ένζυμα

Ουσίες πρωτεϊνικής φύσης, που παράγονται από ζωντανά κύτταρα, δρουν με εξαιρετική ειδίκευση ως βιολογικοί καταλύτες και ρυθμίζουν την ταχύτητα των αντιδράσεων που χαρακτηρίζουν τον πολυσύνθετο κόσμο της βιοχημείας. Οι σύγχρονες πειραματικές μελέτες συνέβαλαν στη σαφέστερη γνώση σχετικά με τον μηχανισμό της ενζυμικής αντίδρασης και στη διατύπωση πολυάριθμων υποθέσεων γύρω από τις αντιδράσεις αυτές. Είναι γνωστό, για παράδειγμα, ότι ο μηχανισμός των ζυμώσεων με τον οποίο παράγονται τα αλκοολούχα ποτά, τα τυριά, το ξίδι κ.ά. είναι ένα σύνολο από ενζυμικές αντιδράσεις. Ωστόσο, παρότι ο άνθρωπος γνώριζε από παλιά να χρησιμοποιεί επωφελώς τις αντιδράσεις αυτές για τις ανάγκες της διατροφής του, μόνο πολύ πρόσφατα κατόρθωσε να ανακαλύψει τον μηχανισμό της δράσης τους και την πραγματική τους φύση. Το πρώτο πείραμα που προσέλκυσε την προσοχή των ερευνητών σε αυτό το πρόβλημα έγινε από τον φυσιολόγο Λάζαρο Σπαλαντσάνι, στο δεύτερο μισό του 18ου αι. Ο Σπαλαντσάνι έδεσε με πολύ λεπτές μεταλλικές κλωστές μικρά κομμάτια από βοδινό κρέας, τα οποία, αφού άφησε να τα καταβροχθίσουν γεράκια, διατήρησε για ορισμένο χρόνο στο στομάχι τους. Το κρέας χωνευόταν από τα γαστρικά υγρά των ζώων, όπως συνέβαινε και αν το κρέας ερχόταν σε επαφή με το γαστρικό υγρό που αφαιρούσε από άλλα ζώα και από τον άνθρωπο, δηλαδή και έξω από το περιβάλλον του στομαχιού. Το πείραμα αυτό ήταν το πρώτο που διαφώτιζε την πορεία, αλλά όχι και τη φύση των χημικών φαινομένων που συνδέονταν με τη χώνευση των τροφών στα ζώα. Ένα αποφασιστικό βήμα προς την κατεύθυνση αυτή οφείλεται στον Λουί Παστέρ (1822-1895), ο οποίος μελετώντας τις αλκοολικές, οξικές και γαλακτικές ζυμώσεις, κατέληξε σε ένα σημαντικό συμπέρασμα: όλες αυτές οι αντιδράσεις προκαλούνται από μικροοργανισμούς που ζουν στον αέρα, τους οποίους ονόμασε ζύμες, και η πιο φανερή δράση τους ήταν στη ζύμωση του μούστου. Για να υποστηρίξει την υπόθεση αυτή, ο Παστέρ προχώρησε σε ορισμένα αποδεικτικά πειράματα και πρακτικές επιδείξεις. Πράγματι, απέδειξε ότι πολλές οργανικές ουσίες, όπως για παράδειγμα το σάκχαρο, που μετατρέπεται σε αλκοόλη και διοξείδιο του άνθρακα με τη ζύμωση, μπορούσαν να μείνουν αναλλοίωτες για καιρό, αν διατηρούνταν μέσα σε αποστειρωμένα δοχεία, προφυλαγμένες από κάθε επαφή με τους μικροοργανισμούς του αέρα. Εξάλλου, απέδειξε ότι κατά τη διάρκεια της ζύμωσης του αμυλοσακχάρου αναπτύσσονται ορισμένα ζωντανά κύτταρα ζύμης (μαγιάς), καθώς επίσης άλλοι τύποι μικροοργανισμών σε άλλες ζυμώσεις, όπως για παράδειγμα στην αλκοολική και στην οξική. Επομένως, αφού χωρίς αυτές τις ζύμες