Ензими: структура, функције и деловање

Ензими су неопходни за правилно функционисање свих живих организама на Земљи. Учествују у већини, ако не и свим хемијским променама у природи, односно у милионима реакција и у биљном и у животињском свету. Вреди сазнати шта су ензими, како делују и какав је њихов значај за модерну медицину.

Преглед садржаја

1. Ензими: структура
2. Регулација ензимске активности
3. Ензими: Улога
4. Ензими: Номенклатура
5. Ензими и лек
6. Болести настале као резултат дисфункционалних ензима
7. Ензими: употреба у дијагностици
8. Ензими и лечење

Ензими су молекули протеина који убрзавају или чак омогућавају да се одвијају различите хемијске реакције у живим организмима, укључујући и људско тело.

Са хемијске тачке гледишта, то су катализатори, тј. Честице које појачавају реакцију, али се не истроше током реакције. Ово повећање ефикасности хемијских трансформација је често огромно, природни катализатори могу да скрате време реакције са неколико година на неколико секунди.

Ензими се налазе у свим деловима тела: у ћелијама, у ванћелијском простору, у ткивима, органима и у њиховој светлости, оно што катализатори даје дато ткиво одређује његова специфична својства и улогу коју има у телу.

Већина ензима је врло специфична, што значи да је сваки од њих одговоран само за једну врсту хемијске реакције у којој су укључене одређене честице - супстрати и само они могу да ступе у интеракцију са датим ензимом.

Активност природних катализатора зависи од многих фактора: реакционог окружења, нпр. Температуре, пХ, присуства одређених јона, активатора - они појачавају деловање ензима и инхибитора који се супротстављају овој активности.

Ензими: структура

Као што је поменуто, већина ензима су протеини, они имају врло разнолику структуру: од неколико десетина аминокиселина до неколико хиљада распоређених у разноврсну просторну структуру.

То је облик њиховог формирања (тзв. Кватернарна структура) и чињеница да је већина ензима много већа од реактаната њихових реакција у великој мери је одговорна за њихову активност.

То је због чињенице да је само одређено подручје у структури ензима такозвано активно место, тј. Фрагмент одговоран за спровођење реакције.

Задатак преосталих фрагмената молекула је да прикаче одређени супстрат, ређе друга једињења која утичу на активност ензима.

Вреди знати да је структура катализатора дизајнирана тако да се подлога за спајање идеално подудара у смислу „кључа за браву“.

Као и сви протеини, ензими се у рибосомима производе из генетског материјала који је чврсто упакован у језгро - ДНК, стварајући тако такозвану примарну структуру.

Затим се неколико пута подвргне пресавијању - мењајући облик, понекад додајући шећере, јоне метала или масне остатке.

Резултат свих ових процеса је формирање активне квартарне структуре, тј. Потпуно биолошки активне форме.

У многим случајевима неколико ензимских честица комбинује се да спроведе низ хемијских реакција и тако убрза процес.

Дешава се да у неколико ткива постоје ензими који катализују исту реакцију, али међусобно структурно нису слични, називамо их изоензимима.

Имена изоензима су иста, упркос разлици у локацији и структури, али ове разлике имају практичну примену. Захваљујући томе, у лабораторијским тестовима је могуће утврдити само оне фракције ензима које потичу из одређеног органа.

Механизми деловања ензима су различити, али са хемијског становишта њихов задатак је увек да смање енергију активације реакције. Ово је количина енергије коју супстрати морају имати да би се процес одвијао.

Овај ефекат се може постићи стварањем одговарајућег окружења за извођење реакције, коришћењем другачијег хемијског пута за добијање истих производа или одговарајућим просторним распоредом подлога.

Сваки од ових механизама могу користити ензими.

Регулација ензимске активности

Деловање ензима зависи од параметара околине: температуре, пХ и других. Сваки од природних катализатора има своје оптималне перформансе под одређеним условима, који могу бити увелико различити у зависности од његове толеранције на услове околине.

У случају температуре, већина ензимских реакција тече брже на вишим температурама, али на одређеној температури ефикасност реакције нагло опада, што је проузроковано термичким оштећењем ензима (денатурацијом).

По својој структури, хормони се могу поделити у две групе:

• једноставно - то су само протеинске честице
• сложени - који захтевају везивање не-протеинске групе - кофактор за њихову активност

Ови последњи играју кључну улогу у правилној активности и регулацији ензима.

Заузврат, кофактори се могу поделити у две групе: оне неопходне за функционисање ензима, снажно повезане са њим - то су такозване протетске групе, то могу бити метали, органски молекули, као што је, на пример, хем.

Друга група су коензими, они су обично одговорни за пренос супстрата или електрона, а њихово везивање за ензим је слабо, у ову групу спадају, на пример, фолна киселина, коензим А. Вреди знати да многи витамини играју улогу кофактора.

