3.2 Ένζυμα - Βιολογικοί καταλύτες

κεφάλαιο 3

3.2 ΕΝΖΥΜΑ -
ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΙ
ΚΑΤΑΛΥΤΕΣ

Μηχανισμός δράσης των ενζύμων

Για να πραγματοποιηθούν πολλές από τις χημικές αντιδράσεις, ακόμη και αυτές που τελικά αποδίδουν ενέργεια (εξώθερμες), πρέπει αρχικά να προσφερθεί ενέργεια στα αντιδρώντα μόρια. Η ενέργεια αυτή ονομάζεται ενέργεια ενεργοποίησης. Στο περιβάλλον η ενέργεια ενεργοποίησης μπορεί να εξασφαλιστεί με προσφορά θερμότητας.

Σε ό,τι αφορά τις αντιδράσεις του μεταβολισμού, αν επιδιώξουμε την πραγματοποίησή τους στο εργαστήριο, έξω από το κύτταρο, προσφέροντας θερμότητα, θα διαπιστώσουμε ότι το ποσό που απαιτείται θα ήταν απαγορευτικό για την επιβίωση του κυττάρου. Επιπλέον ο χρόνος που απαιτείται για την ολοκλήρωση των μεταβολικών αντιδράσεων είναι πολύ μεγάλος. Αυτό θα δημιουργούσε επίσης πρόβλημα στους οργανισμούς, των οποίων οι ανάγκες είναι σχεδόν πάντα άμεσες και φυσικά απαιτούν μεγάλη ταχύτητα αντιδράσεων. Τα κύτταρα, για να αντιμετωπίσουν αυτό το πρόβλημα, διαθέτουν μηχανισμό μείωσης της ενέργειας ενεργοποίησης των μεταβολικών τους αντιδράσεων. Ο μηχανισμός αυτός στηρίζεται στη δράση των ενζύμων, που, όπως έχει ήδη αναφερθεί, είναι πρωτεΐνες.

εικόνα

Τα ένζυμα επιταχύνουν τις αντιδράσεις ελαττώνοντας την ενέργεια ενεργοποίησης. Σύγκριση της ενέργειας ενεργοποίησης αντίδρασης: (α) απουσία ενζύμου και (β) παρουσία ενζύμου.

Τα ένζυμα, γενικά, καταλύουν αντιδράσεις που θα μπορούσαν να γίνουν και χωρίς την παρουσία τους. Με την παρουσία όμως των ενζύμων η ταχύτητα των αντιδράσεων αυξάνεται ακόμη και μέχρι 100 εκατομμύρια φορές. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι αντιδράσεις που πραγματοποιούνται, με την παρουσία ενζύμων, μέσα σ' ένα λεπτό, θα χρειάζονταν 32 μήνες για να πραγματοποιηθούν χωρίς αυτά. Αυτό επιτυγχάνεται με τον κατάλληλο προσανατολισμό των αντιδρώντων μορίων ή μορίων - υποστρωμάτων.

Ο προσανατολισμός των μορίων - υποστρωμάτων γίνεται στο ενεργό κέντρο του ενζύμου, που αποτελεί μια μικρή περιοχή του. Η σύνδεση των αντιδρώντων μορίων με αυτό μοιάζει με το «ταίριασμα του κλειδιού στην κλειδαριά».

Η σύνδεση των υποστρωμάτων με το ένζυμο έχει ως αποτέλεσμα να γίνονται ασταθείς οι δεσμοί των αντιδρώντων μορίων. «Σπάνε» πιο εύκολα, κάτι που αποτελεί προϋπόθεση για το σχηματισμό των προϊόντων. Σε ορισμένες περιπτώσεις το ενεργό κέντρο των ενζύμων αποκτά σχήμα συμπληρωματικό του σχήματος του υποστρώματος μόνο μετά την πρόσδεση του υποστρώματος στο ενεργό κέντρο.

εικόνα

Τρόπος δράσης των ενζύμων.

Ο όρος ένζυμο (enzyme) καθιερώθηκε από το Φ. Κίνε (F. Kϋhne) το 1878, για να δηλώσει τις δραστικές ουσίες που βρίσκονται μέσα στα κύτταρα των ζυμών (μονοκύτταροι μύκητες). Προήλθε από τις ελληνικές λέξεις εν και ζύμη. Τυπικά, ένα ένζυμο αυξάνει την ταχύτητα μιας αντίδρασης από ένα εκατομμύριο (10⁶) έως και ένα τρισεκατομμύριο (10¹²) φορές. Κάτι αντίστοιχο θα ήταν η μείωση του χρόνου ζωής από 100 χρόνια σε ένα μόνο δευτερόλεπτο.

