Enzimi su neophodni za pravilno funkcioniranje svih živih organizama na Zemlji. Sudjeluju u većini, ako ne i svim kemijskim promjenama u prirodi, odnosno u milijunima reakcija kako u biljnom tako i u životinjskom svijetu. Vrijedno je saznati što su enzimi, kako djeluju i kakav je njihov značaj za suvremenu medicinu.
Sadržaj
- Enzimi: struktura
- Regulacija enzimske aktivnosti
- Enzimi: uloga
- Enzimi: Nomenklatura
- Enzimi i lijek
- Bolesti koje proizlaze iz disfunkcionalnih enzima
- Enzimi: dijagnostička primjena
- Enzimi i liječenje
Enzimi su molekule proteina koji ubrzavaju ili čak dopuštaju da se odvijaju različite kemijske reakcije u živim organizmima, uključujući i ljudsko tijelo.
S kemijskog gledišta, to su katalizatori, tj. Čestice koje pojačavaju reakciju, ali se tijekom reakcije ne troše. Ovo povećanje učinkovitosti kemijskih transformacija često je ogromno, prirodni katalizatori mogu skratiti vrijeme reakcije s nekoliko godina na nekoliko sekundi.
Enzimi se nalaze u svim dijelovima tijela: u stanicama, u izvanstaničnom prostoru, u tkivima, organima i u njihovom svjetlu, katalizatori koje daje određeno tkivo određuju njegova specifična svojstva i ulogu koju ima u tijelu.
Većina enzima vrlo su specifični, što znači da je svaki od njih odgovoran samo za jednu vrstu kemijske reakcije u kojoj su uključene određene čestice - supstrati i samo oni mogu komunicirati s danim enzimom.
Aktivnost prirodnih katalizatora ovisi o mnogim čimbenicima: reakcijskom okruženju, npr. Temperaturi, pH, prisutnosti određenih iona, aktivatorima - oni pojačavaju djelovanje enzima i inhibitora koji djeluju suprotno toj aktivnosti.
Enzimi: struktura
Kao što je spomenuto, većina enzima su proteini, oni imaju vrlo raznoliku strukturu: od nekoliko desetaka aminokiselina do nekoliko tisuća raspoređenih u raznoliku prostornu strukturu.
To je oblik njihovog nastanka (tzv. Kvaternarna struktura) i činjenica da je većina enzima mnogo veća od reaktanata njihovih reakcija u velikoj je mjeri odgovorna za njihovo djelovanje.
To je zbog činjenice da je samo određeno područje u strukturi enzima takozvano aktivno mjesto, tj. Fragment odgovoran za provođenje reakcije.
Zadatak preostalih fragmenata molekule je da prikače određeni supstrat, rjeđe druge spojeve koji utječu na aktivnost enzima.
Vrijedno je znati da je struktura katalizatora dizajnirana tako da se podloga za spajanje idealno podudara u smislu "ključa za bravu".
Kao i svi proteini, enzimi se u ribosomima proizvode iz genetskog materijala koji je čvrsto upakiran u jezgru - DNA, stvarajući tako takozvanu primarnu strukturu.
Zatim se nekoliko puta podvrgne presavijanju - mijenja oblik, ponekad dodajući šećere, metalne ione ili masne ostatke.
Rezultat svih ovih procesa je stvaranje aktivne kvartarne strukture, tj. Potpuno biološki aktivnog oblika.
U mnogim se slučajevima nekoliko enzimskih čestica kombinira kako bi provelo niz kemijskih reakcija i tako ubrzalo postupak.
Događa se da u nekoliko tkiva postoje enzimi koji kataliziraju istu reakciju, ali oni međusobno strukturno nisu slični, nazivamo ih izoenzimima.
Imena izoenzima jednaka su, unatoč razlici u položaju i strukturi, ali te razlike imaju praktičnu primjenu. Dakle, u laboratorijskim ispitivanjima moguće je utvrditi samo one frakcije enzima koje dolaze iz određenog organa.
Mehanizmi djelovanja enzima različiti su, ali s kemijskog gledišta njihova je zadaća uvijek smanjiti energiju aktiviranja reakcije. Ovo je količina energije koju supstrati moraju imati da bi se proces odvijao.
Ovaj se učinak može postići stvaranjem odgovarajućeg okruženja za provođenje reakcije, korištenjem drugačijeg kemijskog puta za dobivanje istih proizvoda ili odgovarajućim prostornim rasporedom supstrata.
