Κεφάλαιο 4.2 – Ένζυμα – βιολογικοί καταλύτες – Απαντήσεις – Λύσεις (σελ. 90-92)
Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα
Άσκηση 1 (σελ. 90)
Τι είναι ενέργεια ενεργοποίησης και ποια η σχέση ενός ενζύμου με αυτήν;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανακαλούμε τον ορισμό της ενέργειας ενεργοποίησης και το ρόλο του ενζύμου στη μείωσή της.
Απάντηση: Ενέργεια ενεργοποίησης είναι το ποσό ενέργειας που πρέπει αρχικά να προσφερθεί στα αντιδρώντα μόρια, για να πραγματοποιηθεί μια χημική αντίδραση, ακόμη κι αν αυτή τελικά αποδίδει ενέργεια. Το ένζυμο μειώνει σημαντικά την απαιτούμενη ενέργεια ενεργοποίησης μιας μεταβολικής αντίδρασης, με αποτέλεσμα η αντίδραση να γίνεται πολύ πιο γρήγορα, χωρίς να χρειάζεται το κύτταρο να προσφέρει μεγάλα ποσά θερμότητας.
Άσκηση 2 (σελ. 90)
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.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ελέγχουμε ότι όλες οι επιμέρους προτάσεις (εξειδίκευση, επίδραση θερμοκρασίας, πρωτεϊνική φύση) περιγράφουν σωστά χαρακτηριστικά των ενζύμων.
Απάντηση: δ) Όλα τα προηγούμενα είναι σωστά.
Άσκηση 3 (σελ. 90)
Περιγράψτε το μηχανισμό δράσης των ενζύμων. Αναφέρατε τους παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν τη δράση αυτή.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Περιγράφουμε διαδοχικά: πρόσδεση υποστρώματος στο ενεργό κέντρο, σχηματισμό συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος, σχηματισμό προϊόντων· και μετά απαριθμούμε τους παράγοντες που την επηρεάζουν.
Απάντηση: Το ένζυμο συνδέεται με το/τα μόριο/α-υπόστρωμα στο ενεργό του κέντρο, με τρόπο ανάλογο του «κλειδιού στην κλειδαριά». Η σύνδεση αυτή προσανατολίζει σωστά τα υποστρώματα και αποσταθεροποιεί τους δεσμούς τους, διευκολύνοντας το σχηματισμό των προϊόντων· το ένζυμο παραμένει αμετάβλητο στο τέλος και μπορεί να ξαναδράσει. Η δράση αυτή επηρεάζεται από τη θερμοκρασία (κάθε ένζυμο έχει άριστη θερμοκρασία δράσης), το pH (κάθε ένζυμο έχει άριστο pH), τη συγκέντρωση του υποστρώματος και τη συγκέντρωση του ίδιου του ενζύμου.
Άσκηση 4 (σελ. 90)
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;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Απαριθμούμε τις ιδιότητες των ενζύμων και εστιάζουμε στο ότι δεν καταναλώνονται στην αντίδραση, άρα ξαναχρησιμοποιούνται πολλές φορές.
Απάντηση: Οι ιδιότητες των ενζύμων είναι: εξαρτώνται από την τριτοταγή δομή τους, δρουν πολύ γρήγορα, δε συμμετέχουν (δεν καταναλώνονται) στην αντίδραση που καταλύουν και παρουσιάζουν υψηλή εξειδίκευση ως προς το υπόστρωμά τους. Ακριβώς επειδή δεν καταναλώνονται, ένα μόριο ενζύμου μπορεί να ξαναχρησιμοποιηθεί πολλές φορές διαδοχικά, καταλύοντας τη μετατροπή πολλών μορίων υποστρώματος σε προϊόντα, ώσπου τελικά να φθαρεί· γι' αυτό μια μικρή ποσότητα ενζύμου αρκεί για πολύ μεγαλύτερη ποσότητα υποστρώματος.
