Βιολογική καταλυτική απόδοση και παραδείγματα

Α βιολογικού καταλύτη o βιοκαταλύτη είναι ένα μόριο, γενικά πρωτεϊνικής προέλευσης, που έχει την ικανότητα να επιταχύνει τις χημικές αντιδράσεις που εμφανίζονται μέσα στα όντα. Τα μόρια πρωτεϊνών καταλύτη είναι ένζυμα και εκείνα της φύσης του RNA είναι ριβοένζυμα. Σε αυτό το άρθρο, θα επικεντρωθούμε στην έρευνα των ενζύμων, οι οποίοι είναι οι πιο γνωστοί βιολογικοί καταλύτες.

Ελλείψει ενζύμων, ο τεράστιος αριθμός αντιδράσεων που συμβαίνουν στο κύτταρο και που επιτρέπουν τη ζωή, δεν θα μπορούσε να συμβεί. Αυτοί είναι υπεύθυνοι για την επιτάχυνση της διαδικασίας σε τάξεις μεγέθους κοντά στο 10⁶ - και σε ορισμένες περιπτώσεις πολύ μεγαλύτερη.

Ευρετήριο

• 1 Κατάλυση
• 2 ένζυμα
  • 2.1 Τι είναι ένα ένζυμο?
  • 2.2 Χαρακτηριστικά των ενζύμων
  • 2.3 Ονοματολογία και ταξινόμηση ενζύμων
  • 2.4 Πώς λειτουργούν τα ένζυμα?
  • 2.5 Ενζυματικοί αναστολείς
  • 2.6 Παραδείγματα
• 3 Διαφορά μεταξύ βιολογικών καταλυτών (ένζυμα) και χημικών καταλυτών
  • 3.1 Οι αντιδράσεις που καταλύονται από τα ένζυμα εμφανίζονται ταχύτερα
  • 3.2 Τα περισσότερα ένζυμα εργάζονται σε φυσιολογικές συνθήκες
  • 3.3 Ειδικότητα
  • 3.4 Η ενζυματική ρύθμιση είναι ακριβής
• 4 Αναφορές

Κατάλυση

Ένας καταλύτης είναι ένα μόριο ικανό να μεταβάλλει την ταχύτητα μιας χημικής αντίδρασης χωρίς να καταναλώνεται στην εν λόγω αντίδραση.

Οι χημικές αντιδράσεις περιλαμβάνουν ενέργεια: τα αρχικά μόρια που εμπλέκονται στην αντίδραση ή τα αντιδραστήρια ξεκινούν με ένα βαθμό ενέργειας. Μια πρόσθετη ποσότητα ενέργειας απορροφάται για να φτάσει στην "κατάσταση μετάβασης". Στη συνέχεια, η ενέργεια απελευθερώνεται με τα προϊόντα.

Η ενεργειακή διαφορά μεταξύ των αντιδραστηρίων και των προϊόντων εκφράζεται ως ΔG. Εάν τα επίπεδα ενέργειας των προϊόντων είναι μεγαλύτερα από τα αντιδραστήρια, η αντίδραση είναι ενδερμική και όχι αυθόρμητη. Σε αντίθεση, εάν η ενέργεια των προϊόντων είναι χαμηλότερη, η αντίδραση είναι εξερνική και αυθόρμητη.

Ωστόσο, αν μια αντίδραση είναι αυθόρμητη, δεν σημαίνει ότι θα συμβεί με μια αξιόλογη ταχύτητα. Η ταχύτητα της αντίδρασης εξαρτάται από την ΔG * (ο αστερίσκος αναφέρεται στην ενέργεια ενεργοποίησης).

Ο αναγνώστης πρέπει να έχει υπόψη τις έννοιες αυτές για να κατανοήσει πώς συμβαίνει η λειτουργία των ενζύμων.

Ένζυμα

Τι είναι ένα ένζυμο?

Τα ένζυμα είναι βιολογικά μόρια απίστευτης πολυπλοκότητας, που αποτελούνται κυρίως από πρωτεΐνες. Οι πρωτεΐνες, με τη σειρά τους, είναι μεγάλες αλυσίδες αμινοξέων.

Ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά των ενζύμων είναι η ειδικότητά τους στο μόριο στόχο - αυτό το μόριο ονομάζεται υπόστρωμα.