Svaki od ovih mehanizama mogu koristiti enzimi.
Regulacija enzimske aktivnosti
Djelovanje enzima ovisi o parametrima okoline: temperaturi, pH i drugima. Svaki od prirodnih katalizatora ima svoje optimalne performanse pod određenim uvjetima, koji mogu biti uvelike različiti, ovisno o njegovoj toleranciji na uvjete okoliša.
U slučaju temperature, većina enzimskih reakcija teče brže na višim temperaturama, ali na određenoj temperaturi učinkovitost reakcije naglo opada, što je uzrokovano toplinskim oštećenjem enzima (denaturacijom).
Po svojoj strukturi, hormoni se mogu podijeliti u dvije skupine:
- jednostavno - to su samo proteinske čestice
- složeni - koji zahtijevaju vezanje ne-proteinske skupine - kofaktor za njihovu aktivnost
Potonji igraju ključnu ulogu u pravilnoj aktivnosti i regulaciji enzima.
Zauzvrat, kofaktori se mogu podijeliti u dvije skupine: one potrebne da enzim funkcionira, snažno povezani s njim - to su takozvane protetske skupine, mogu biti metali, organske molekule, poput hema.
Druga skupina su koenzimi, oni su obično odgovorni za prijenos supstrata ili elektrona, a njihovo vezanje na enzim je slabo, u tu skupinu spadaju, na primjer, folna kiselina, koenzim A. Vrijedno je znati da mnogi vitamini igraju ulogu kofaktora.
Inhibitori izvode potpuno drugačiji zadatak, oni su čestice koje inhibiraju enzimatsku aktivnost vežući se za enzim.
Postoji nekoliko vrsta inhibitora:
- nepovratni - uzrokuju trajnu inaktivaciju molekule, a reakcija se može dogoditi tek nakon stvaranja novog enzima
- kompetitivan - u ovom slučaju inhibitor ima strukturu sličnu supstratu, pa se natječu za aktivno mjesto. Ako je spojen inhibitor, reakcija zakazuje sve dok je supstrat normalan
- nekonkurentan - takvi inhibitori vežu enzim na mjestu koje nije ono za koje se supstrat veže, pa se može vezati za enzim, ali reakcija se ne odvija
Pri mnogo većoj koncentraciji supstrata od inhibitora, efekt kompetitivnog inhibitora se prevladava jer prerasta "konkurenciju" za aktivno mjesto, u slučaju nekonkurentnosti njegov učinak ne može se nadvladati povećanjem koncentracije supstrata.
Uz regulaciju sustava aktivatora i inhibitora, postoje i mnoge druge metode kontrole aktivnosti enzima.
Oni se tiču kontrole stanice u proizvodnji na razini stvaranja proteina, kao i regulacije takozvane posttranslacijske obrade, tj. Promjena u strukturi molekule proteina koje se javljaju neposredno nakon njegove sinteze u ribosomu. Te su modifikacije, na primjer, skraćivanje polipeptidnog lanca.
Ostale metode regulacije odnose se na odvajanje i smještanje enzima u odgovarajuća područja: stanična i u određene organele ili u izvanstanični odjeljak.
Postoji još jedan važan regulatorni mehanizam - negativne povratne informacije - to je primarni sustav upravljanja u endokrinom sustavu. Djeluje na principu inhibicije.
To znači da ako enzim proizvodi previše određenog hormona, veže se na njega, inhibirajući njegovu aktivnost i smanjujući sintezu, pa sam proizvod reakcije inhibira njegovu proizvodnju.
Enzimi: uloga
Svako tkivo ljudskog tijela proizvodi određeni skup enzima, koji definira ulogu tih stanica u funkcioniranju tijela. Koji su to enzimi definira se genetskim kodom i koja su područja aktivna u određenoj stanici.
U ljudskom se tijelu u bilo kojem trenutku odvijaju tisuće kemijskih reakcija, od kojih svaka zahtijeva određeni enzim, pa bi bilo teško navesti sve ove čestice prisutne u našem tijelu.
Međutim, vrijedi znati o nekoliko najkarakterističnijih:
- Probavni enzimi - koji proizvode tkiva probavnog sustava, oni razlažu hranu na jednostavne spojeve, jer se samo oni mogu apsorbirati u krv. Oni su izvanstanični enzimi, pa svoju glavnu zadaću ispunjavaju izvan stanica u kojima se proizvode. Neki od ovih enzima nastaju u neaktivnom obliku, takozvani proenzimi ili zimogeni, a aktiviraju se u gastrointestinalnom traktu. Probavni enzimi uključuju npr. Amilazu, lipazu, tripsin.