Άσκηση 5 (σελ. 90)
Πώς εξηγείται η εξειδίκευση των ενζύμων και η έλλειψη δραστικότητάς τους, όταν βρεθούν σε υψηλές θερμοκρασίες; Αιτιολογήστε την απάντησή σας.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Συνδέουμε την εξειδίκευση με τη γεωμετρική συμπληρωματικότητα ενεργού κέντρου-υποστρώματος, και την απώλεια δραστικότητας σε υψηλή θερμοκρασία με την καταστροφή της τριτοταγούς δομής.
Απάντηση: Η εξειδίκευση των ενζύμων οφείλεται στη συγκεκριμένη τριτοταγή δομή του ενεργού τους κέντρου, που έχει σχήμα συμπληρωματικό μόνο προς ένα συγκεκριμένο υπόστρωμα (ή μια σειρά πολύ συγγενικών υποστρωμάτων) — γι' αυτό ένα ένζυμο καταλύει συνήθως μία μόνο αντίδραση. Σε υψηλές θερμοκρασίες (συνήθως πάνω από 50 °C) η τριτοταγής δομή της πρωτεΐνης καταστρέφεται μόνιμα (μετουσίωση): το ενεργό κέντρο χάνει το σχήμα του, δεν μπορεί πλέον να προσδέσει το υπόστρωμα, και το ένζυμο χάνει τη δραστικότητά του — μια αλλαγή που δεν αναστρέφεται με απλή ψύξη.
Άσκηση 6 (σελ. 90)
Ποιος είναι ο ρόλος των συνενζύμων στον κυτταρικό μεταβολισμό;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανακαλούμε τι είναι συνένζυμα και γιατί ορισμένα ένζυμα δεν μπορούν να δράσουν χωρίς αυτά.
Απάντηση: Τα συνένζυμα είναι οργανικοί συμπαράγοντες, μη πρωτεϊνικής φύσης (πολλά προέρχονται από βιταμίνες), απαραίτητοι για τη δράση ορισμένων ενζύμων. Όταν ένα ένζυμο χρειάζεται συνένζυμο, τότε ούτε το ένζυμο ούτε το συνένζυμο μόνα τους είναι δραστικά — μόνο η ένωσή τους επιτρέπει την κατάλυση της αντίδρασης. Γι' αυτό ο ρόλος τους στο μεταβολισμό είναι κρίσιμος, και η επαρκής πρόσληψη βιταμινών από την τροφή είναι απαραίτητη για την κανονική λειτουργία πολλών ενζυμικών συστημάτων.
Άσκηση 7 (σελ. 90)
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: ......... + ......... ⟶ ......... ⟶ ......... + ......... + .........
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανασυνθέτουμε τα στάδια μιας τυπικής ενζυμικής αντίδρασης: το ένζυμο συνδέεται με το υπόστρωμα, σχηματίζεται το σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος, και τελικά προκύπτουν το προϊόν και το αναγεννημένο, αμετάβλητο ένζυμο.
Λύση:
- Ε + Υ → ΕΥ → Ε + Π + Π (το υπόστρωμα διασπάται σε δύο προϊόντα, π.χ. ένας δισακχαρίτης σε δύο μονοσακχαρίτες)
Απάντηση: Ε + Υ ⟶ ΕΥ ⟶ Ε + Π + Π (το ελεύθερο ένζυμο Ε συνδέεται με το υπόστρωμα Υ, σχηματίζεται το σύμπλοκο ΕΥ, και από αυτό προκύπτουν το αμετάβλητο ένζυμο Ε και τα προϊόντα· εδώ το υπόστρωμα δίνει δύο προϊόντα, ώστε να συμπληρωθούν και τα έξι κενά).
Άσκηση 8 (σελ. 90)
Σημειώστε σωστό ή λάθος: 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
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ο μόνος μηχανισμός που περιγράφει σωστά τη δράση των ενζύμων είναι η μείωση της ενέργειας ενεργοποίησης· τα ένζυμα δεν προσφέρουν θερμότητα, δεν αυξάνουν την κινητική ενέργεια των μορίων και δεν μεταβάλλουν το ενεργειακό ισοζύγιο (ΔΕ) της αντίδρασης.