Χαρακτηριστικά των ενζύμων

Τα ένζυμα υπάρχουν σε διάφορες μορφές. Ορισμένα αποτελούνται εξ ολοκλήρου από πρωτεΐνες, ενώ άλλα έχουν μη πρωτεϊνικές περιοχές που ονομάζονται συμπαράγοντες (μέταλλα, ιόντα, οργανικά μόρια κ.λπ.).

Έτσι, ένα αποενένζυμο είναι ένα ένζυμο χωρίς τον συμπαράγοντά του και ο συνδυασμός του αποενζύμου και του συμπαράγοντα του ονομάζεται ένα ολοενζύμη.

Πρόκειται για μόρια μεγάλου μεγέθους. Ωστόσο, μόνο μια μικρή θέση του ενζύμου συμμετέχει άμεσα στην αντίδραση με το υπόστρωμα, και αυτή η περιοχή είναι η ενεργός θέση.

Όταν αρχίζει η αντίδραση το ένζυμο συζευγνύεται με το υπόστρωμα του καθώς το κλειδί συνδέεται με την κλειδαριά του (αυτό το μοντέλο είναι μια απλοποίηση της πραγματικής βιολογικής διαδικασίας, αλλά χρησιμεύει για να απεικονίσει τη διαδικασία).

Όλες οι χημικές αντιδράσεις που εμφανίζονται στο σώμα μας καταλύονται από ένζυμα. Στην πραγματικότητα, αν αυτά τα μόρια δεν υπήρχαν, θα έπρεπε να περιμένουμε εκατοντάδες ή χιλιάδες χρόνια για να ολοκληρωθούν οι αντιδράσεις. Επομένως, η ρύθμιση της ενζυματικής δραστηριότητας πρέπει να ελέγχεται με πολύ συγκεκριμένο τρόπο.

Ονοματολογία και ταξινόμηση ενζύμων

Όταν βλέπουμε ένα μόριο του οποίου το όνομα τελειώνει, μπορούμε να είμαστε βέβαιοι ότι είναι ένα ένζυμο (αν και υπάρχουν εξαιρέσεις σε αυτόν τον κανόνα, όπως η θρυψίνη). Αυτή είναι η σύμβαση για τον προσδιορισμό του ονόματος των ενζύμων.

Υπάρχουν έξι βασικοί τύποι ενζύμων: οξειδορεδουκτάσες, τρανσφεράσες, υδρολάσες, λυάσες, ισομεράσες και λιγκάσες. υπεύθυνη για: αντιδράσεις οξειδοαναγωγής, μεταφορά ατόμων, υδρόλυση, προσθήκη διπλών δεσμών, ισομερισμός και δέσμευση μορίων, αντίστοιχα.

Πώς λειτουργούν τα ένζυμα?

Στο τμήμα για την κατάλυση αναφέραμε ότι η ταχύτητα της αντίδρασης εξαρτάται από την τιμή του ΔG *. Όσο υψηλότερη είναι αυτή η τιμή, τόσο πιο αργή και πιο αργή είναι η αντίδραση. Το ένζυμο είναι υπεύθυνο για τη μείωση της εν λόγω παραμέτρου - αυξάνοντας έτσι την ταχύτητα της αντίδρασης.

Η διαφορά μεταξύ των προϊόντων και των αντιδραστηρίων παραμένει ίδια (το ένζυμο δεν το επηρεάζει), όπως και η κατανομή του. Το ένζυμο διευκολύνει τον σχηματισμό της μεταβατικής κατάστασης.

Αναστολείς ενζύμων

Στο πλαίσιο της μελέτης των ενζύμων, οι αναστολείς είναι ουσίες που καταφέρνουν να μειώσουν τη δραστικότητα του καταλύτη. Κατατάσσονται σε δύο τύπους: ανταγωνιστικοί και μη ανταγωνιστικοί αναστολείς. Αυτοί του πρώτου τύπου ανταγωνίζονται με το υπόστρωμα και οι άλλοι δεν το κάνουν.

Γενικά, η διαδικασία αναστολής είναι αναστρέψιμη, αν και μερικοί αναστολείς μπορούν να παραμείνουν συζευγμένοι με το ένζυμο σχεδόν μόνιμα.

Παραδείγματα

Υπάρχει μια μεγάλη ποσότητα ενζύμων στα κύτταρά μας - και στα κύτταρα όλων των ζωντανών όντων. Ωστόσο, τα πιο γνωστά είναι εκείνα που συμμετέχουν σε μεταβολικές οδούς όπως η γλυκόλυση, ο κύκλος του Krebs, η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, μεταξύ άλλων..