εικόνα

Ιδιότητες των ενζύμων

Το γεγονός ότι τα ένζυμα είναι πρωτεϊνικά μόρια έχει ως αποτέλεσμα ορισμένες, τουλάχιστον, από τις ιδιότητές τους. Ας δούμε τις κυριότερες από αυτές:
- Η καταλυτική δράση των ενζύμων καθορίζεται από την τριτοταγή δομή του πρωτεϊνικού μορίου τους και χάνεται, όταν η δομή αυτή, για κάποιο λόγο, πάψει να υπάρχει.
- Δρουν πολύ γρήγορα. Για παράδειγμα, ένα μόριο καταλάσης μπορεί να καταλύσει, στη θερμοκρασία του κυττάρου, τη διάσπαση έξι εκατομμυρίων μορίων υπεροξειδίου του υδρογόνου μέσα σε ένα λεπτό (2Η₂Ο₂ ^{καταλάση}> 2Η₂Ο+Ο₂).
- Δε συμμετέχουν στην αντίδραση που καταλύουν, με την έννοια ότι παραμένουν αναλλοίωτα και μετά το τέλος της αντίδρασης μπορούν να ξαναχρησιμοποιηθούν πολλές φορές, ώσπου να καταστραφούν.
- Εμφανίζουν υψηλό βαθμό εξειδίκευσης, που οφείλεται στη διάταξή τους στο χώρο και στη δυνατότητα σύνδεσης του ενεργού τους κέντρου με το υπόστρωμα. Αυτό σημαίνει ότι δρουν συνήθως σε ένα μόνο συγκεκριμένο υπόστρωμα. Ένα ένζυμο δηλαδή καταλύει συνήθως μία μόνο χημική αντίδραση ή, το πολύ, μια σειρά από πολύ συγγενικές αντιδράσεις. Η καταλάση, για παράδειγμα, καταλύει μόνο την αντίδραση διάσπασης του υπεροξειδίου του υδρογόνου. Αντίθετα η παγκρεατική λιπάση, ένζυμο που εκκρίνεται από το πάγκρεας, καταλύει τις αντιδράσεις διάσπασης μιας σειράς διαφορετικών λιπιδίων.
- Η δραστικότητα των ενζύμων επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες. Σ' αυτούς ανήκουν η θερμοκρασία, το pH κ.ά.

Τα ένζυμα, ανάλογα με το αν δρουν μέσα στα κύτταρα του οργανισμού ή εκκρίνονται και δρουν έξω από αυτά, σε κοιλότητες όπως το στομάχι, διακρίνονται σε ενδοκυτταρικά και εξωκυτταρικά. Μέσα στο κύτταρο τα ένζυμα βρίσκονται είτε ελεύθερα είτε δεσμευμένα πάνω σε μεμβράνες. Αυτό προσδιορίζει και το χώρο όπου μπορεί να λαμβάνει χώρα η αντίδραση την οποία κάθε ένζυμο καταλύει. Τα ένζυμα παίρνουν συνήθως το όνομά τους είτε με προσθήκη της κατάληξης - άση στο όνομα του υποστρώματος στο οποίο δρουν είτε από τον τύπο της αντίδρασης που καταλύουν. Για παράδειγμα, οι λιπάσες καταλύουν αντιδράσεις διάσπασης λιπιδίων.

εικόνα

Ριβόζυμο: RNA με ενζυμικές δραστηριότητες.

Η ΜΟΝΟΚΡΑΤΟΡΙΑ ΑΜΦΙΣΒΗΤΕΙΤΑΙ...

Μέχρι το 1978 δεχόμασταν ότι τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες με καταλυτικές ιδιότητες. Εκείνη τη χρονιά, για πρώτη φορά, ο Σ. Άλτμαν εντόπισε ένα «ένζυμο», που αποτελείται από νουκλεοτίδια.