δεν παρατηρείται καμία χημική μεταβολή, είναι λογικό να υποθέσουμε ότι αυτές μόνο είναι υπεύθυνες για τις ζυμώσεις. Οι υποθέσεις του Παστέρ, αν και έδιναν ικανοποιητική εξήγηση στο φαινόμενο των ζυμώσεων που μελετούσε, δεν ήταν ικανές να εξηγήσουν τα πειράματα του Σπαλαντσάνι και άλλων, οι οποίοι πίστευαν ότι το γαστρικό υγρό συνιστά τον μόνο υπεύθυνο παράγοντα για τις χημικές μεταβολές της τροφής που χωνεύουμε. Οι γνώσεις γύρω από το φαινόμενο των ζυμώσεων διευρύνθηκαν από την αντίληψη ότι οι ζυμώσεις πιθανώς να προκαλούνται από ειδικές ουσίες, που παράγονται από τις ζύμες ή υπάρχουν μέσα σε αυτές και όχι από τις ίδιες τις ζύμες, δηλαδή από τα ζωντανά κύτταρα. Ο Γερμανός φυσιολόγος Βίλχελμ Κoύνε (1837-1900) πρότεινε μάλιστα τα κύρια αυτά δραστικά συστατικά να ονομαστούν έ. (από τα ελληνικά: εντός της ζύμης). Η πειραματική επαλήθευση αυτής της ιδέας έγινε το 1897 από τους αδελφούς Μπούχνερ, οι οποίοι, αφού έτριψαν σε ένα γουδί μια ποσότητα ζωντανών κυττάρων ζύμης που είχε αναμειχθεί με πυριτική άμμο, κατόρθωσαν να πάρουν ένα εκχύλισμα, απόλυτα απαλλαγμένο από ζωντανά κύτταρα. Με το εκχύλισμα αυτό προκάλεσαν ζύμωση σακχάρων προς αλκοόλη και διοξείδιο του άνθρακα. Όταν το πεδίο της επιστήμης ελευθερώθηκε από τις συγχύσεις γύρω από τις ζωικές δυνάμεις, η ενζυμολογική έρευνα συνεχίστηκε με γρήγορο ρυθμό και τριάντα χρόνια αργότερα, το 1926, ο Τζέιμς Σάμνερ παρασκεύασε για πρώτη φορά ένα καθαρό έ. (ουρεάση) σε κρυσταλλική μορφή. Στα επόμενα χρόνια κατέστη δυνατή η απομόνωση και η κρυστάλλωση πολυάριθμων άλλων, μεταξύ των οποίων μεγάλης σημασίας ήταν η πεψίνη (1930), η θρυψίνη (1931), το κίτρινο έ. του Βάρμπουργκ (κυτοχρωμική οξειδάση 1934), η γαλακτική αφυδρογονάση (1940) και η ισοκινάση (1946). Ο αριθμός των ε. που έχουν απομονωθεί από τα κύτταρα και τους ιστούς του οργανισμού των ανθρώπων, των ζώων, των φυτών και των μικροοργανισμών είναι σήμερα τεράστιος. Έτσι, το ενδιαφέρον των ερευνητών συγκεντρώθηκε στη χημική φύση των ε., στην ειδίκευσή τους και στον μηχανισμό της δράσης τους. Χαρακτηριστικό εύρημα υπήρξε το συμπέρασμα ότι η χημική συμπεριφορά των ε. έμοιαζε με αυτήν των πρωτεϊνών. Πράγματι, πιστοποιήθηκε ότι όλα τα έ. που είχαν απομονωθεί έχαναν την καταλυτική τους δράση από τους ίδιους φυσικούς και χημικούς παράγοντες που μετουσίωναν τις πρωτεΐνες: υψηλές θερμοκρασίες, υπεριώδεις ακτινοβολίες, ισχυρές παλμώσεις. Ακόμα και χημικά αντιδραστήρια, όπως για παράδειγμα το φωσφοροβολφραμικό οξύ, το τριχλωροξικό οξύ, το δεψικό οξύ και τα άλατα βαρέων μετάλλων, δρουν ταυτόχρονα ως μετουσιωτικοί παράγοντες για τις