Η αφυδρογονάση ηλεκτρικής είναι ένα ένζυμο τύπου οξειδορεδουκτάσης το οποίο καταλύει την οξείδωση του ηλεκτρικού άλατος. Στην περίπτωση αυτή, η αντίδραση περιλαμβάνει την απώλεια δύο ατόμων υδρογόνου.

Διαφορά μεταξύ βιολογικών καταλυτών (ένζυμα) και χημικών καταλυτών

Υπάρχουν καταλύτες χημικής φύσης που, όπως οι βιολογικές, αυξάνουν την ταχύτητα των αντιδράσεων. Ωστόσο, υπάρχουν αξιοσημείωτες διαφορές μεταξύ των δύο τύπων μορίων.

Οι καταλυόμενες από ένζυμα αντιδράσεις εμφανίζονται ταχύτερα

Πρώτον, τα ένζυμα καταφέρνουν να αυξάνουν την ταχύτητα των αντιδράσεων σε τάξεις μεγέθους κοντά στο 10⁶ έως 10¹². Οι χημικοί καταλύτες αυξάνουν επίσης την ταχύτητα, αλλά μόνο μερικές τάξεις μεγέθους.

Τα περισσότερα ένζυμα εργάζονται σε φυσιολογικές συνθήκες

Καθώς οι βιολογικές αντιδράσεις διεξάγονται μέσα στα ζωντανά όντα, οι βέλτιστες συνθήκες τους περιβάλλουν τις φυσιολογικές τιμές της θερμοκρασίας και του ρΗ. Οι χημικοί, από την άλλη πλευρά, χρειάζονται δραστικές συνθήκες θερμοκρασίας, πίεσης και οξύτητας.

Ειδικότητα

Τα ένζυμα είναι πολύ συγκεκριμένα στις αντιδράσεις που καταλύουν. Στις περισσότερες περιπτώσεις, λειτουργούν μόνο με ένα υπόστρωμα ή με λίγες. Η ιδιαιτερότητα ισχύει και για τον τύπο των προϊόντων που παράγουν. Η περιοχή των υποστρωμάτων των χημικών καταλυτών είναι πολύ ευρύτερη.

Οι δυνάμεις που καθορίζουν την εξειδίκευση της αλληλεπίδρασης μεταξύ του ενζύμου και του υποστρώματος του είναι οι ίδιες που υπαγορεύουν τη διαμόρφωση της ίδιας πρωτεΐνης (αλληλεπιδράσεις Van der Waals, ηλεκτροστατικές, δεσμοί υδρογόνου και υδρόφοβη).

Η ενζυματική ρύθμιση είναι ακριβής

Τέλος, τα ένζυμα έχουν μεγαλύτερη ικανότητα ρύθμισης και η δραστικότητα αυτών ποικίλει ανάλογα με τη συγκέντρωση διαφορετικών ουσιών στο κύτταρο.

Μεταξύ των ρυθμιστικών μηχανισμών βρίσκουμε τον αλλοστερικό έλεγχο, την ομοιοπολική τροποποίηση των ενζύμων και την μεταβολή στην ποσότητα ενζύμου που συντίθεται.

Αναφορές

1. Berg, J. Μ., Stryer, L., & Tymoczko, J.L. (2007). Βιοχημεία. Αντίστροφα.
2. Campbell, Μ. Κ., & Farrell, S. O. (2011). Βιοχημεία Έκτη έκδοση. Thomson. Brooks / Cole.
3. Devlin, Τ. Μ. (2011). Εγχειρίδιο βιοχημείας. John Wiley & Sons.
4. Koolman, J., & Röhm, Κ. Η. (2005). Βιοχημεία: κείμενο και άτλας. Ed. Panamericana Medical.
5. Μούγιος, Β. (2006). Ασκήσεις βιοχημείας. Ανθρώπινη κινητική.
6. Müller-Esterl, W. (2008). Βιοχημεία Βασικές αρχές για την ιατρική και τις βιοεπιστήμες. Αντίστροφα.
7. Poortmans, J.R. (2004). Αρχές βιοχημείας άσκησης. Karger.
8. Voet, D., & Voet, J.G (2006). Βιοχημεία. Ed. Panamericana Medical.