Ακολούθησαν και άλλες παρόμοιες ανακαλύψεις μορίων RNA με ενζυμικές ιδιότητες, που ονομάστηκαν ριβόζυμα. Μέχρι σήμερα έχουν εντοπιστεί περί τα 12 ριβόζυμα. Με την ανακάλυψη αυτή τείνει να καταρριφθεί ένα ακόμα δόγμα, ότι δηλαδή όλοι οι βιολογικοί καταλύτες είναι πρωτεΐνες. Ακόμα οδηγούμαστε σε υποθέσεις ότι πιθανώς κάποια περίοδο στον πλανήτη μας το DNA να μην είχε τον κεντρικό ρόλο που έχει σήμερα για τη ζωή.

Ήταν ίσως η εποχή που, όπως υποστηρίζεται από διάφορους επιστήμονες, τις πληροφορίες της ζωής μετέφερε η αλυσίδα του RNA και όχι η διπλή έλικα του DNA.

Παράγοντες που επηρεάζουν τη δράση των ενζύμων

Στην περίπτωση που θέλουμε να προσδιορίσουμε τους παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν τη δράση των ενζύμων, ή τον τρόπο με τον οποίο το επιτυγχάνουν, θα πρέπει, όπως και για τις ιδιότητες των ενζύμων, να ξεκινήσουμε από το γεγονός ότι είναι πρωτεϊνικά μόρια. Έχουν επομένως συγκεκριμένη τριτοταγή δομή (διάταξη στο χώρο), που είναι απαραίτητη για τη λειτουργικότητά τους. Ας δούμε λοιπόν αναλυτικά τους παράγοντες που επηρεάζουν τη δράση των ενζύμων:

Θερμοκρασία: Όπως συμβαίνει στις περισσότερες χημικές αντιδράσεις, έτσι και σ' αυτές που καταλύονται από ένζυμα (ενζυμικές) η ταχύτητά τους μεταβάλλεται ανάλογα με τη μεταβολή της θερμοκρασίας. Για κάθε ένζυμο υπάρχει μια ορισμένη θερμοκρασία (άριστη), στην οποία η ταχύτητα της αντίδρασης γίνεται μέγιστη.
Τα περισσότερα ένζυμα δρουν άριστα σε θερμοκρασίες μεταξύ 36°- 38°C, που είναι και η θερμοκρασία του σώματος του ανθρώπου. Με την αύξηση της θερμοκρασίας πάνω από το όριο αυτό, η ταχύτητα της αντίδρασης αρχίζει να ελαττώνεται καθώς μειώνεται η δραστικότητα των ενζύμων. Γύρω στους 50° C η μεταβολή στη δραστηριότητα των ενζύμων γίνεται "μόνιμη". Αυτό σημαίνει ότι δεν επανέρχεται με την ελάττωση της θερμοκρασίας. Αυτό οφείλεται στο ότι τα πρωτεϊνικά αυτά μόρια χάνουν την τριτοταγή δομή τους, χάρη στην οποία είναι δραστικά.

pH: Τα ένζυμα επηρεάζονται από μεταβολές του pΗ. Ισχυρά όξινο ή αλκαλικό περιβάλλον μπορεί να προκαλέσει τη μερική ή την ολική καταστροφή τους. Για κάθε ένζυμο υπάρχει μια ορισμένη τιμή του pH, στην οποία η ταχύτητα της αντίδρασης που καταλύει είναι η μέγιστη. Για τα περισσότερα ένζυμα η τιμή αυτή κυμαίνεται μεταξύ των τιμών pH 5 και pH 9. Τα περισσότερα ενδοκυτταρικά ένζυμα δρουν άριστα γύρω στο pH 7. Αντίθετα, ένζυμα όπως τα πεπτικά, που εκκρίνονται και δρουν σε κοιλότητες του οργανισμού, συμπεριφέρονται διαφορετικά. Η πεψίνη, για παράδειγμα, ένζυμο που δρα στο στομάχι, εμφανίζει άριστη δράση σε pH περίπου 2. Αντίθετα η θρυψίνη, ένζυμο που δρα στο λεπτό έντερο, εμφανίζει άριστη δράση δρα σε pH περίπου 8,5.

Συγκέντρωση υποστρώματος: Η αύξηση της συγκέντρωσης του υποστρώματος οδηγεί συνήθως σε αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης.