πρωτεΐνες και ως ανασταλτικοί για τα έ. οποιουδήποτε τύπου. Αφού εξακριβώθηκε η πρωτεϊνική φύση των ε., υποβλήθηκαν σε διαπίδυση διάφοροι τύποι ε., για να δοκιμαστεί η συμπεριφορά τους, όταν θεωρηθούν ουσίες σε κολλοειδή κατάσταση. Για τον σκοπό αυτό, εφαρμόστηκε ειδική μέθοδος κατά την οποία, ενώ ορισμένα έ. κατά τη διαπίδυση διατηρούσαν αναλλοίωτη τη δραστικότητά τους, άλλα, όταν διαχωρίζονταν από το διάλυμα, έπαυαν πλέον να είναι δραστικά και επανακτούσαν την καταλυτική τους δράση μόλις ενώνονταν με το υγρό της διαπίδυσης που περιείχε το πρωτεϊνικό μέρος. Το πείραμα αυτό, σε συνδυασμό με άλλες μελέτες, οδήγησε στην επιβεβαίωση ότι ένας ορισμένος αριθμός ε. είναι απλές πρωτεΐνες και δρουν όπως αυτές, άλλα αποτελούνται από σύμπλοκες πρωτεΐνες, συνδεδεμένες όμως αδιάσπαστα με την προσθετική τους ομάδα, ενώ υπάρχει και μια κατηγορία πολλών ε. που αποτελούνται από ένα πρωτεϊνικό μέρος, ενωμένο πολύ ασθενώς με μια προσθετική ομάδα. Όταν αυτά τα τελευταία έ. υποβληθούν σε διαπίδυση, διαχωρίζεται η προσθετική τους ομάδα, με συνέπεια την αδρανοποίησή τους. Οι προσθετικές ομάδες των ε. ονομάζονται συνένζυμα και αποτελούν βιταμίνες ή ουσίες πολύ σχετικές με τις βιταμίνες. Στην πολύπλοκη πορεία των ενζυμικών αντιδράσεων τα συνένζυμα μετέχουν ολοκληρωτικά, όπως και το πρωτεϊνικό μέρος των ε. Το σύνολο συνένζυμου και πρωτεϊνικού κλάσματος συνήθως ονομάζεται ολένζυμο, ενώ το ίδιο το πρωτεϊνικό κλάσμα καλείται αποένζυμο. Η χημική φύση των ε. έχει σχέση με τον μηχανισμό της δράσης τους. Ωστόσο, στην προσπάθεια να παρατηρηθούν εργαστηριακά όσα συμβαίνουν ομαλά στη φύση, μελετήθηκαν προσεκτικά πολλές ενζυμικές αντιδράσεις. Παρότι οι έρευνες στην ενζυμολογία βρίσκονται ακόμα σε πλήρη εξέλιξη, είναι δυνατόν να εξαχθούν ορισμένα βασικά συμπεράσματα. Αρχικά αποσαφηνίστηκε το πιο τυπικό χαρακτηριστικό των ε., δηλαδή ότι καθένα από αυτά είναι ικανό να καταλύσει πολύ λίγες χημικές αντιδράσεις και πολλά μάλιστα είναι ικανά να καταλύσουν μόνο έναν τύπο αντίδρασης (εξειδίκευση). Το φαινόμενο αυτό συμβαίνει επειδή για κάθε ορισμένο έ. είναι απαραίτητο να υπάρχει συγκεκριμένη χημική ομάδα (ένα υδροξύλιο, ένας πεπτιδικός δεσμός, ένας αιθερικός δεσμός κλπ.) στην ουσία όπου θα αναπτύξει την καταλυτική του δράση (που ονομάζεται υπόστρωμα). Στην περίπτωση αυτή, πρόκειται για εξειδίκευση της ομάδας. Επειδή στη φύση πολλές ουσίες βρίσκονται και ενεργούν στα διάφορα μεταβολικά φαινόμενα ως οπτικώς ενεργές μορφές (αριστερόστροφη ή δεξιόστροφη), πολλά έ., για να καταλύσουν μια αντίδραση, έχουν ανάγκη όχι μόνο να υπάρχει στο υπόστρωμα μια ορισμένη δραστική