Απάντηση: α. Λάθος. β. Λάθος. γ. Σωστό. δ. Λάθος.
Άσκηση 9 (σελ. 90)
Ποια καμπύλη εκφράζει τη σχέση pH και δραστικότητας ενζύμου; (καμπύλες α: φθίνουσα ευθεία, β: αύξουσα ευθεία, γ: καμπανοειδής, δ: σταθερή)
Σκέψη / Μεθοδολογία: Κάθε ένζυμο έχει ένα άριστο pH στο οποίο η δραστικότητά του είναι μέγιστη, ενώ απομακρυνόμενοι προς οξινότερες ή αλκαλικότερες τιμές η δραστικότητα μειώνεται και προς τις δύο κατευθύνσεις — αυτό περιγράφεται από την καμπανοειδή καμπύλη.
Απάντηση: Η καμπύλη γ (καμπανοειδής μορφή, με μέγιστο σε ενδιάμεσο pH).
Άσκηση 10 (σελ. 90)
Βάλτε σε κύκλο το Σ ή το Λ: α. Ένα μόριο καταλάσης που κατέλυσε τη διάσπαση ενός μορίου H₂O₂ μπορεί να καταλύσει και άλλα. β. Η αμυλάση του σαλιού διασπά πρωτεΐνες. γ. Όλες οι πρωτεΐνες είναι ένζυμα. δ. Η διαφορά ενέργειας αντιδρώντων-προϊόντων είναι μεγαλύτερη χωρίς ένζυμο.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Εφαρμόζουμε ό,τι γνωρίζουμε: τα ένζυμα δεν καταναλώνονται (α), η αμυλάση διασπά άμυλο όχι πρωτεΐνες (β), δεν είναι όλες οι πρωτεΐνες ένζυμα (γ), και το ένζυμο δεν αλλάζει το ενεργειακό ισοζύγιο της αντίδρασης, μόνο την ενέργεια ενεργοποίησης (δ).
Απάντηση: α. Σ. β. Λ. γ. Λ. δ. Λ.
Άσκηση 11 (σελ. 91)
Σε τρεις θερμοκρασίες (10°C, 20°C, 60°C) μετρήθηκαν τα αμινοξέα από διάσπαση πρωτεΐνης μετά από 3h και 50h: 10°C: 50mg→650mg· 20°C: 110mg→820mg· 60°C: 100mg→130mg. Μετέχει ένζυμο; Σε ποια κατηγορία ανήκει;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Συγκρίνουμε την πορεία της αντίδρασης στους 10°C, 20°C και 60°C: στις χαμηλότερες θερμοκρασίες η ποσότητα αμινοξέων συνεχίζει να αυξάνεται σημαντικά με το χρόνο, ενώ στους 60°C η αντίδραση σχεδόν σταματά μετά τις πρώτες ώρες — αυτό υποδηλώνει απενεργοποίηση ενζύμου σε υψηλή θερμοκρασία, δηλαδή τη συμμετοχή πρωτεολυτικού ενζύμου (πρωτεάσης).
Λύση:
- Στους 10°C και 20°C η ποσότητα αμινοξέων αυξάνεται σημαντικά ανάμεσα στις 3 και τις 50 ώρες, δηλαδή η αντίδραση συνεχίζεται κανονικά.
- Στους 60°C η ποσότητα αυξάνεται ελάχιστα από τις 3 στις 50 ώρες (από 100mg σε 130mg), δηλαδή η αντίδραση σχεδόν σταματά.
- Η απότομη διακοπή της αντίδρασης σε υψηλή θερμοκρασία δείχνει ότι κάποιος καταλύτης απενεργοποιήθηκε λόγω μετουσίωσης — άρα πρόκειται για ενζυμική αντίδραση.
Απάντηση: Ναι, μετέχει ένζυμο· η απότομη διακοπή της αντίδρασης στους 60°C, λόγω μετουσίωσης του ενζύμου, το προδίδει. Επειδή το ένζυμο καταλύει τη διάσπαση μιας πρωτεΐνης σε αμινοξέα, ανήκει στην κατηγορία των πρωτεασών.
