (ή υποστρώματα). Λόγω αυτής της αντιστοίχισης που μοιάζει με παζλ μεταξύ ενός ενζύμου και των υποστρωμάτων του (το οποίο προσαρμόζεται για να βρει την καλύτερη προσαρμογή μεταξύ της μεταβατικής κατάστασης και της ενεργού θέσης), τα ένζυμα είναι γνωστά για την ειδικότητά τους. Η «καλύτερη εφαρμογή» προκύπτει από το σχήμα και την έλξη της λειτουργικής ομάδας αμινοξέων στο υπόστρωμα. Υπάρχει ένα ειδικά αντιστοιχισμένο ένζυμο για κάθε υπόστρωμα και, επομένως, για κάθε χημική αντίδραση. Ωστόσο, υπάρχει επίσης ευελιξία.

Το γεγονός ότι οι ενεργές τοποθεσίες είναι τόσο κατάλληλες για να παρέχουν συγκεκριμένες περιβαλλοντικές συνθήκες σημαίνει επίσης ότι υπόκεινται σε τοπικές περιβαλλοντικές επιρροές. Είναι αλήθεια ότι η αύξηση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος γενικά αυξάνει τους ρυθμούς αντίδρασης, καταλύονται από ένζυμα ή με άλλο τρόπο. Ωστόσο, η αύξηση ή η μείωση της θερμοκρασίας εκτός ενός βέλτιστου εύρους μπορεί να επηρεάσει τους χημικούς δεσμούς εντός της ενεργού θέσης με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι λιγότερο κατάλληλοι για τη δέσμευση υποστρωμάτων. Οι υψηλές θερμοκρασίες τελικά θα προκαλέσουν μετουσίωση ενζύμων, όπως και άλλα βιολογικά μόρια, μια διαδικασία που αλλάζει τις φυσικές ιδιότητες της ουσίας. Ομοίως, το pH του τοπικού περιβάλλοντος μπορεί επίσης να επηρεάσει τη λειτουργία των ενζύμων. Τα υπολείμματα αμινοξέων ενεργού θέσης έχουν τις δικές τους όξινες ή βασικές ιδιότητες που είναι βέλτιστες για κατάλυση. Αυτά τα υπολείμματα είναι ευαίσθητα σε αλλαγές στο pH που μπορούν να επηρεάσουν τον τρόπο σύνδεσης των μορίων του υποστρώματος. Τα ένζυμα είναι κατάλληλα για να λειτουργούν καλύτερα εντός ενός συγκεκριμένου εύρους pH και, όπως και με τη θερμοκρασία, οι ακραίες περιβαλλοντικές τιμές pH (όξινες ή βασικές) μπορούν να προκαλέσουν μετουσίωση των ενζύμων.

Επαγόμενη προσαρμογή και ενζυμική λειτουργία

Για πολλά χρόνια, οι επιστήμονες πίστευαν ότι η δέσμευση ενζύμου-υποστρώματος πραγματοποιήθηκε με απλό τρόπο «κλειδώματος και κλειδιού». Αυτό το μοντέλο ισχυρίστηκε ότι το ένζυμο και το υπόστρωμα ταιριάζουν τέλεια μεταξύ τους σε ένα στιγμιαίο βήμα. Ωστόσο, η τρέχουσα έρευνα υποστηρίζει μια πιο εκλεπτυσμένη άποψη που οι επιστήμονες αποκαλούν επαγόμενη προσαρμογή (Εικόνα 6.16). Αυτό το μοντέλο επεκτείνεται στο μοντέλο κλειδώματος και κλειδιού περιγράφοντας μια πιο δυναμική αλληλεπίδραση μεταξύ ενζύμου και υποστρώματος. Καθώς το ένζυμο και το υπόστρωμα ενώνονται, η αλληλεπίδρασή τους προκαλεί μια ήπια μετατόπιση στη δομή του ενζύμου που επιβεβαιώνει μια ιδανική διάταξη δέσμευσης μεταξύ του ενζύμου και της μεταβατικής κατάστασης του υποστρώματος. Αυτή η ιδανική δέσμευση μεγιστοποιεί την ικανότητα του ενζύμου να καταλύει την αντίδρασή του.