εικόνα

Από ένα σημείο και πέρα όμως, περισσότερα μόρια υποστρώματος δεν οδηγούν σε μεγαλύτερη ταχύτητα αντίδρασης. Αυτό οφείλεται στην πλήρη κάλυψη από το υπόστρωμα του ενεργού κέντρου των διαθέσιμων μορίων του ενζύμου. Τα επιπλέον μόρια υποστρώματος πρέπει να περιμένουν «τη σειρά τους», ώσπου τα μόρια του ενζύμου να ολοκληρώσουν τις αντιδράσεις που έχουν ήδη αναλάβει και να είναι ελεύθερα να δεσμεύσουν άλλα μόρια - υποστρώματα.

Συγκέντρωση ενζύμου: Για δεδομένη συγκέντρωση υποστρώματος και για συγκεκριμένη τιμή του pH και της θερμοκρασίας, η ταχύτητα της αντίδρασης αυξάνεται με την αύξηση της ποσότητας του ενζύμου.

Αναστολείς της δράσης των ενζύμων

Υπάρχουν ουσίες που μπορούν να αναστείλουν τη δράση των ενζύμων και γι' αυτό ονομάζονται αναστολείς. Διακρίνονται σε μη αντιστρεπτούς και αντιστρεπτούς. Οι μη αντιστρεπτοί συνδέονται μόνιμα με το ένζυμο και δεν το αφήνουν να δράσει πλέον. Σ' αυτούς ανήκουν διάφορα αέρια (π.χ. εντομοκτόνα) και ιόντα βαρέων μετάλλων, όπως τα Hg²⁺, Pb²⁺, Ag⁺. Οι αντιστρεπτοί αναστολείς εμποδίζουν, παροδικά μόνο, τη δράση των ενζύμων.

εικόνα

Αναστολή ενζύμων: (α) Ο αναστολέας συνδέεται στο ενεργό κέντρο του ενζύμου και το "καταλαμβάνει", (β) Ο αναστολέας με τη δράση του τροποποιεί το ενεργό κέντρο του ενζύμου, έτσι, ώστε να μην μπορούν να συνδεθούν σ'αυτό τα μόρια - υποστρώματα.

ΕΝΑΣ ΑΛΛΟΣ ΤΡΟΠΟΣ ΑΝΑΣΤΟΛΗΣ ΤΩΝ ΕΝΖΥΜΩΝ

Τα ένζυμα λειτουργούν συνήθως σε ομάδες. Σ' αυτή την περίπτωση το προϊόν της πρώτης ενζυμικής αντίδρασης αποτελεί υπόστρωμα για την επόμενη κ.ο.κ. Με τον τρόπο αυτό εξυπηρετούνται ακολουθίες βιοχημικών αντιδράσεων, οι μεταβολικές οδοί.

Σε μια τέτοια ακολουθία ενζυμικών αντιδράσεων η πιθανή συσσώρευση ενός προϊόντος μπορεί να προκαλέσει προσωρινή αναστολή της δράσης ενός αρχικού ενζύμου (αναδραστική αναστολή).

Αναδραστική αναστολή του ενζύμου Ε, από το τελικό προϊόν Τ (E₁- E₅ είναι τα ένζυμα μιας μεταβολικής οδού και Β, Γ, Α, Ζ οι ενδιάμεσα παραγόμενες ουσίες).

Συμπαράγοντες ενζύμων

Ορισμένα ένζυμα είναι δραστικά μόνο με την παρουσία ουσιών, μη πρωτεϊνικής φύσης, που ονομάζονται συμπαράγοντες. Οι συμπαράγοντες μπορεί να είναι ανόργανα ιόντα (Zn²⁺, Cu²⁺, Mn²⁺ κ.ά.) ή και οργανικές ενώσεις. Στην τελευταία κατηγορία ανήκουν και τα συνένζυμα.

Πολλά από τα συνένζυμα είναι βιταμίνες ή περιέχουν στο μόριό τους βιταμίνες. Ο οργανισμός μας συνθέτει ορισμένες μόνο από αυτές και αυτό αιτιολογεί το γιατί πρέπει να φροντίζουμε να περιλαμβάνονται στην τροφή μας.

Στην περίπτωση που κάποιο ένζυμο, για να δράσει, χρειάζεται να συνδεθεί με ένα συνένζυμο, τότε μόνο του, όπως μόνο του και το συνένζυμο, θα είναι ανενεργό.

εικόνα

Σχηματική παράσταση του ρόλου των συνενζύμων.