Инхибитори извршавају сасвим другачији задатак, они су честице које инхибирају ензиматску активност везујући се за ензим.

Постоји неколико врста инхибитора:

• иреверзибилни - изазивају трајну инактивацију молекула и реакција се може одвијати тек након производње новог ензима
  
  
• компетитиван - у овом случају инхибитор има структуру сличну супстрату, па се такмиче за активно место. Ако је спојен инхибитор, реакција пропада све док је подлога нормална
  
  
• неконкурентан - такви инхибитори везују ензим на месту које се не веже за супстрат, па се може везати за ензим, али реакција се не одвија

Код много веће концентрације супстрата од инхибитора, ефекат компетитивног инхибитора је превазиђен јер прераста „конкуренцију“ за активно место, у случају неконкурентности његов ефекат се не може превазићи повећањем концентрације супстрата.

Поред регулације система активатора и инхибитора, постоје и многе друге методе контроле активности ензима.

Они се тичу контроле ћелије у производњи на нивоу стварања протеина, као и регулације такозване пост-транслационе обраде, односно промена у структури протеинског молекула насталих непосредно након његове синтезе у рибосому. Ове модификације су, на пример, скраћивање полипептидног ланца.

Следеће методе регулације односе се на сегрегацију и смештање ензима у одговарајућа подручја: ћелијске и у одређене органеле или у ванћелијски одељак.

Постоји још један важан регулаторни механизам - негативне повратне информације - то је примарни систем контроле у ​​ендокрином систему. Ради на принципу инхибиције.

То значи да ако ензим производи превише одређеног хормона, веже се за њега, инхибирајући његову активност и смањујући синтезу, па сам производ реакције инхибира његову производњу.

Ензими: Улога

Свако ткиво људског тела производи одређени скуп ензима, који дефинише улогу ових ћелија у функционисању тела. Који су то ензими, дефинише генетски код и који су региони активни у датој ћелији.

У људском телу се у било ком тренутку одвија на хиљаде хемијских реакција, од којих свака захтева одређени ензим, па би било тешко навести све ове честице присутне у нашем телу.

Међутим, вреди знати неколико најкарактеристичнијих:

• Ензими за варење - произведени у ткивима дигестивног система, они разлажу храну на једноставна једињења, јер се само они могу апсорбовати у крв. Они су ванћелијски ензими, па свој главни задатак испуњавају изван ћелија у којима се производе. Неки од ових ензима настају у неактивном облику, такозвани проензими или зимогени, и активирају се у гастроинтестиналном тракту. Ензими за варење укључују нпр. Амилазу, липазу, трипсин.
  
  
• Миозин је ензим који се налази у мишићима, разграђује молекуле АТП који су носиоци енергије, захваљујући чему доводи до контракције мишићних влакана.
  
  
• Пероксидазе су оксидирајући ензими и каталазе, тј. Редуктивни ензими
  
  
• Ацетилхолинестераза је ензим који разграђује ацетилхолин, један од гласника у нервном систему
  
  
• Моноамин оксидаза је ензим који је најзаступљенији у јетри и одговоран је за разградњу адреналина, норадреналина и неких лекова
  
  
• Цитохом оксидаза, веома важан унутарћелијски ензим одговоран за енергетске промене
  
  
• Лизозим, супстанца присутна на пример у сузама или пљувачки која испуњава заштитне функције, уништава патогене
  
  
• Алкохол дехидрогеназа, ензим у јетри који је одговоран за разградњу етанола
  
  
• Алкална фосфатаза, учествује у изградњи костију од стране остеобласта

Ензими: Номенклатура

Имена ензима су често прилично сложена, јер потичу од назива реакције коју спроводе и супстрата који је укључен у реакцију, нпр. 5-хидрокситриптофан декарбоксилаза.

Типично, суфикс „-аза“ ​​се додаје општем имену реакције, а други део имена ензима формира се од имена једињења које пролази кроз ову реакцију.

Дешава се да је име појединачно, а затим потиче од супстрата, нпр. Лактазе (ензим који разграђује лактозу).

Ретко називи ензима потичу из општег процеса који се одвија уз њихово учешће, нпр. ДНК гираза, ензим одговоран за ротацију ДНК ланаца.

Неки ензими на крају имају уобичајена имена или имена која је дао њихов откривач, попут пепсина (који разграђује протеине у дигестивном тракту) или лизозима (бактерицидни ензим садржан у сузама).

Такође постоји мала група рестрикционих ензима који су одговорни за сечење ДНК ланаца, у овом случају назив потиче од микроорганизма из којег је ензим изолован.

Међународна унија за биохемију и молекуларну биологију увела је правила за именовање ензима и поделила их у неколико класа како би стандардизовала номенклатуру.