Σύνδεση με τη μάθηση

Δείτε ένα κινούμενο σχέδιο επαγόμενης προσαρμογής σε αυτόν τον ιστότοπο.

Όταν ένα ένζυμο δεσμεύει το υπόστρωμά του, σχηματίζει ένα σύμπλεγμα ενζύμου-υποστρώματος. Αυτό το σύμπλεγμα μειώνει την ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης και προάγει την ταχεία εξέλιξή της με έναν από τους πολλούς τρόπους. Σε βασικό επίπεδο, τα ένζυμα προάγουν χημικές αντιδράσεις που περιλαμβάνουν περισσότερα από ένα υπόστρωμα ενώνοντας τα υποστρώματα σε βέλτιστο προσανατολισμό. Η κατάλληλη περιοχή (άτομα και δεσμοί) ενός μορίου αντιπαρατίθεται με την κατάλληλη περιοχή του άλλου μορίου με την οποία πρέπει να αντιδράσει. Ένας άλλος τρόπος με τον οποίο τα ένζυμα προάγουν την αντίδραση του υποστρώματος είναι η δημιουργία ενός βέλτιστου περιβάλλοντος εντός της ενεργού θέσης για να συμβεί η αντίδραση. Ορισμένες χημικές αντιδράσεις μπορεί να προχωρήσουν καλύτερα σε ένα ελαφρώς όξινο ή μη πολικό περιβάλλον. Οι χημικές ιδιότητες που προκύπτουν από τη συγκεκριμένη διάταξη υπολειμμάτων αμινοξέων μέσα σε μια ενεργή θέση δημιουργούν το τέλειο περιβάλλον για να αντιδράσουν τα συγκεκριμένα υποστρώματα ενός ενζύμου.

Έχετε μάθει ότι η ενέργεια ενεργοποίησης που απαιτείται για πολλές αντιδράσεις περιλαμβάνει την ενέργεια που εμπλέκεται στο χειρισμό ή την ελαφρά συστροφή χημικών δεσμών έτσι ώστε να μπορούν εύκολα να σπάσουν και να επιτρέψουν σε άλλους να μεταρρυθμιστούν. Η ενζυματική δράση μπορεί να βοηθήσει αυτή τη διαδικασία. Το σύμπλεγμα ενζύμου-υποστρώματος μπορεί να μειώσει την ενέργεια ενεργοποίησης παραμορφώνοντας τα μόρια του υποστρώματος με τέτοιο τρόπο ώστε να διευκολύνει το σπάσιμο του δεσμού, βοηθώντας στην επίτευξη της μεταβατικής κατάστασης. Τέλος, τα ένζυμα μπορούν επίσης να μειώσουν τις ενέργειες ενεργοποίησης συμμετέχοντας στην ίδια τη χημική αντίδραση. Τα υπολείμματα αμινοξέων μπορούν να παρέχουν ορισμένα ιόντα ή χημικές ομάδες που στην πραγματικότητα σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς με μόρια υποστρώματος ως απαραίτητο βήμα της διαδικασίας αντίδρασης. Σε αυτές τις περιπτώσεις, είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι το ένζυμο θα επιστρέφει πάντα στην αρχική του κατάσταση κατά την ολοκλήρωση της αντίδρασης. Μία από τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των ενζύμων είναι ότι παραμένουν τελικά αμετάβλητα από τις αντιδράσεις που καταλύουν. Αφού ένα ένζυμο καταλύει μια αντίδραση, απελευθερώνει το προϊόν (τα) του.

Σε αυτό το διάγραμμα, ένα υπόστρωμα δεσμεύει την ενεργή θέση ενός ενζύμου και, κατά τη διαδικασία, τόσο το σχήμα του ενζύμου όσο και το σχήμα του υποστρώματος αλλάζουν. Το υπόστρωμα μετατρέπεται σε προϊόντα που στη συνέχεια αφήνουν τα ένζυμα ενεργή θέση.