- Miozin je enzim koji se nalazi u mišićima, razgrađuje molekule ATP-a koji su nositelji energije, zahvaljujući čemu uzrokuje kontrakciju mišićnih vlakana.
- Peroksidaze su oksidirajući enzimi i katalaze, tj. Reducirajući enzimi
- Acetilkolinesteraza je enzim koji razgrađuje acetilkolin, jedan od glasnika u živčanom sustavu
- Monoaminooksidaza je enzim koji je najzastupljeniji u jetri i odgovoran je za razgradnju adrenalina, noradrenalina i nekih lijekova
- Citohom oksidaza, vrlo važan unutarćelijski enzim odgovoran za energetske promjene
- Lizozim, tvar prisutna npr. U suzama ili slini koja ispunjava zaštitne funkcije, uništava patogene
- Alkohol dehidrogenaza, enzim u jetri koji je odgovoran za razgradnju etanola
- Alkalna fosfataza, sudjeluje u izgradnji kostiju od strane osteoblasta
Enzimi: Nomenklatura
Nazivi enzima često su prilično složeni jer potječu od naziva reakcije koju provode i supstrata koji je uključen u tu reakciju, npr. 5-hidroksitriptofan dekarboksilaza.
Uobičajeno se sufiks "-aza" dodaje generičkom nazivu reakcije, a drugi dio naziva enzima tvori ime spoja koji prolazi kroz ovu reakciju.
Događa se da je ime pojedinačno, a zatim dolazi od supstrata, npr. Laktaze (enzim koji razgrađuje laktozu).
Rijeđe, nazivi enzima potječu iz općeg procesa koji se odvija uz njihovo sudjelovanje, npr. DNA giraza, enzim odgovoran za rotaciju DNA lanaca.
Neki enzimi na kraju imaju uobičajena imena ili imena koja je dao njihov otkrivač, poput pepsina (koji razgrađuje proteine u probavnom traktu) ili lizozima (baktericidni enzim sadržan u suzama).
Postoji i mala skupina restrikcijskih enzima koji su odgovorni za rezanje DNA lanaca, u ovom slučaju naziv dolazi od mikroorganizma iz kojeg je enzim izoliran.
Međunarodna unija biokemije i molekularne biologije uvela je pravila za imenovanje enzima i podijelila ih u nekoliko klasa kako bi standardizirala nomenklaturu.
Nije zamijenio ranije opisana imena, već je dodatak koji uglavnom koriste znanstvenici.
Prema pravilima Europske unije, svaki je enzim opisan nizom znakova: EC x.xx.xx.xx - gdje prva znamenka označava klasu, sljedeće podrazrede i podrazrede i na kraju broj enzima. Spomenute klase enzima su:
• 1 - oksidoreduktaze: kataliziraju reakcije oksidacije i redukcije
• 2 - transferaze: prijenos funkcionalnih skupina (npr. Fosfata)
• 3 - hidrolaze: odgovaraju hidrolizi (razgradnji) veza
• 4 - liaze: prekidaju veze na drugačiji mehanizam od hidrolize
• 5 - izomeraze: odgovorne su za prostorne promjene molekula
• 6 - ligaze: povezuju molekule kovalentnim vezama
Enzimi i lijek
Važnost enzima za ljudsko zdravlje je ogromna. Njihov pravilan rad omogućuje zdrav život, a zahvaljujući razvoju analitičkih uređaja naučili smo dijagnosticirati razne bolesti pomoću određivanja enzima. Štoviše, u mogućnosti smo uspješno liječiti nedostatke nekih enzima i nastale bolesti, ali nažalost po tom pitanju još moramo puno učiniti.
Liječenje uzroka metaboličkih bolesti trenutno nije moguće, jer nismo u mogućnosti sigurno i učinkovito modificirati genetski materijal za popravak oštećenih gena, a time i pogrešno proizvedenih enzima.
Bolesti koje proizlaze iz disfunkcionalnih enzima
Ispravno funkcioniranje našeg tijela uvelike ovisi o pravilnom funkcioniranju enzima. U mnogim slučajevima stanja bolesti utječu na količinu enzima, uzrokujući njihovo pretjerano oslobađanje iz stanica ili, naprotiv, nedostatak.Slijede samo primjeri bolesti uzrokovanih abnormalnim enzimskim funkcijama, ima ih mnogo više.