Није заменио раније описана имена, већ је додатак који углавном користе научници.

Према правилима Европске уније, сваки ензим је описан низом знакова: ЕЦ к.кк.кк.кк - где прва цифра означава класу, наредне подкласе и подкласе и на крају број ензима. Споменуте класе ензима су:

• 1 - оксидоредуктазе: катализују реакције оксидације и редукције
• 2 - трансферазе: преносе функционалне групе (нпр. Фосфат)
• 3 - хидролазе: одговарају хидролизи (разградњи) веза
• 4 - лиазе: прекидају везе механизмом који није хидролиза
• 5 - изомеразе: оне су одговорне за просторне промене молекула
• 6 - лигазе: повезују молекуле ковалентним везама

Ензими и лек

Значај ензима за људско здравље је огроман. Њихов правилан рад омогућава здрав живот, а захваљујући развоју аналитичких уређаја научили смо да дијагностикујемо разне болести помоћу одређивања ензима. Штавише, у могућности смо да успешно лечимо недостатке неких ензима и настале болести, али нажалост по овом питању још увек треба много учинити.

Лечење узрока метаболичких болести тренутно није могуће, јер нисмо у могућности да безбедно и ефикасно модификујемо генетски материјал да поправимо оштећене гене, а самим тим и погрешно произведене ензиме.

Болести настале као резултат дисфункционалних ензима

Правилно функционисање нашег тела у великој мери зависи од правилног функционисања ензима. У многим случајевима стања болести утичу на количину ензима, узрокујући њихово прекомерно ослобађање из ћелија или, напротив, недостатак.Следе само примери болести узрокованих абнормалним ензимским функцијама, има их много више.

• Метаболички блокови или метаболичке болести

Метаболички блокови или метаболичке болести су група наследних болести узрокованих акумулацијом супстанци у ћелији због недостатка ензима одговорног за њихов метаболизам. Времена се накупи толико супстрата да постају токсични за ћелије и цео организам.

Ове болести су неколико хиљада, њихов број одражава мноштво ензима који се налазе у људском телу, јер метаболичке болести могу утицати на већину гена који кодирају ензиме.

Примери су галактоземија или хомоцистинурија, које су ретке болести, најчешће се манифестују одмах по рођењу или у првим годинама живота.

• Тумори

Друга група болести код којих може бити укључена неисправност ензима је рак. Поред многих других функција, ензими су такође одговорни за регулацију дељења ћелија, такозване тирозин киназе. Ако ови ензими откажу у овом подручју, може доћи до неконтролисане деобе ћелија и због тога до неопластичног процеса.

• Емфизем

Мање честа болест је емфизем, у ком случају еластаза постаје преактивна. То је ензим присутан у плућном ткиву, између осталог одговоран за разградњу протеина еластина присутан у плућима.

Ако је превише активан, нарушава се равнотежа између разарања и изградње, долази до ожиљака и развија се емфизем.

Ензими: употреба у дијагностици

Савремена медицинска дијагностика заснива се на употреби ензима у њиховим одређивањима. То је због чињенице да стања болести директно или индиректно доводе до неравнотеже ензима, узрокујући повећање или смањење њихове количине у крви.

Ово може бити резултат не само производних поремећаја, већ и, на пример, ослобађања велике количине унутарћелијског ензима у крв или урин као резултат оштећења његове ћелијске мембране.

Примери ензима који се користе у лабораторијским тестовима су:

• Креатин киназа - ензим присутан у мишићима, такође у срчаном мишићу, његово вишеструко повећање може указивати на срчани удар, миокардитис, болести мишића - повреде, дистрофију.
  
  
• Лактат дехидрогеназа - присутна у свим ћелијама тела, посебно у мозгу, плућима, белим крвним зрнцима и мишићима. Његов велики пораст примећује се код инфаркта миокарда, болести мишића и јетре или карцинома.
  
  
• Алкална фосфатаза се углавном налази у јетри и костима, овде је ослобађају остеобласти. Болести ових органа могу проузроковати његов раст, али вишак алкалне фосфатазе такође може указивати на процес регенерације костију - после операције или прелома.
  
  
• Кисела фосфатаза се јавља у многим органима - јетри, бубрезима, костима, простати, са дијагностичке тачке гледишта њено повећање може указивати на болести костију и простате.
  
  
• Аспартат аминотрансфераза и аланин аминотрансфераза - то су ензими карактеристични за јетру, који се јављају готово искључиво у хепатоцитима, користе се у основној скрининг дијагнози обољења јетре, а њихово вишеструко повећање вредности увек захтева даљу дијагнозу обољења јетре.
  
  
• Глутамат дехидрогеназа и гамаглутамилтрансфераза - други ензими јетре, слично претходно поменутим, важни су за дијагнозу болести овог органа и билијарног тракта.
  