Εικόνα 6.16 Σύμφωνα με το μοντέλο επαγόμενης προσαρμογής, τόσο το ένζυμο όσο και το υπόστρωμα υφίστανται δυναμικές διαμορφωτικές αλλαγές κατά τη σύνδεση. Το ένζυμο παραμορφώνει το υπόστρωμα στη μεταβατική του κατάσταση, αυξάνοντας έτσι τον ρυθμό της αντίδρασης.

Έλεγχος μεταβολισμού μέσω ρύθμισης ενζύμων

Φαίνεται ιδανικό να έχουμε ένα σενάριο στο οποίο όλα τα κωδικοποιημένα ένζυμα στο γονιδίωμα ενός οργανισμού υπήρχαν σε άφθονη παροχή και λειτουργούσαν βέλτιστα υπό όλες τις κυτταρικές συνθήκες, σε όλα τα κύτταρα, ανά πάσα στιγμή. Στην πραγματικότητα, αυτό απέχει πολύ από την περίπτωση. Μια ποικιλία μηχανισμών διασφαλίζει ότι αυτό δεν συμβαίνει. Οι κυτταρικές ανάγκες και συνθήκες ποικίλλουν από κύτταρο σε κύτταρο και αλλάζουν μέσα σε μεμονωμένα κύτταρα με την πάροδο του χρόνου. Τα απαιτούμενα ένζυμα και οι ενεργειακές απαιτήσεις των κυττάρων του στομάχου είναι διαφορετικές από εκείνες των κυττάρων αποθήκευσης λίπους, των κυττάρων του δέρματος, των κυττάρων του αίματος και των νευρικών κυττάρων. Επιπλέον, ένα πεπτικό κύτταρο εργάζεται πολύ πιο σκληρά για να επεξεργαστεί και να διασπάσει τα θρεπτικά συστατικά κατά τη διάρκεια του χρόνου που ακολουθεί στενά ένα γεύμα σε σύγκριση με πολλές ώρες μετά το γεύμα. Καθώς αυτές οι κυτταρικές απαιτήσεις και συνθήκες ποικίλλουν, το ίδιο ισχύει και για τις ποσότητες και τη λειτουργικότητα διαφορετικών ενζύμων.

Δεδομένου ότι οι ρυθμοί των βιοχημικών αντιδράσεων ελέγχονται από την ενέργεια ενεργοποίησης και τα ένζυμα μειώνουν και καθορίζουν τις ενέργειες ενεργοποίησης για χημικές αντιδράσεις, οι σχετικές ποσότητες και η λειτουργία της ποικιλίας των ενζύμων μέσα σε ένα κύτταρο καθορίζουν τελικά ποιες αντιδράσεις θα προχωρήσουν και με ποιους ρυθμούς. Αυτή η αποφασιστικότητα ελέγχεται αυστηρά. Σε ορισμένα κυτταρικά περιβάλλοντα, περιβαλλοντικοί παράγοντες όπως το pH και η θερμοκρασία ελέγχουν εν μέρει τη δραστηριότητα των ενζύμων. Υπάρχουν άλλοι μηχανισμοί μέσω των οποίων τα κύτταρα ελέγχουν τη δραστηριότητα των ενζύμων και καθορίζουν τους ρυθμούς με τους οποίους θα συμβούν διάφορες βιοχημικές αντιδράσεις.