εικόνα

ΕΝΖΥΜΑ, ΟΙ ΒΟΗΘΟΙ ΤΟΥ ΖΑΧΑΡΟΠΛΑΣΤΗ

Για ένα ζαχαροπλάστη είναι εύκολο να φτιάξει σοκολατάκια με στερεή γέμιση (αμύγδαλα, πραλίνα, παγωτό κτλ.). Περιχύνει το υλικό της γέμισης με λιωμένη σοκολάτα και περιμένει να κρυώσει και να στερεοποιηθεί Το τελικό σχήμα ποικίλλει αλλά είναι σταθερό.

Θα έχετε όμως δοκιμάσει και σοκολατάκια με σταθερό σχήμα και ρευστό περιεχόμενο (ρευστή κρέμα σοκολατένιου αβγού που θυμίζει κρόκο, ρευστή γέμιση με γεύση ποτού κτλ.). Αναρωτηθήκατε πώς παρασκευάζονται αυτά τα σοκολατάκια; Σίγουρα δεν είναι δυνατό να προστεθεί λιωμένη σοκολάτα γύρω από ένα ρευστό υλικό και στο τέλος το παρασκεύασμα να έχει συγκεκριμένο, σταθερό σχήμα. Πώς λοιπόν τα καταφέρνει ο ζαχαροπλάστης; Διαθέτει στο εργαστήριο του «ειδικευμένο προσωπικό».

Η παρασκευή των γλυκισμάτων ξεκινά και πάλι με το υλικό της γέμισης, ένα στερεό μείγμα, με συγκεκριμένο σχήμα, το οποίο περιέχει έναν πολυσακχαρίτη και ένα ένζυμο κατάλληλο για τη διάσπαση του πολυσακχαρίτη αυτού. Αυτό το ένζυμο είναι ο «βοηθός» του ζαχαροπλάστη.

Αφού προστεθεί και στερεοποιηθεί το σοκολατένιο περίβλημα, το ένζυμο ενεργοποιείται και διασπά τον πολυσακχαρίτη, με αποτέλεσμα τη μετατροπή του στερεού περιεχομένου σε ρευστό. Ο «βοηθός» του ζαχαροπλάστη έκανε το θαύμα του αποτελεσματικά και αθόρυβα.

εικόνα

Ο αλφισμός στους Πυγμαίους

ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΕΛΛΕΙΨΗ ΕΝΖΥΜΩΝ

Σχεδόν όλα τα παιδιά και τα νεαρά άτομα είναι ικανά να αφομοιώσουν τη λακτόζη. Αντίθετα η πλειονότητα των ενήλικων ατόμων ορισμένων πληθυσμιακών ομάδων έχει ανεπάρκεια του ενζύμου λακτάση και επομένως παρουσιάζει δυσανεξία στο γάλα. Προκαλείται έτσι συσσώρευση της λακτόζης στο έντερο με αποτέλεσμα κοιλιακή διόγκωση, ναυτία, πόνο και διάρροια.

Η φαινυλκετονουρία οφείλεται στην έλλειψη ενός ενζύμου που συμμετέχει στον καταβολισμό του αμινοξέος φαινυλαλανίνη. Η φαινυλαλανίνη είναι ένα από τα ουσιώδη αμινοξέα του οργανισμού και ο άνθρωπος πρέπει να το προσλαμβάνει από την τροφή του, γιατί δεν μπορεί να το παράγει. Απουσία του ενζύμου που τη διασπά έχει ως αποτέλεσμα τη συσσώρευσή της, γεγονός που προκαλεί βλάβες στο νευρικό σύστημα και πρόωρο θάνατο. Τα άτομα που πάσχουν από φαινυλκετονουρία πρέπει να αποφεύγουν ορισμένες τροφές και αναψυκτικά που περιέχουν το γλυκαντικό ασπαρτάμη, μια χημική ένωση που αποτελείται από το αμινοξύ ασπαρτικό συνδεδεμένο με φαινυλαλανίνη.

Ο αλφισμός οφείλεται στην έλλειψη ενός ενζύμου που συμμετέχει στο σχηματισμό της χρωστικής του σώματος, των μαλλιών και των ματιών, της μελανίνης. Τα άτομα που πάσχουν από αυτή την αρρώστια έχουν άσπρο δέρμα και μαλλιά, καθώς και κόκκινα μάτια. Είναι δε ευαίσθητα στην υπεριώδη ακτινοβολία.