Άσκηση 12 (σελ. 91)
Βιολογικό απορρυπαντικό με πρωτεάση βακτηριακής προέλευσης, άριστη σε ήπιο αλκαλικό περιβάλλον, θερμοκρασία 45-55°C. α. Δύο παραδείγματα λεκέδων. β. Επηρεάζεται στους 70°C; γ. Ταχύτερα ή βραδύτερα σε ελαφρά όξινο περιβάλλον;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Χρησιμοποιούμε τη γνώση ότι η πρωτεάση διασπά πρωτεΐνες (άρα δρα σε λεκέδες πρωτεϊνικής φύσης) και ότι η δράση κάθε ενζύμου εξαρτάται από θερμοκρασία και pH γύρω από το άριστο σημείο του.
Λύση:
- α. Λεκέδες αίματος και λεκέδες αυγού (ή γάλακτος) — και οι δύο περιέχουν πρωτεΐνες που θα διασπάσει η πρωτεάση.
- β. Στους 70°C, θερμοκρασία σημαντικά υψηλότερη από το άριστο εύρος (45-55°C), η πρωτεάση θα μετουσιωθεί και θα χάσει τη δραστικότητά της· η απόδοση του απορρυπαντικού θα μειωθεί.
- γ. Αφού η πρωτεάση δρα άριστα σε ήπιο αλκαλικό περιβάλλον, η μετατροπή του σε ελαφρά όξινο θα την απομακρύνει από το άριστο pH της, οπότε θα λειτουργεί με βραδύτερο ρυθμό.
Απάντηση: α. Λεκέδες αίματος, αυγού. β. Ναι, θα μειωθεί/καταστραφεί η δράση της λόγω μετουσίωσης. γ. Θα λειτουργεί βραδύτερα, καθώς απομακρύνεται από το άριστο (ήπιο αλκαλικό) pH της.
Άσκηση 13 (σελ. 91)
Η διπλανή εικόνα παριστάνει σχηματικά μια ενζυμική αντίδραση: με γκρι χρώμα ένα σώμα Ζ με κοιλότητα προσαρμογής (περιοχή Α), πάνω από αυτό δύο μόρια-υποστρώματα Β και Γ, στο τελικό στάδιο δύο προϊόντα Χ και Ψ ενώ το Ζ παραμένει αμετάβλητο:
α. Ποιο είναι το ένζυμο και ποια τα υποστρώματα;
β. Να ονομάσετε την περιοχή Α. Ποια είναι η λειτουργία της;
γ. Να αναφέρετε δυο ιδιότητες του Ζ που προκύπτουν από την εικόνα.
δ. Περιγράψτε τρεις άλλες ιδιότητες του Ζ.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ταυτοποιούμε το Ζ ως ένζυμο (παραμένει αμετάβλητο μετά την αντίδραση και έχει κοιλότητα προσαρμογής), τα Β και Γ ως τα υποστρώματα (τα μόρια που προσδένονται και μετατρέπονται στα προϊόντα Χ και Ψ), την Α ως το ενεργό κέντρο, και αντλούμε τις ιδιότητες του ενζύμου από όσα γνωρίζουμε.
Λύση:
- α. Το Ζ είναι το ένζυμο (παραμένει αμετάβλητο μετά την αντίδραση, έχει προσαρμοσμένη κοιλότητα υποδοχής). Τα Β και Γ είναι τα υποστρώματα, τα οποία μετατρέπονται στα προϊόντα Χ και Ψ.
- β. Η περιοχή Α είναι το ενεργό κέντρο του ενζύμου· εκεί προσδένονται τα υποστρώματα και πραγματοποιείται η κατάλυση της αντίδρασης.
- γ. Από την εικόνα προκύπτει ότι το Ζ έχει συγκεκριμένο σχήμα, συμπληρωματικό προς τα υποστρώματα Β και Γ (εξειδίκευση), και ότι παραμένει αμετάβλητο μετά την αντίδραση (δεν καταναλώνεται).
