Ενζυμολογία

Θεωρία: 4 ώρες/εβδομάδα | Εργαστήρια: 3 ώρες/εβδομάδα | Μονάδες ECTS: 6

Περιεχόμενο – Σκοπός του μαθήματος

Το ζωντανό κύτταρο είναι ένας χώρος συνεχών και έντονων βιοχημικών δραστηριοτήτων. Ωστόσο, η πλειοψηφία των βιοχημικών αντιδράσεων δεν είναι αυθόρμητες, αλλά επιτυγχάνονται με καταλύτες, γνωστούς ως ένζυμα. Τα ένζυμα είναι υπεύθυνα για την πραγματοποίηση σχεδόν όλων των χημικών αντιδράσεων στους ζώντες οργανισμούς. Επιπλέον, πολλές διαδικασίες που είναι γνωστές από την αρχαιότητα, όπως η ζύμωση ζάχαρης σε αιθανόλη – η βάση παραγωγής κρασιού και μπύρας-, αποδίδονται στη δραστηριότητα των ενζύμων. Μέσα από τις προσπάθειες κατανόησης των ενζύμων, του τρόπου λειτουργίας τους και του τρόπου με τον οποίο ρυθμίζονται, προσφέρεται σημαντική γνώση και πρόοδος στις βιοεπιστήμες, την ιατρική, τη βιοτεχνολογία και την αγρονομία. Έτσι, η ενζυμολογία, η μελέτη των ενζύμων, χρησίμευσε και χρησιμεύει ως ζωτικός σύνδεσμος μεταξύ της χημείας και της βιολογίας. Η απομόνωση και η κρυστάλλωση της ουριάσης από τον James B. Sumner το 1926, η αναγνώριση της πρωτεϊνικής φύσης των βιολογικών καταλυτών, η ανακάλυψη ότι το DNA αντιγράφεται από ένα ένζυμο, την πολυμεράση του DNA από τον Arthur Kornberg και τις εφαρμογές του στην αλληλούχιση DNA και PCR, καθώς και η αναγνώριση των καταλυτικών ιδιοτήτων των νουκλεϊνικών οξέων (ριβοένζυμα) από τον Thomas R. Cech και τον Sidney Altman, είναι μερικά παραδείγματα για το πώς η ενζυμολογία ήταν πάντα στο επίκεντρο πολλών σημαντικών ανακαλύψεων στο ευρύ πεδίο της βιοχημείας, δίνοντας παράλληλα μεγάλη ώθηση στην ανάπτυξη τομέα της Μοριακής Βιολογίας, όπως την γνωρίζουμε σήμερα. Επιπλέον όμως, η κατευθυνόμενη εξέλιξη ενζύμων, δηλαδή οι μέθοδοι για την εξέλιξη ενζύμων να καταλύουν εμπορικά χρήσιμες αντιδράσεις, αντιδράσεις που δεν χρειάστηκαν ποτέ να εξελιχθούν από τα κύτταρα, τιμήθηκε με το βραβείο Nobel Χημείας το 2018 στην FrancesH. Arnold, και συνδιαμορφώνει ένα πολλά υποσχόμενο και συναρπαστικό πεδίο για την Ενζυμολογία στο άμεσο μέλλον.

Σκοπός του μαθήματος είναι η κατανόηση της σχέσης δομής και λειτουργίας των ενζύμων, οι στρατηγικές κατάλυσης που ακολουθούν οι κυριότερες ομάδες ενζύμων, ο ρόλος των ενζύμων σε κρίσιμες λειτουργίες των οργανισμών, το μεταβολισμό των νουκλεϊκών οξέων και την ανάπτυξη του ανασυνδυασμένου DNA, ο σχεδιασμός αναστολέων και ενεργοποιητών καθώς και βελτιωμένων ενζύμων (protein/enzymeengineering), οι στρατηγικές επιλογής και βελτίωσης αναστολέων συγκεκριμένων ενζύμων από παθογόνα και οι εφαρμογές της σύγχρονης ενζυμολογίας στη θεραπεία και τη βιομηχανία.