Μοριακή ρύθμιση ενζύμων

Τα ένζυμα μπορούν να ρυθμιστούν με τρόπους που είτε προάγουν είτε μειώνουν τη δραστηριότητά τους. Υπάρχουν πολλά διαφορετικά είδη μορίων που αναστέλλουν ή προάγουν τη λειτουργία των ενζύμων και υπάρχουν διάφοροι μηχανισμοί για να γίνει αυτό. Για παράδειγμα, σε ορισμένες περιπτώσεις αναστολής ενζύμου, ένα μόριο αναστολέα είναι αρκετά παρόμοιο με ένα υπόστρωμα που μπορεί να συνδεθεί με τη δραστική θέση και απλά να εμποδίσει τη σύνδεση του υποστρώματος. Όταν συμβεί αυτό, το ένζυμο αναστέλλεται μέσω ανταγωνιστικής αναστολής, επειδή ένα μόριο αναστολέα ανταγωνίζεται το υπόστρωμα για δέσμευση ενεργού θέσης (Εικόνα 6.17). Από την άλλη πλευρά, σε μη ανταγωνιστική αναστολή, ένα μόριο αναστολέα συνδέεται με το ένζυμο σε μια θέση διαφορετική από την ενεργή θέση, που ονομάζεται αλλοστερική θέση, αλλά εξακολουθεί να καταφέρνει να αποτρέψει τη σύνδεση του υποστρώματος στην ενεργή θέση. Ορισμένα μόρια αναστολέα συνδέονται με ένζυμα σε μια θέση όπου η δέσμευσή τους προκαλεί μια διαμορφωτική αλλαγή που μειώνει τη δραστηριότητα του ενζύμου καθώς δεν καταλύει πλέον αποτελεσματικά τη μετατροπή του υποστρώματος σε προϊόν.

Αυτή η γραφική παράσταση δείχνει ρυθμό αντίδρασης έναντι συγκέντρωσης υποστρώματος για ένα ένζυμο απουσία αναστολέα και για ένζυμο παρουσία ανταγωνιστικών και μη ανταγωνιστικών αναστολέων. Τόσο οι ανταγωνιστικοί όσο και οι μη ανταγωνιστικοί αναστολείς επιβραδύνουν τον ρυθμό αντίδρασης, αλλά οι ανταγωνιστικοί αναστολείς μπορούν να ξεπεραστούν με υψηλές συγκεντρώσεις υποστρώματος, ενώ οι μη ανταγωνιστικοί αναστολείς δεν μπορούν.

Εικόνα 6.17 Η ανταγωνιστική και μη ανταγωνιστική αναστολή επηρεάζουν διαφορετικά τον ρυθμό της αντίδρασης. Οι ανταγωνιστικοί αναστολείς επηρεάζουν τον αρχικό ρυθμό αλλά δεν επηρεάζουν τον μέγιστο ρυθμό. ενώ, οι μη ανταγωνιστικοί αναστολείς επηρεάζουν το μέγιστο ποσοστό.

Ορισμένα μόρια αναστολέα συνδέονται με ένζυμα σε μια θέση όπου η δέσμευσή τους προκαλεί μια διαμορφωτική αλλαγή που μειώνει τη συγγένεια του ενζύμου για το υπόστρωμά του. Αυτός ο τύπος αναστολής είναι μια αλλοστερική αναστολή (Εικόνα 6.18). Περισσότερα από ένα πολυπεπτίδια περιλαμβάνουν τα περισσότερα αλλοστερικά ρυθμιζόμενα ένζυμα, που σημαίνει ότι έχουν περισσότερες από μία πρωτεϊνικές υπομονάδες. Όταν ένας αλλοστερικός αναστολέας συνδέεται με ένα ένζυμο, όλες οι ενεργές θέσεις στις πρωτεϊνικές υπομονάδες αλλάζουν ελαφρώς έτσι ώστε να δεσμεύουν τα υποστρώματά τους με λιγότερη αποτελεσματικότητα. Υπάρχουν αλλοστερικοί ενεργοποιητές καθώς και αναστολείς. Οι αλλοστερικοί ενεργοποιητές συνδέονται με θέσεις σε ένα ένζυμο μακριά από την ενεργή θέση, προκαλώντας μια διαμορφωτική αλλαγή που αυξάνει τη συγγένεια των ενεργών θέσεων του ενζύμου για το υπόστρωμα (α) του.