- δ. Άλλες ιδιότητες: είναι πρωτεϊνικής φύσης, η δράση του εξαρτάται από τη θερμοκρασία και το pH, δρα με πολύ μεγάλη ταχύτητα.
Απάντηση: α. Ζ = ένζυμο, Β και Γ = υποστρώματα. β. Α = ενεργό κέντρο, σημείο πρόσδεσης και κατάλυσης. γ. Εξειδίκευση, μη κατανάλωση. δ. Πρωτεϊνική φύση, εξάρτηση από θερμοκρασία/pH, μεγάλη ταχύτητα δράσης.
Άσκηση 14 (σελ. 91)
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 (5ml αμύλου + 1ml αμυλάσης σε κάθε δοκιμαστικό σωλήνα): Θ(°C): 20,25,30,35,40,45. Χρόνος(sec) διάσπασης: 601,315,216,180,198,417. α. Να γίνει η γραφική παράσταση των αποτελεσμάτων (οριζόντιος άξονας θερμοκρασία, κάθετος άξονας χρόνος). β. Σε ποια θερμοκρασία η αμυλάση λειτουργεί άριστα; γ. Γιατί στην αρχή του πειράματος προστέθηκε η ίδια ποσότητα διαλύματος αμύλου και αμυλάσης σε κάθε 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.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ο μικρότερος χρόνος αντιστοιχεί στην ταχύτερη αντίδραση, άρα στην άριστη θερμοκρασία. Η αύξηση του χρόνου (μείωση ταχύτητας) πάνω από τους 40°C οφείλεται σε αρχόμενη μετουσίωση του ενζύμου. Το γράφημα δεν αναπαράγεται εδώ (απαιτεί οπτική απεικόνιση, σημειώνεται θελει_PDF).
Λύση:
- α. Γραφική παράσταση με τη θερμοκρασία (°C) στον οριζόντιο άξονα και το χρόνο διάσπασης (sec) στον κάθετο: η καμπύλη αρχικά κατεβαίνει απότομα (μειώνεται ο χρόνος, άρα αυξάνεται η ταχύτητα) μέχρι τους 35°C, εμφανίζει ελάχιστο κοντά στους 35°C, και μετά ανεβαίνει απότομα ως τους 45°C.
- β. Η ελάχιστη τιμή χρόνου (180 sec) εμφανίζεται στους 35°C — άρα η αμυλάση λειτουργεί άριστα γύρω στους 35°C.
- γ. Ώστε η μόνη μεταβλητή ανάμεσα στους δοκιμαστικούς σωλήνες να είναι η θερμοκρασία — έτσι οι διαφορές στο χρόνο διάσπασης να οφείλονται αποκλειστικά σε αυτήν και όχι σε διαφορετική αρχική ποσότητα ενζύμου ή υποστρώματος.
- δ. Πάνω από τους 40°C αρχίζει η μετουσίωση (καταστροφή της τριτοταγούς δομής) της αμυλάσης, οπότε η δραστικότητά της μειώνεται αντί να συνεχίσει να αυξάνεται όπως θα συνέβαινε σε μια απλή, μη ενζυμική αντίδραση.
- ε. Ένας άλλος παράγοντας θα ήταν η μεταβολή του pH του διαλύματος (απομάκρυνση από το άριστο pH της αμυλάσης).
Απάντηση: α. Η καμπύλη χρόνου διάσπασης–θερμοκρασίας κατεβαίνει ως τους 35°C (ελάχιστο 180 sec) και μετά ανεβαίνει ως τους 45°C. β. Άριστη θερμοκρασία ≈ 35°C (ελάχιστος χρόνος διάσπασης). γ. Ώστε η θερμοκρασία να είναι η μόνη μεταβλητή. δ. Πάνω από 40°C το ένζυμο αρχίζει να μετουσιώνεται και χάνει δραστικότητα. ε. Π.χ. μεταβολή του pH.