Στόχοι του μαθήματος είναι οι φοιτητές να κατανοήσουν τις βασικές αρχές της Ενζυμολογίας. Ειδικότερα να κατανοήσουν τη σημασία των ενζύμων ως βιολογικών καταλυτών, της ρύθμισης της δράσης τους και των εφαρμογών τους στην έρευνα, στις βιοεπιστήμες, την υγεία, την προστασία του φυσικού περιβάλλοντος, τη βιομηχανία και γενικότερα στην βελτίωση του επιπέδου ζωής.

Η επιτυχής ολοκλήρωση του μαθήματος χρειάζεται ομαδική εργασία για την ολοκλήρωση των εργαστηριακών ασκήσεων και των παρουσιάσεων ερευνητικών άρθρων, αλλά και αυτόνομη εργασία και μελέτη. Η οργάνωση σε ομάδες, ανεξάρτητα από το φύλο ή πολιτισμικών επιλογών, στο εργαστήριο και στις παρουσιάσεις ερευνητικών εργασιών γίνεται σε συνεννόηση με τους φοιτητές, ώστε να ενισχύεται η κοινωνική και η ηθική υπευθυνότητα.

Σημαντικό ρόλο στα παραπάνω έχουν οι εργαστηριακές ασκήσεις, η συγγραφή της αναφοράς των εργαστηριακών ασκήσεων και η προφορική παρουσίαση ερευνητικών εργασιών που άπτονται των ενδιαφερόντων και των θεμάτων του μαθήματος.

Με την ολοκλήρωση του μαθήματος, οι φοιτητές και οι φοιτήτριες θα πρέπει να γνωρίζουν:

• Τις βασικές αρχές λειτουργίας των ενζύμων
• Σχέσεις δομής – λειτουργίας των ενζύμων
• Τη σημασία των ενζύμων στη ρύθμιση ζωτικών λειτουργιών των οργανισμών
• Τους μηχανισμούς και τις στρατηγικές ενζυμικής κατάλυσης
• Τις αρχές κινητικής ενζυμικών αντιδράσεων και τη σημασία της στην κατανόηση βασικών βιοχημικών λειτουργιών των οργανισμών
• Τους μηχανισμούς ρύθμισης της ενζυμικής δραστικότητας, και
  τις κύριες αρχές ανάπτυξης και μελέτης ενώσεων για αναστολή και ενεργοποίηση ενζύμων
• Ενζυμική μηχανική, μεθόδοι τροποποίησης ενζύμων (γενετική τροποποίηση, τεχνητά ένζυμα, κατευθυνόμενη εξέλιξη ενζύμων)
• Σύγχρονες εφαρμογές και προοπτικές της Ενζυμολογίας

Με την ολοκλήρωση των εργαστηριακών ασκήσεων οι φοιτητές πρέπει να γνωρίζουν πορείες απομόνωσης ενζύμων, βιοχημικού χαρακτηρισμού τους, καθώς και τρόπους μελέτης της επίδρασης ουσίων στην ενζυμική δραστικότητα. Οι φοιτητές ασκούνται με μια σειρά εργστηριακών ασκήσεων που αποσκοπούν στην απομόνωση και τον βασικό βιοχημικό χαρακτηρισμό του ενζύμου ινβερτάση (ή ιμβερτάση, invertase) από ζύμη. Ειδικότερα, οι ασκήσεις περιλαμβάνουν:

1. Εκχύλιση και μερικός καθαρισμός της ινβερτάσης
2. Προσδιορισμός ενζυμικής δραστικότητας ινβερτάσης
3. Χρωματογραφία σε στήλη DEAE-κυτταρίνης
4. Ηλεκτροφόρηση πρωτεϊνών
5. Κινητική μελέτη ινβερτάσης

Διδάσκοντες