Το αριστερό μέρος αυτού του διαγράμματος δείχνει αλλοστερική αναστολή. Ο αλλοστερικός αναστολέας συνδέεται με το ένζυμο σε θέση διαφορετική από τη δραστική θέση. Το σχήμα της ενεργού θέσης μεταβάλλεται έτσι ώστε το ένζυμο να μην μπορεί πλέον να συνδεθεί με το υπόστρωμά του. Το δεξί μέρος αυτού του διαγράμματος δείχνει αλλοστερική ενεργοποίηση. Ο αλλοστερικός ενεργοποιητής συνδέεται με το ένζυμο σε μια θέση διαφορετική από την ενεργή θέση. Το σχήμα της ενεργού θέσης αλλάζει, επιτρέποντας στο υπόστρωμα να συνδεθεί με υψηλότερη συγγένεια.

Εικόνα 6.18 Οι αλλοστερικοί αναστολείς τροποποιούν τη δραστική θέση του ενζύμου έτσι ώστε η δέσμευση του υποστρώματος να μειώνεται ή να αποτρέπεται. Αντίθετα, οι αλλοστερικοί ενεργοποιητές τροποποιούν την ενεργή θέση του ενζύμου έτσι ώστε η συγγένεια για το υπόστρωμα να αυξάνεται. Πίστωση: Rao, A., Hawkins, A., Fletcher, S. and Tag, Α. Τμήμα Βιολογίας, Πανεπιστήμιο Texas A & M.

Καθημερινή σύνδεση

Αυτή η φωτογραφία δείχνει πολλά χάπια κόκκινων καψουλών.

Εικόνα 6.19 Αναρωτηθήκατε ποτέ πώς αναπτύσσονται τα φαρμακευτικά φάρμακα; (πίστωση: Ντέμπορα Όστιν)

Ανακάλυψη φαρμάκων αναζητώντας αναστολείς βασικών ενζύμων σε συγκεκριμένες οδούς Τα ένζυμα είναι βασικά συστατικά των μεταβολικών οδών. Η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας των ενζύμων και του τρόπου με τον οποίο μπορούν να ρυθμιστούν είναι μια βασική αρχή πίσω από την ανάπτυξη πολλών φαρμακευτικών φαρμάκων (Εικόνα 6.19) στην αγορά σήμερα. Οι βιολόγοι που εργάζονται σε αυτόν τον τομέα συνεργάζονται με άλλους επιστήμονες, συνήθως χημικούς, για να σχεδιάσουν φάρμακα.

Εξετάστε τις στατίνες για παράδειγμα - η οποία είναι μια κατηγορία φαρμάκων που μειώνει τα επίπεδα χοληστερόλης. Αυτές οι ενώσεις είναι ουσιαστικά αναστολείς του ενζύμου HMG-CoA αναγωγάση. Η αναγωγάση HMG-CoA είναι το ένζυμο που συνθέτει χοληστερόλη από λιπίδια στο σώμα. Αναστέλλοντας αυτό το ένζυμο, το φάρμακο μειώνει τα επίπεδα χοληστερόλης που συντίθενται στο σώμα. Ομοίως, η ακεταμινοφαίνη, που διατίθεται ευρέως στο εμπόριο με το εμπορικό σήμα Tylenol, είναι ένας αναστολέας του ενζύμου κυκλοοξυγενάση. Ενώ είναι αποτελεσματικό στην παροχή ανακούφισης από πυρετό και φλεγμονή (πόνος), οι επιστήμονες εξακολουθούν να μην κατανοούν πλήρως τον μηχανισμό δράσης του.