ομάδα, αλλά και το υπόστρωμα αυτό να βρίσκεται μόνο σε έναν από τους δύο οπτικώς ενεργούς τύπους (είτε αριστερόστροφο είτε δεξιόστροφο). Το φαινόμενο της εξειδίκευσης οδήγησε στο συμπέρασμα ότι κατά την ενζυμική αντίδραση δημιουργείται, μεταξύ του έ. και του υποστρώματός του, ένας δεσμός περισσότερο ή λιγότερο ισχυρός και ότι ο δεσμός αυτός οφείλεται σε ορισμένες ιδιαίτερα δραστικές ομάδες του πρωτεϊνικού μορίου του ε. Οι ομάδες αυτές, που ονομάζονται ενεργά κέντρα, ενώνονται με το υπόστρωμα. Με την ένωση αυτή αρχίζει μια σειρά αντιδράσεων, συνήθως απελευθέρωσης ενέργειας από τη μεταφορά φωσφορικών δεσμών, οι οποίες καταλήγουν στον χημικό ανασχηματισμό, τον οποίο αναμένουμε. Στο τέλος, έχουμε τα προϊόντα της αντίδρασης, μαζί με το έ. που παραμένει ελεύθερο, όπως ήταν στο αρχικό στάδιο. Επομένως, είναι αρκετή, όπως σε κάθε κατάλυση, η παρουσία ε. σε ελάχιστη ποσότητα για να προκληθεί αντίδραση σε μεγάλες ποσότητες υποστρώματος. Το έ. δρα με τέτοιο τρόπο ώστε να προκαλεί την επιτάχυνση της αντίδρασης. Εκτός από τους άλλους παράγοντες, όπως η θερμοκρασία, το pH κλπ., η ταχύτητα μιας αντίδρασης επηρεάζεται από τη συγκέντρωση του ε. καθώς και από το υπόστρωμα. Η ταχύτητα αντίδρασης αυξάνει ανάλογα με την αύξηση της συγκέντρωσης του υποστρώματος, αλλά μέχρι μία οριακή τιμή. Η μελέτη των αντιδράσεων αυτών οδήγησε στην τελειοποίηση ορισμένων θεωριών, που ισχύουν σχεδόν για το σύνολο των περιπτώσεων και έδωσαν τη δυνατότητα να διατυπωθούν μερικές χαρακτηριστικές τιμές, ιδιαίτερα για κάθε έ. χωριστά. Η τιμή με το μεγαλύτερο ενδιαφέρον είναι η σταθερά του Μιχαέλις, που παριστάνεται με το σύμβολο Km και αναφέρεται στη συγκέντρωση του υποστρώματος, στην οποία έχουμε το μισό της δυνατής μέγιστης ταχύτητας της αντίδρασης. Επειδή κάποιο έ. μπορεί να καταλύει αντιδράσεις περισσοτέρων του ενός υποστρωμάτων, οι τιμές της Km μπορούν να υποδηλώνουν για ποιο υπόστρωμα το έ. έχει μεγαλύτερη συγγένεια. Χαμηλή τιμή της Km προς ένα ορισμένο υπόστρωμα δείχνει ότι το έ. έχει μεγάλη συγγένεια για το υπόστρωμα αυτό, ενώ υψηλή τιμή της Km σημαίνει ότι το έ. έχει χαμηλή συγγένεια για το υπόστρωμά του. Ένα φαινόμενο που συνδέεται με τις ενζυμικές αντιδράσεις είναι το φαινόμενο της αναστολής. Υπάρχουν, πράγματι, ουσίες οι οποίες δεσμεύονται στα έ. και έτσι παρεμποδίζουν τη δράση τους. Η δέσμευση αυτή μπορεί να είναι αντιστρεπτή ή μη αντιστρεπτή, δηλαδή μόνιμη. Στην πρώτη περίπτωση, η απομάκρυνση της ουσίας-αναστολέα είναι αρκετή για να αποκαταστήσει τη δραστηριότητα του ε., ενώ στη δεύτερη συντελείται σημαντική τροποποίηση ή καταστροφή του