Άσκηση 15 (σελ. 92)
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. (Στα διαγράμματα: κατακόρυφος άξονας «Εν.», οριζόντιος «πρόοδος αντίδρασης»· διακεκομμένη γραμμή = αντίδραση χωρίς ένζυμο, συνεχής γραμμή = αντίδραση με ένζυμο. Διάγραμμα 1: και οι δύο καμπύλες ξεκινούν από το Α και καταλήγουν στο χαμηλότερο Β, αλλά η συνεχής έχει ψηλότερη κορυφή από τη διακεκομμένη. Διάγραμμα 2: μία μόνο καμπύλη, που ανεβαίνει από το Α σε κορυφή και καταλήγει στο Β, το οποίο βρίσκεται ψηλότερα από το Α. Διάγραμμα 3: η διακεκομμένη έχει κορυφή, ενώ η συνεχής κατεβαίνει κατευθείαν από το Α στο Β χωρίς καμία κορυφή. Διάγραμμα 4: η συνεχής έχει μεγάλη κορυφή, ενώ η διακεκομμένη κατεβαίνει κατευθείαν από το Α στο Β χωρίς κορυφή.)
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ένα σωστό διάγραμμα εξώθερμης αντίδρασης καταλυόμενης από ένζυμο πρέπει: (1) να έχει τα προϊόντα (Β) σε χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη από τα αντιδρώντα (Α), (2) να δείχνει και για τις δύο περιπτώσεις μια κορυφή (ενέργεια ενεργοποίησης), (3) η κορυφή με ένζυμο να είναι χαμηλότερη από την κορυφή χωρίς ένζυμο, γιατί το ένζυμο μειώνει —αλλά δεν μηδενίζει— την ενέργεια ενεργοποίησης. Ελέγχουμε ποιος κανόνας παραβιάζεται σε κάθε διάγραμμα.
Λύση:
- Διάγραμμα 1: η καμπύλη με ένζυμο (συνεχής) έχει ψηλότερη κορυφή από την καμπύλη χωρίς ένζυμο (διακεκομμένη). Αυτό είναι λάθος, γιατί το ένζυμο μειώνει την ενέργεια ενεργοποίησης· η κορυφή με ένζυμο πρέπει να είναι χαμηλότερη.
- Διάγραμμα 2: το Β βρίσκεται σε ψηλότερη ενεργειακή στάθμη από το Α, κάτι που αντιστοιχεί σε ενδόθερμη αντίδραση. Αφού η αντίδραση είναι εξώθερμη (ελευθερώνεται ενέργεια), το Β πρέπει να είναι χαμηλότερα από το Α. Επιπλέον, υπάρχει μόνο μία καμπύλη, οπότε δεν φαίνεται η επίδραση του ενζύμου.
- Διάγραμμα 3: η καμπύλη με ένζυμο δεν έχει καθόλου κορυφή, δηλαδή δείχνει ότι η αντίδραση με ένζυμο δεν χρειάζεται ενέργεια ενεργοποίησης. Αυτό είναι λάθος, γιατί το ένζυμο μειώνει την ενέργεια ενεργοποίησης, αλλά δεν την μηδενίζει.
- Διάγραμμα 4: οι καμπύλες είναι αντεστραμμένες: η αντίδραση χωρίς ένζυμο (διακεκομμένη) εμφανίζεται χωρίς ενέργεια ενεργοποίησης, ενώ η αντίδραση με ένζυμο (συνεχής) με μεγάλη ενέργεια ενεργοποίησης. Στην πραγματικότητα η αντίδραση χωρίς ένζυμο έχει τη μεγαλύτερη ενέργεια ενεργοποίησης και η αντίδραση με ένζυμο μικρότερη (αλλά όχι μηδενική).
Απάντηση: 1. Η καμπύλη με ένζυμο έχει ψηλότερη κορυφή από την καμπύλη χωρίς ένζυμο, ενώ το ένζυμο μειώνει την ενέργεια ενεργοποίησης. 2. Το Β είναι ψηλότερα από το Α (ενδόθερμη αντίδραση), ενώ η αντίδραση είναι εξώθερμη· επίσης δεν υπάρχει σύγκριση με και χωρίς ένζυμο. 3. Η καμπύλη με ένζυμο δεν έχει καθόλου ενέργεια ενεργοποίησης, ενώ το ένζυμο τη μειώνει χωρίς να τη μηδενίζει. 4. Οι καμπύλες είναι αντεστραμμένες: χωρίς ένζυμο δεν φαίνεται ενέργεια ενεργοποίησης, ενώ με ένζυμο φαίνεται μεγάλη.