Πώς αναπτύσσονται τα φάρμακα; Μία από τις πρώτες προκλήσεις στην ανάπτυξη φαρμάκων είναι ο εντοπισμός του συγκεκριμένου μορίου στο οποίο προορίζεται να στοχεύσει το φάρμακο. Στην περίπτωση των στατινών, η αναγωγάση HMG-CoA είναι ο στόχος του φαρμάκου. Οι ερευνητές εντοπίζουν στόχους μέσω επίπονης έρευνας στο εργαστήριο. Ο προσδιορισμός του στόχου από μόνος του δεν αρκεί. Οι επιστήμονες πρέπει επίσης να γνωρίζουν πώς ο στόχος δρα μέσα στο κύτταρο και ποιες αντιδράσεις πάνε στραβά σε περίπτωση ασθένειας. Μόλις οι ερευνητές προσδιορίσουν τον στόχο και το μονοπάτι, τότε ξεκινά η πραγματική διαδικασία σχεδιασμού φαρμάκων. Κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου, χημικοί και βιολόγοι συνεργάζονται για να σχεδιάσουν και να συνθέσουν μόρια που μπορούν είτε να μπλοκάρουν είτε να ενεργοποιήσουν μια συγκεκριμένη αντίδραση. Ωστόσο, αυτό είναι μόνο η αρχή: τόσο εάν και όταν ένα πρωτότυπο φαρμάκου είναι επιτυχές στην εκτέλεση της λειτουργίας του, τότε πρέπει να υποβληθεί σε πολλές δοκιμές από πειράματα in vitro έως κλινικές δοκιμές προτού μπορέσει να λάβει έγκριση από την FDA για να κυκλοφορήσει στην αγορά.

Πολλά ένζυμα δεν λειτουργούν βέλτιστα, ή ακόμη και καθόλου, εκτός εάν συνδέονται με άλλα συγκεκριμένα μη πρωτεϊνικά βοηθητικά μόρια, είτε προσωρινά μέσω ιοντικών δεσμών ή δεσμών υδρογόνου είτε μόνιμα μέσω ισχυρότερων ομοιοπολικών δεσμών. Δύο τύποι βοηθητικών μορίων είναι συμπαράγοντες και συνένζυμα. Η σύνδεση με αυτά τα μόρια προάγει τη βέλτιστη διαμόρφωση και λειτουργία για τα αντίστοιχα ένζυμα τους. Οι συμπαράγοντες είναι ανόργανα ιόντα όπως ο σίδηρος (Fe++) και το μαγνήσιο (Mg++). Ένα παράδειγμα ενζύμου που απαιτεί ένα μεταλλικό ιόν ως συμπαράγοντα είναι το ένζυμο που δημιουργεί μόρια DNA, πολυμεράση DNA, το οποίο απαιτεί ένα δεσμευμένο ιόν ψευδαργύρου (Zn++) για να λειτουργήσει. Τα συνένζυμα είναι οργανικά βοηθητικά μόρια, με βασική ατομική δομή που αποτελείται από άνθρακα και υδρογόνο, τα οποία απαιτούνται για τη δράση των ενζύμων. Οι πιο κοινές πηγές συνενζύμων είναι οι διαιτητικές βιταμίνες (Εικόνα 6.20). Ορισμένες βιταμίνες είναι πρόδρομοι των συνενζύμων και άλλες δρουν άμεσα ως συνένζυμα. Η βιταμίνη C είναι ένα συνένζυμο για πολλαπλά ένζυμα που συμμετέχουν στην οικοδόμηση του σημαντικού συστατικού του συνδετικού ιστού, του κολλαγόνου. Ένα σημαντικό βήμα στη διάσπαση της γλυκόζης για την παραγωγή ενέργειας είναι η κατάλυση από ένα σύμπλεγμα πολλαπλών ενζύμων που οι επιστήμονες αποκαλούν πυροσταφυλική αφυδρογονάση. Η πυροσταφυλική αφυδρογονάση είναι ένα σύμπλεγμα πολλών ενζύμων που στην πραγματικότητα απαιτεί έναν συμπαράγοντα (ένα ιόν μαγνησίου) και πέντε διαφορετικά οργανικά συνένζυμα για να καταλύσει τη συγκεκριμένη χημική της αντίδραση. Επομένως, η λειτουργία του ενζύμου ρυθμίζεται, εν μέρει, από μια αφθονία διαφόρων συμπαραγόντων και συνενζύμων, τα οποία παρέχουν οι δίαιτες των περισσότερων οργανισμών.