ε. και έτσι η αδρανοποίησή του είναι οριστική. Ένας τύπος αντιστρεπτής αναστολής είναι η συναγωνιστική αναστολή. Αυτή συμβαίνει όταν κοντά στο υπόστρωμα υπάρχει μια ουσία όμοια με αυτό από άποψη δομής. Στην περίπτωση αυτή το έ. δεσμεύεται από την συναγωνιστική ουσία και έτσι ελαττώνεται η ταχύτητα ή αναστέλλεται τελείως η ενζυμική αντίδραση. Οι πιο κοινές ενζυμικές αντιδράσεις που χαρακτηρίζουν τα πολύπλοκα στάδια του ζωικού και φυτικού μεταβολισμού είναι οι αντιδράσεις υδρολυτικής διάσπασης εστερικών και πεπτιδικών δεσμών, οι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής, μεταφοράς ειδικών ομάδων από ένα μόριο σε κάποιο άλλο, δημιουργίας δεσμών, καρβοξυλίωσης και ισομερισμού. Αρκετές μέθοδοι έχουν προταθεί για την ταξινόμηση των ε. Σχεδόν όλες, για την ονοματολογία των διαφόρων ε. προσθέτουν την κατάληξη -άση στην ονομασία του υποστρώματος στο οποίο επιδρούν ή στον τύπο την αντίδρασης την οποία καταλύουν. Ορισμένα έ. διατηρούν την αρχική ονομασία που τους δόθηκε από τους επιστήμονες που τα ανακάλυψαν (π.χ. θρυψίνη, πεψίνη κλπ.), αλλά σήμερα η πιο αποδεκτή μέθοδος είναι η ταξινόμηση που προτείνεται από την επιτροπή ονοματολογίας της Διεθνούς Ένωσης Βιοχημείας (1978). Αυτή ταξινομεί τα έ. σε έξι μεγάλες κατηγορίες (καθεμία από τις οποίες υποδιαιρείται σε υποκατηγορίες), με βάση τον τύπο της αντίδρασης που καταλύεται από το έ., τον τύπο του δεσμού που διασπάται ή σχηματίζεται ή τον τύπο της μεταφερόμενης ρίζας. Οι έξι μεγάλες κατηγορίες ονομάζονται: 1) υδρολάσες (έ. που καταλύουν υδρολυτικές διασπάσεις)· 2) τρανσφεράσες (έ. που μεταφέρουν ομάδες)· 3) οξειδοαναγωγάσες (έ. βιολογικής οξείδωσης και αναγωγής)· 4) λυάσες (καταλύουν αντιδράσεις απομάκρυνσης ή προσθήκης σε διπλό δεσμό)· 5) ισομεράσες (αλλαγές μέσα στο μόριο)· 6) λιγάσες (σχηματισμός δεσμών με ταυτόχρονη διάσπαση ΑΤΡ). Τα έ. βρήκαν νέες και ενδιαφέρουσες εφαρμογές στη βιομηχανία και αποτελούν συστατικά πολλών φαρμάκων και απορρυπαντικών, ενώ χρησιμοποιούνται ευρύτατα και στη βιομηχανία τροφίμων. ενζυμολογία. Η ενζυμολογία αντιπροσωπεύει ένα από τα πιο ενδιαφέροντα κεφάλαια της βιολογικής χημείας, στον βαθμό που το μεγαλύτερο μέρος των ζωικών λειτουργιών προϋποθέτει τουλάχιστον μία ενζυμική δραστηριότητα. Η εξειδίκευση ως προς το υπόστρωμα, η αύξηση της ταχύτητας αντίδρασης χωρίς να επηρεάζεται η ισορροπία, η αναλλοίωτη φύση του ε., η εξάρτηση της δραστικότητας από τις συνθήκες του περιβάλλοντος και, τέλος, η δυνατότητα αναστροφής των ενζυμικών αντιδράσεων, αποτελούν τα χαρακτηριστικά με τα οποία τα έ. συμβάλλουν στον σχηματισμό και στην επάρκεια