Ο κυαμισμός, δηλητηρίαση που παθαίνουμε όταν τρώμε κυάμους (κουκιά), οφείλεται στην έλλειψη ενός ενζύμου. Η έλλειψη αυτού του ενζύμου ή η ελαττωμένη δράση του στα ερυθρά αιμοσφαίρια προκαλεί βαριά αιμολυτική αναιμία, δηλαδή καταστροφή των ερυθρών αιμοσφαιρίων και απελευθέρωση της αιμοσφαιρίνης στον ορό του αίματος. Ο κυαμισμός είναι συχνός στους μεσογειακούς λαούς και εμφανίζεται πιο συχνά στα αγόρια. Τα παραπάνω συμπτώματα μπορεί να παρατηρηθούν και σε άτομα που έχουν έλθει σε επαφή με ναφθαλίνη ή φάρμακα κατά της ελονοσίας ή σουλφαμίδες κ.ά.

Πίνακας: Εφαρμογές ορισμένων κατηγοριών ενζύμων.

ΕΝΖΥΜΑ	ΚΥΡΙΟΤΕΡΕΣ ΧΡΗΣΕΙΣ
Αμυλάσες	Υδρολύουν το άμυλο σε γλυκόζη και μαλτόζη. Χρησιμοποιούνται από τη βιομηχανία τροφίμων, την οινοποιία, τη ζυθοποιία κ.ά.
Λιπάσες	Υδρολύουν τα λιπίδια. Χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία απορρυπαντικών, στην επεξεργασία αποβλήτων κ.ά.
Πρωτεάσες	Υδρολύουν τις πρωτεΐνες. Χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία απορρυπαντικών, στην πήξη του γάλακτος και στη μετατροπή του σε γιαούρτι και τυρί, στο σίτεμα του κρέατος κ.ά.
Κυτταρινάσες	Υδρολύουν την κυτταρίνη. Χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία των λαχανικών και των δημητριακών.

εικόνα

Εφαρμογές των ενζύμων

Χρόνο με το χρόνο η σημασία των ενζύμων για τις εφαρμογές της Βιοχημείας, της Βιοτεχνολογίας και της Βιοϊατρικής αυξάνεται. Συνεχώς ανακαλύπτονται και μελετώνται νέα ένζυμα με τεράστιο ενδιαφέρον για τις προσπάθειες βελτίωσης της ποιότητας ζωής του ανθρώπου.

****************************

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Οι χημικές αντιδράσεις που γίνονται στα κύτταρα διευκολύνονται από τα ένζυμα. Τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες που επιταχύνουν τις μεταβολικές αντιδράσεις, ελαττώνοντας την ενέργεια ενεργοποίησης.

Η δράση των ενζύμων επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, όπως η θερμοκρασία, το pH, η συγκέντρωση του υποστρώματος και του ενζύμου. Μερικά ένζυμα, για να δράσουν, χρειάζονται τη βοήθεια ενός συμπαράγοντα, που είναι οργανική ένωση ή ανόργανο ιόν. Υπάρχουν ουσίες που αναστέλλουν τη δράση των ενζύμων και ονομάζονται αναστολείς.

ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ

ΑΣΚΗΣΕΙΣ

ΠΡΟΒΛHΜΑΤΑ

Τι είναι ενέργεια ενεργοποίησης και ποια η σχέση ενός ενζύμου με αυτήν;
Ο τρόπος δράσης των ενζύμων δείχνει ότι τα ένζυμα:
α. Είναι ειδικά.
β. Επηρεάζονται από τη θερμοκρασία.
γ. Είναι πρωτεΐνες.
δ. Όλα τα προηγούμενα είναι σωστά.
Σημειώστε τη σωστή απάντηση.
Περιγράψτε το μηχανισμό δράσης των ενζύμων. Αναφέρατε τους παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν τη δράση αυτή.
Ποιες είναι οι ιδιότητες των ενζύμων; Πώς εξηγείται το γεγονός ότι μια μικρή ποσότητα ενζύμου μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη διεξαγωγή μιας αντίδρασης, στην οποία μετέχει πολλαπλάσια ποσότητα υποστρώματος;
Πώς εξηγείται η εξειδίκευση των ενζύμων και η έλλειψη δραστικότητάς τους, όταν βρεθούν σε υψηλές θερμοκρασίες; Αιτιολογήστε την απάντησή σας.
Ποιος είναι ο ρόλος των συνενζύμων στον κυτταρικό μεταβολισμό;
Τοποθετήστε τα γράμματα Ε (ένζυμο), Υ (υπόστρωμα), ΕΥ (ένζυμο-υπόστρωμα) και Π (προϊόν) στις γραμμές, έτσι ώστε να περιγράψετε μια ενζυμική αντίδραση. Κάθε γράμμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί περισσότερες από μία φορές:

….... + ….... → ….... → ….... + ….... + …....
Σημειώστε σωστό ή λάθος σε καθεμιά από τις απαντήσεις που ακολουθούν. Ένα ένζυμο επιταχύνει την ταχύτητα μιας αντίδρασης:
α. Προκαλώντας την απελευθέρωση θερμότητας ( )
β. Αυξάνοντας την κίνηση των μορίων ( )
γ. Ελαττώνοντας την ενέργεια ενεργοποίησης ( )
δ. Αλλάζοντας την ενέργεια μεταξύ υποστρώματος και προϊόντων ( )
Ποια καμπύλη από τις παρακάτω εκφράζει, κατά την άποψή σας, τη σχέση pH και δραστικότητας ενζύμου; Βάλτε σε κύκλο τον αριθμό που αντιστοιχεί στη σωστή απάντηση (α, β, γ, δ).

εικόνα

Βάλτε σε κύκλο το Σ, αν αυτό που εκφράζει καθεμιά από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστό, ή το Λ, αν είναι λάθος:
α. Ένα μόριο καταλάσης έχει καταλύσει τη διάσπαση ενός μορίου υπεροξειδίου του υδρογόνου. Το ίδιο μόριο μπορεί να καταλύσει τη διάσπαση και άλλων μορίων υπεροξειδίου του υδρογόνου           Σ            Λ
β. Η αμυλάση του σάλιου διασπά πρωτεΐνες           Σ           Λ
γ. Όλες οι πρωτεΐνες είναι ένζυμα           Σ            Λ
δ. Η διαφορά ενέργειας μεταξύ αντιδρώντων και προϊόντων είναι μεγαλύτερη, όταν η αντίδραση δεν είναι ενζυμική           Σ           Λ

Υποθέστε ότι βρίσκετε σε εξέλιξη, σε τρεις διαφορετικές θερμοκρασίες, η διάσπαση μιας πρωτεΐνης στα ανινοξέα που την αποτελούν. Μετράμε την ποσότητα των αμινοξέων που προκύπτουν από τη διάσπαση της πρωτεΐνης, σε κάθε περίπτωση, μετά από τρεις ώρες και μετά από πενήντα ώρες. Τα αποτελέσματα καταγράφονται στον πίνακα που ακολουθεί:

εικόνα

Πολλά απορρυπαντικά χαρακτηρίζονται ως βιολογικά, επειδή περιέχουν ένα ένζυμο που δρα σε λεκέδες που περιέχουν πρωτεΐνες. Το ένζυμο αυτό είναι μια πρωτεάση, που προέρχεται από ένα βακτήριο. Για την άριστη απόδοση του απορρυπαντικού χρειάζεται να υπάρχει ήπιο αλκαλικό περιβάλλον και κατάλληλη θερμοκρασία (μεταξύ 45°C και 55°C):
α. Να αναφέρετε δυο παραδείγματα λεκέδων που θα μπορούσε να απομακρύνει το παραπάνω βιολογικό απορρυπαντικό.
β. Αν η θερμοκρασία στο νερό του πλυντηρίου φθάσει τους 70°C, νομίζετε ότι θα επηρεαστεί η δράση της πρωτεάσης;
γ. Η πρωτεάση θα λειτουργεί με ταχύτερο ή βραδύτερο ρυθμό, όταν το απορρυπαντικό γίνει ελαφρά όξινο;
Η διπλανή εικόνα παριστάνει σχηματικά μια ενζυμική αντίδραση:

Η αμυλάση του σάλιου του ανθρώπου διασπά το άμυλο σε μικρότερα κομμάτια. Η ταχύτητα με την οποία δρα εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Τα αποτελέσματα του παρακάτω πίνακα προέρχονται από ένα πείραμα που έγινε για να διαπιστωθεί η επίδραση της θερμοκρασίας στη δράση της αμυλάσης. Στο πείραμα αυτό σε καθέναν από τους έξι δοκιμαστικούς σωλήνες τοποθετήθηκαν 5ml διαλύματος αμύλου και 1ml αμυλάσης:

Θ (^οC)	20	25	30	35	40	45
Χρόνος (sec) για την διάσπαση του αμύλου	601	315	216	180	198	417