Εμφανίζονται οι μοριακές δομές για τη βιταμίνη Α, το φολικό οξύ, τη βιταμίνη Β1, τη βιταμίνη C, τη βιταμίνη Β2, τη βιταμίνη D2, τη βιταμίνη Β6 και τη βιταμίνη Ε.

Εικόνα 6.20 Οι βιταμίνες είναι σημαντικά συνένζυμα ή πρόδρομοι συνενζύμων και απαιτούνται για τη σωστή λειτουργία των ενζύμων. Οι κάψουλες πολυβιταμινών συνήθως περιέχουν μείγματα όλων των βιταμινών σε διαφορετικά ποσοστά.

Διαμερισματοποίηση ενζύμων

Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, μόρια όπως τα ένζυμα συνήθως διαμερίζονται σε διαφορετικά οργανίδια. Αυτό επιτρέπει ένα ακόμη επίπεδο ρύθμισης της ενζυμικής δραστηριότητας. Τα ένζυμα που απαιτούνται μόνο για ορισμένες κυτταρικές διεργασίες μερικές φορές στεγάζονται ξεχωριστά μαζί με τα υποστρώματά τους, επιτρέποντας πιο αποτελεσματικές χημικές αντιδράσεις. Παραδείγματα αυτού του είδους ρύθμισης ενζύμων με βάση τη θέση και την εγγύτητα περιλαμβάνουν τα ένζυμα που εμπλέκονται στα τελευταία στάδια της κυτταρικής αναπνοής, τα οποία λαμβάνουν χώρα αποκλειστικά στα μιτοχόνδρια, και τα ένζυμα που εμπλέκονται στην πέψη κυτταρικών υπολειμμάτων και ξένων υλικών, που βρίσκονται μέσα στα λυσοσώματα.

Αναστολή ανάδρασης σε μεταβολικές οδούς

Τα μόρια μπορούν να ρυθμίσουν τη λειτουργία των ενζύμων με πολλούς τρόπους. Ωστόσο, παραμένει ένα σημαντικό ερώτημα: Ποια είναι αυτά τα μόρια και από πού προέρχονται; Μερικοί είναι συμπαράγοντες και συνένζυμα, ιόντα και οργανικά μόρια, όπως έχετε μάθει. Ποια άλλα μόρια στο κύτταρο παρέχουν ενζυματική ρύθμιση, όπως αλλοστερική διαμόρφωση και ανταγωνιστική και μη ανταγωνιστική αναστολή; Η απάντηση είναι ότι μια μεγάλη ποικιλία μορίων μπορεί να εκτελέσει αυτούς τους ρόλους. Ορισμένα περιλαμβάνουν φαρμακευτικά και μη φαρμακευτικά φάρμακα, τοξίνες και δηλητήρια από το περιβάλλον. Ίσως οι πιο σχετικές πηγές ενζύμων ρυθμιστικών μορίων, σε σχέση με τον κυτταρικό μεταβολισμό, είναι τα ίδια τα προϊόντα κυτταρικής μεταβολικής αντίδρασης. Με τον πιο αποτελεσματικό και κομψό τρόπο, τα κύτταρα έχουν εξελιχθεί για να χρησιμοποιούν τα προϊόντα των δικών τους αντιδράσεων για την αναστολή ανάδρασης της ενζυμικής δραστηριότητας. Η αναστολή ανάδρασης περιλαμβάνει τη χρήση ενός προϊόντος αντίδρασης για τη ρύθμιση της δικής του περαιτέρω παραγωγής (Εικόνα 6.21). Το κύτταρο ανταποκρίνεται στην αφθονία συγκεκριμένων προϊόντων επιβραδύνοντας την παραγωγή κατά τη διάρκεια αναβολικών ή καταβολικών αντιδράσεων. Τέτοια προϊόντα αντίδρασης μπορεί να αναστέλλουν τα ένζυμα που καταλύουν την παραγωγή τους μέσω των μηχανισμών που περιγράψαμε παραπάνω.