των δυναμικών συστημάτων της ζώσας ύλης. Ενζυμικά συστήματα ρυθμίζουν τις γενικές και τις ειδικές δραστηριότητες κάθε κυττάρου. Τα δηλητήρια των ε. είναι και κυτταρικά δηλητήρια. Στο πρωτόπλασμα, η δημιουργία και η απελευθέρωση ενέργειας (αναβολικά και καταβολικά φαινόμενα) εξαρτώνται από τα ενζυμικά συστήματα. Επειδή ορισμένα είναι συγκεντρωμένα στα μιτοχόνδρια και σε άλλα στοιχεία του κυττάρου ή διεσπαρμένα στον πυρήνα ή στο κυτταρόπλασμα, έχουν συμβάλλει με τη δραστηριότητά τους στον εντοπισμό πολλών ενδοκυτταρικών λειτουργιών. Εκτός από τα ενδοκυτταρικά, υπάρχουν έ. και στα προϊόντα των κυτταρικών εκκρίσεων ή στο περιβάλλον που αποικίζεται από μερικά κύτταρα, δηλαδή εξωκυτταρικά έ., που συχνά σχετίζονται με τις αντιδράσεις του κυττάρου προς το περιβάλλον του. Το κυτταρικό ενζυμικό υλικό περιέχει έ. που είναι κοινά για όλα τα κύτταρα, αλλά και ειδικά για τα συγκεκριμένα κύτταρα από τα οποία παρασκευάστηκε. Αυτή η ποσοτική και ποιοτική κατανομή των ενζυμικών λειτουργιών είναι χαρακτηριστική για κάθε κυτταρικό τύπο ξεχωριστά και αποτελεί τη βάση της διαφοροποίησης. Η ενζυμολογία βρήκε εφαρμογές ακόμα και στο πεδίο της ιστολογίας και της παθολογίας του ανθρώπου. Πριν από μερικές δεκαετίες μελετήθηκαν, για παράδειγμα, τα πεπτικά έ. (πεψίνη, θρυψίνη κλπ.). Πιο πρόσφατη είναι η αναγνώριση των ενδοκυτταρικών ενζυμικών δραστηριοτήτων και της συνενζυμικής λειτουργίας πολλών βιταμινών. Ακολούθησαν οι τεχνικές μέθοδοι με τις οποίες αναγνωρίζεται και μετράται ποσοτικά η δραστηριότητα διαφόρων ε. στο αίμα του ανθρώπου. Στις ποσοτικές μεταβολές των ενζυμικών δραστηριοτήτων στον ορό βασίζεται πλέον μια ολόκληρη σειρά διαγνωστικών εξετάσεων, χρήσιμων σε μια σειρά ασθενειών. Τα πιο κοινά παραδείγματα είναι των τρανσαμινασών στις ηπατοπάθειες και στα μυοκαρδικά συμπτώματα και των φωσφατασών στις μεταβολές της ανταλλαγής του φωσφόρου και του ασβεστίου. Νεότερες μελέτες σε διάφορα σοβαρότατα νοσήματα (αναιμίες, διανοητικές καθυστερήσεις κ.ά.) απέδειξαν ότι πολλές από αυτές οφείλονται σε έλλειψη ή ανεπάρκεια κάποιου ε. και ότι άλλες είναι κληρονομικές. Σήμερα, όλο και περισσότερες αρρώστιες αποδίδονται σε ανεπάρκεια ε. έ. περιορισμού. Έ. που χρησιμοποιείται στη γενετική μηχανική ως βιολογικό ψαλίδι, για το κόψιμο του DNA σε συγκεκριμένα σημεία. Ονομάζεται και περιοριστική ενδονουκλεάση. Τα έ. περιορισμού συνήθως αναγνωρίζουν συμμετρικές θέσεις στις δύο αλυσίδες του DNA, που περιλαμβάνουν έως και έξι ζεύγη νουκλεοτιδίων, οπότε και διασπούν το DNA στη θέση αυτή. Απομονώνονται από βακτήρια, από τα οποία παίρνουν και την ονομασία τους.