  
• Амилаза је ензим присутан у многим органима, али највећа концентрација се постиже у ћелијама панкреаса и пљувачних жлезда, њена дијагноза је од највеће важности код њихових болести.
  
  
• Липаза је још један ензим панкреаса, разликује се у специфичности од амилазе, што значи да се липаза јавља само у панкреасу и одступања од норме у одређивању овог ензима указују на болест панкреаса.
  
  
• Холинестераза је ензим који разграђује ацетилхолин - предајник у нервном систему, где је такође присутан у највећој количини, у дијагностици се користи у тровању органофосфорним једињењима.
  
  
• Фактори коагулације и фибринолизе - то су супстанце које производи јетра укључене у згрушавање крви, њихова одређивања су важна не само у процени овог процеса, већ и у праћењу функције јетре.
  
  
• Алфа-фетопротеин - ензим јетре, чија се количина повећава код болести овог органа, укључујући рак.
  
  
• Ц-реактивни протеин - производи га јетра, учествујући у имунолошком одговору, његова количина се повећава у крви у упалним стањима - инфекцијама, повредама, аутоимуним болестима.
  
  
• Церулоплазмин - још један ензим јетре, чији је пораст карактеристичан за Вилсонову болест.
  
  
• Пиридинолин и деоксипиридинолин су маркери ресорпције (деструкције) костију и карактеришу функцију остеокласта (остеогених ћелија).
  
  
• Миоглобин - као што је раније поменуто, ово је једињење карактеристично за мишиће, па ће његово повећање указивати на оштећење скелетних или срчаних мишића.
  
  
• Тропонини - такозвани маркери срчаног удара, су ензими који регулишу контракцију мишићних влакана, посебно их има у срчаном мишићу. Његова оштећења узрокују ослобађање велике количине тропонина у крв, која се користи у дијагнози срчаних болести. Међутим, вреди запамтити да пораст тропонина може указивати не само на срчани удар, већ и на његову инсуфицијенцију, валвуларне дефекте или плућну емболију.

Сви горе наведени ензими могу се класификовати у неколико група:

• Секреторни ензими - доња граница норме је дијагностичка. То су ензими које физиолошки производе органи, али у случају болести њихов број се смањује, нпр. Фактори згрушавања
  
  
• Индикаторски ензими - раст је важан. Ова група ензима се појављује у великом броју због оштећења органа и цурења ензима, укључују нпр. Тропонине
  
  
• ензими за излучивање - то су ензими који се нормално производе у лумену различитих органа - уста, црева или уринарног тракта. Ако им је излаз блокиран, они улазе у крв, нпр. Амилазе

Вриједно је запамтити да се ензими користе у самој медицинској дијагнози. Биохемијске анализе се изводе уз употребу ензима, а одговарајућа интерпретација резултата ензимских реакција омогућава добијање резултата лабораторијског теста.

Ензими и лечење

Многи лекови делују тако што утичу на деловање ензима, било тако што их тера да делују, или, напротив, тако што су инхибитори. Постоје ензимске замене попут панкреатина који садрже липазу и амилазу и користе се код инсуфицијенције панкреаса.

С друге стране, неке групе лекова инхибирају деловање ензима, нпр. Инхибитори ензима који претварају ангиотензин, који се користе, између осталог, код хипертензије и срчане инсуфицијенције, или неки антибиотици, нпр. инфекција.

Неки отрови делују и тако што делују на ензиме. Цијанид је моћан инхибитор цитокром оксидазе, суштинске компоненте респираторног ланца. Блокирањем спречава ћелију да добије енергију, што доводи до њене смрти.

За правилан ток животних процеса ћелија неопходно је присуство многих хемијских супстанци, које остају у строгим размерама међу собом и између којих се непрестано дешавају хемијске реакције.

Овај задатак обављају правилно делујући ензими, који су неопходни да би се скоро свака хемијска реакција одвијала брзином и ефикасношћу неопходном за правилно функционисање људског тела.

Дејство ензима убрзава ове процесе много пута, често чак и стотине пута, што је важно, сами ензими се не троше током реакција које се одвијају.

Недостатак катализатора или њихово неадекватно функционисање може резултирати појавом многих болести. С друге стране, вешта модификација њихове активности омогућава вам успешно лечење многих болести.

Ензимологија (наука о ензимима) је изузетно опсежна и њен развој може донети не само научни напредак, већ и активно допринети развоју медицине на пољу не само лечења, већ и дијагностике.

О аутору

Лук. Мациеј Гримуза Дипломирао је на Медицинском факултету Медицинског универзитета у Београду К. Марцинковског у Познању. Дипломирао је са претерано добрим резултатом. Тренутно је доктор у области кардиологије и докторант. Посебно га занима инвазивна кардиологија и имплантабилни уређаји (стимулатори).