Πρόσεξε:
- Το ένζυμο μειώνει την ενέργεια ενεργοποίησης, αλλά δεν τη μηδενίζει και δεν αλλάζει τις ενεργειακές στάθμες των αντιδρώντων και των προϊόντων.
Άσκηση 16 — ΑΣ ΕΡΕΥΝΗΣΟΥΜΕ... (σελ. 92)
ΑΣ ΕΡΕΥΝΗΣΟΥΜΕ...
- Ίσως έχει τύχει να ακούσετε ότι «η αιμοσφαιρίνη έχει κοινά χαρακτηριστικά με τα ένζυμα». Πού 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 το ρόλο τους. Διερευνήστε αν οι οδηγίες χρήσης καθοδηγούν σωστά τον καταναλωτή για την αποτελεσματική τους χρήση.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Συνδέουμε τη δομή/λειτουργία της αιμοσφαιρίνης με αυτή ενός ενζύμου (1), εφαρμόζουμε τη γνώση ότι η φρουκτόζη εισέρχεται στη γλυκόλυση για να προβλέψουμε τις συνέπειες έλλειψης του σχετικού ενζύμου (2), και αξιοποιούμε βιβλιογραφική/καταναλωτική έρευνα για το ερώτημα 3.
Απάντηση (ενδεικτική): 1. Η αιμοσφαιρίνη, όπως πολλά ένζυμα, είναι πρωτεΐνη με ειδική τριτοταγή (και τεταρτοταγή) δομή, διαθέτει «ενεργά κέντρα» (τις αιμικές ομάδες) που δεσμεύουν εξειδικευμένα ένα συγκεκριμένο μόριο (το οξυγόνο), όπως ακριβώς το ενεργό κέντρο ενός ενζύμου δεσμεύει εξειδικευμένα το υπόστρωμά του, και η δέσμευση αυτή είναι αναστρέψιμη — παραμένει, δηλαδή, ικανή να ξαναδεσμεύσει/αποδεσμεύσει οξυγόνο επανειλημμένα, όπως το ένζυμο ξαναχρησιμοποιείται. Δεν καταλύει όμως χημική αντίδραση, άρα δεν είναι τεχνικά ένζυμο. 2. Επειδή το ένζυμο που λείπει καταλύει ένα βήμα που είναι απαραίτητο για την είσοδο της φρουκτόζης στη γλυκόλυση, στα άτομα αυτά η φρουκτόζη δε μπορεί να προχωρήσει στον κυτταρικό μεταβολισμό και συσσωρεύεται στα κύτταρα και στο αίμα. Η συσσώρευσή της (και ενδιάμεσων τοξικών προϊόντων) διαταράσσει την κυτταρική λειτουργία, ιδίως σε ιστούς με μεγάλες ενεργειακές ανάγκες όπως ο εγκέφαλος, εξηγώντας τα νοητικά/κινητικά προβλήματα που περιγράφονται. 3. Ενδεικτικά προϊόντα: βιολογικά απορρυπαντικά ρούχων/πιάτων (περιέχουν πρωτεάσες, λιπάσες, αμυλάσες για την αφαίρεση λεκέδων), προϊόντα καθαρισμού φακών επαφής (πρωτεάσες), ένζυμα πέψης σε συμπληρώματα διατροφής (π.χ. λακτάση). Η μελέτη των ετικετών/οδηγιών (θερμοκρασία πλύσης, χρόνος εμποτισμού) δείχνει αν τηρούνται οι συνθήκες άριστης δράσης του ενζύμου — αποτελεί ανοιχτό ερώτημα για προσωπική/ομαδική έρευνα.