α. Να γίνει η γραφική παράσταση των αποτελεσμάτων (στον οριζόντιο άξονα τοποθετήστε τη θερμοκρασία και στον κάθετο άξονα το χρόνο),
β. Σε ποια θερμοκρασία η αμυλάση λειτουργεί άριστα;
γ. Γιατί στην αρχή του πειράματος προστέθηκε η ίδια ποσότητα διαλύματος αμύλου και αμυλάσης σε καθένα δοκιμαστικό σωλήνα;
δ. Η ταχύτητα των χημικών αντιδράσεων συνήθως αυξάνει με την αύξηση της θερμοκρασίας. Γιατί στο πείραμα η διάσπαση του αμύλου ελαττώνεται πάνω από τους 40°C;
ε. Να αναφέρετε έναν άλλο παράγοντα που θα επηρέαζε αρνητικά τη δράση της αμυλάσης.

Σε μια τάξη ο καθηγητής της Βιολογίας ζήτησε από τους μαθητές να απεικονίσουν διαγραμματικά την πορεία της εξώθερμης αντίδρασης: Α → Β + Ενέργεια. Οι μαθητές πρότειναν 4 διαφορετικά διαγράμματα, που συσχετίζουν την ενέργεια των σωμάτων που παίρνουν μέρος σ' αυτήν με την πορεία της. Και τα 4 όμως θεωρήθηκαν λανθασμένα από τον καθηγητή. Να εξηγήσετε ποιο λάθος και γιατί, υπάρχει σε καθένα από αυτά:

εικόνα

ΑΣ ΕΡΕΥΝΗΣΟΥΜΕ...

Ίσως έχει τύχει να ακούσετε ότι «η αιμοσφαιρίνη έχει κοινά χαρακτηριστικά με τα ένζυμα». Πού μπορεί να στηρίζεται αυτή η άποψη; Τεκμηριώστε την απάντησή σας ξεκινώντας από τη δομή του μορίου της αιμοσφαιρίνης και τη λειτουργία που αυτό κάνει στον οργανισμό.
Υπάρχουν κάποιοι που πάσχουν από μια κληρονομική ασθένεια, οι οποίοι δεν μπορούν να μεταβολίσουν, λόγω έλλειψης ενός ενζύμου, τη φρουκτόζη, έναν απλό υδατάνθρακα που υπάρχει άφθονος στα φρούτα. Παιδιά με έλλειψη αυτού του ενζύμου έχουν χαμηλές νοητικές και κινητικές δυνατότητες. Τα μεγαλύτερα παιδιά παρουσιάζουν πνευματική καθυστέρηση και σε πιο προχωρημένη ηλικία το νευρικό σύστημα του ατόμου καταρρέει, με τελικό αποτέλεσμα το θάνατο. Τα μόρια φρουκτόζης εισέρχονται στη διαδικασία της κυτταρικής αναπνοής, στις πρώτες αντιδράσεις του σταδίου της γλυκόλυσης. Το ένζυμο που λείπει θα μπορούσε, σε φυσιολογικές συνθήκες, να καταλύσει την αντίδραση αυτής της παρεμβολής. Παίρνοντας υπόψη αυτή την πληροφορία, υποθέστε και αιτιολογήστε τι μπορεί να συμβαίνει, σε κυτταρικό επίπεδο, σ' αυτά τα άτομα.
Προσδιορίστε προϊόντα, από αυτά που συνήθως καταναλώνουμε στην καθημερινή ζωή (απορρυπαντικά κ.ά.), τα οποία περιέχουν ένζυμα. Καταγράψτε τα ένζυμα που περιέχονται σ' αυτά και προσδιορίστε το ρόλο τους ως συστατικών των συγκεκριμένων προϊόντων. Διερευνήστε το αν οι οδηγίες χρήσης, που δίνονται στη συσκευασία κάθε προϊόντος, καθοδηγούν σωστά τον καταναλωτή, ώστε να αποφεύγει την αναποτελεσματική χρήση. Θα ήταν ενδιαφέρον να κάνετε μια έρευνα στο άμεσο κοινωνικό σας περιβάλλον για το κατά πόσο οι καταναλωτές διαβάζουν τη σύσταση και τις οδηγίες χρήσης των προϊόντων που αγοράζουν και καταναλώνουν, και για το αν θεωρούν απαραίτητο να τις ακολουθούν.