Αυτό το διάγραμμα δείχνει μια μεταβολική οδό στην οποία τρία ένζυμα μετατρέπουν ένα υπόστρωμα, σε τρία στάδια, σε ένα τελικό προϊόν. Η εικόνα δείχνει τη σύνδεση της ισολουεκίνης σε μια αλλοστερική θέση, η οποία αναστέλλει τη σύνδεση της θρεονίνης στη δραστική θέση. Όταν η ισολευκίνη δεν δεσμεύεται πλέον, η θρεονίνη συνδέεται με την ενεργό θέση. Στη συνέχεια προχωρά μέσω τεσσάρων επιπλέον ενζύμων που επισημαίνονται ως ενδιάμεσα Α, Β, Γ και Δ.

Εικόνα 6.21 Οι μεταβολικές οδοί είναι μια σειρά αντιδράσεων που καταλύουν πολλαπλά ένζυμα. Η αναστολή ανάδρασης, όπου το τελικό προϊόν της οδού αναστέλλει ένα ανάντη βήμα, είναι ένας σημαντικός ρυθμιστικός μηχανισμός στα κύτταρα. Οι μεταβολικές οδοί είναι μια σειρά αντιδράσεων που καταλύονται από πολλαπλά ένζυμα (Ενδιάμεσα Α — Δ, Ένζυμα 1 — 5). Η αναστολή ανάδρασης συμβαίνει όταν το τελικό προϊόν της οδού (εδώ ισολευκίνη) αναστέλλει ένα ένζυμο ανάντη (υποδεικνύεται με κόκκινη ράβδο). Σε αυτό το παράδειγμα, η ισολευκίνη θα συνδεθεί με τη δεαμινάση της θρεονίνης (στην αλλοστερική θέση) και θα αποτρέψει τη σύνδεση της θρεονίνης στη δραστική θέση αυτού του ενζύμου, εμποδίζοντας αποτελεσματικά αυτή τη μεταβολική οδό. Όταν τα επίπεδα ισολευκίνης μειώνονται, η θρεονίνη θα συνδεθεί στη συνέχεια με τη δραστική θέση της Deaminase Threonine και η μεταβολική οδός θα συνεχιστεί. Αυτός είναι ένας σημαντικός ρυθμιστικός μηχανισμός στα κύτταρα για την αναστολή της υπερπαραγωγής ενός προϊόντος. Πίστωση: Rao, A., Ryan, K., Tag, A., Hawkins, A. και Fletcher S. Τμήμα Βιολογίας, Πανεπιστήμιο Texas A & M.

Η παραγωγή τόσο αμινοξέων όσο και νουκλεοτιδίων ελέγχεται μέσω αναστολής ανάδρασης. Επιπλέον, το ATP είναι ένας αλλοστερικός ρυθμιστής ορισμένων από τα ένζυμα που εμπλέκονται στην καταβολική διάσπαση της ζάχαρης, τη διαδικασία που παράγει ATP. Με αυτόν τον τρόπο, όταν το ATP είναι άφθονο, το κύτταρο μπορεί να αποτρέψει την περαιτέρω παραγωγή του. Θυμηθείτε ότι το ATP είναι ένα ασταθές μόριο που μπορεί αυθόρμητα να διαχωριστεί σε ADP και ανόργανο φωσφορικό. Εάν υπήρχε πάρα πολύ ATP σε ένα κελί, μεγάλο μέρος του θα πήγαινε χαμένο. Εναλλακτικά, το ADP χρησιμεύει ως θετικός αλλοστερικός ρυθμιστής (ένας αλλοστερικός ενεργοποιητής) για μερικά από τα ίδια ένζυμα που αναστέλλει το ATP. Έτσι, όταν τα σχετικά επίπεδα ADP είναι υψηλά σε σύγκριση με το ATP, το κύτταρο ενεργοποιείται να παράγει περισσότερο ATP μέσω καταβολισμού σακχάρου.