- Metabolički blokovi ili metaboličke bolesti
Metabolički blokovi ili metaboličke bolesti skupina su nasljednih bolesti uzrokovanih nakupljanjem tvari u stanici zbog nedostatka enzima odgovornog za njihov metabolizam. Supstrata nakupljenih tijekom vremena toliko je da postaju toksični za stanice i cijeli organizam.
Postoji nekoliko tisuća ovih bolesti, njihov broj odražava mnoštvo enzima koji se nalaze u ljudskom tijelu, jer metaboličke bolesti mogu utjecati na većinu gena koji kodiraju enzime.
Primjeri su galaktozemija ili homocistinurija, koje su rijetke bolesti, koje se najčešće očituju odmah nakon rođenja ili u prvim godinama života.
- Tumori
Druga skupina bolesti kod kojih može biti uključena neispravnost enzima je rak. Uz mnoge druge funkcije, enzimi su odgovorni i za regulaciju diobe stanica, takozvane tirozin kinaze. Ako ti enzimi otkažu na ovom području, može doći do nekontrolirane diobe stanica, a time i do neoplastičnog procesa.
- Emfizem
Rjeđa bolest je emfizem, u kojem slučaju elastaza postaje preaktivna. To je enzim prisutan u plućnom tkivu, odgovoran za razgradnju proteina elastina prisutan u plućima, između ostalog.
Ako je previše aktivan, narušava se ravnoteža između razaranja i izgradnje, dolazi do ožiljaka i razvoja emfizema.
Enzimi: dijagnostička primjena
Suvremena medicinska dijagnostika temelji se na upotrebi enzima u njihovim određivanjima. To je zbog činjenice da stanja bolesti izravno ili neizravno dovode do neravnoteže enzima, uzrokujući povećanje ili smanjenje njihove količine u krvi.
To može biti rezultat ne samo poremećaja proizvodnje, već i npr. Oslobađanja velike količine unutarćelijskog enzima u krv ili mokraću kao rezultat oštećenja njegove stanične membrane.
Primjeri enzima koji se koriste u laboratorijskim testovima su:
- Kreatin kinaza - enzim prisutan u mišićima, također u srčanom mišiću, njegovo višestruko povećanje može ukazivati na srčani udar, miokarditis, bolesti mišića - ozljede, distrofiju.
- Laktat dehidrogenaza - prisutna u svim stanicama tijela, posebno u mozgu, plućima, bijelim krvnim stanicama i mišićima. Njegov veliki porast primjećuje se kod infarkta miokarda, bolesti mišića i jetre ili karcinoma.
- Alkalna fosfataza se uglavnom nalazi u jetri i kostima, ovdje je oslobađaju osteoblasti. Bolesti ovih organa mogu uzrokovati njegov rast, ali višak alkalne fosfataze također može ukazivati na proces regeneracije kostiju - nakon operacije ili prijeloma.
- Kisela fosfataza javlja se u mnogim organima - jetri, bubrezima, kostima, prostati, s dijagnostičkog gledišta njezino povećanje može ukazivati na bolesti kostiju i prostate.
- Aspartat aminotransferaza i alanin aminotransferaza - to su enzimi karakteristični za jetru, koji se javljaju gotovo isključivo u hepatocitima, koriste se u osnovnoj probirnoj dijagnozi bolesti jetre, a njihovo višestruko povećanje vrijednosti uvijek potakne daljnju dijagnostiku bolesti jetre.
- Glutamat dehidrogenaza i gamaglutamiltransferaza - drugi enzimi jetre, slično prethodno spomenutim, važni su u dijagnostici bolesti ovog organa i žučnih puteva.
- Amilaza je enzim prisutan u mnogim organima, ali najveća koncentracija postiže se u stanicama gušterače i slinovnica, a dijagnoza joj je od najveće važnosti kod njihovih bolesti.
- Lipaza je još jedan enzim gušterače, koji se razlikuje po specifičnosti od amilaze, što znači da je lipaza prisutna samo u gušterači, a odstupanja od norme u određivanju ovog enzima ukazuju na bolest gušterače.
- Holinesteraza je enzim koji razgrađuje acetilkolin - prijenosnik u živčanom sustavu, gdje je također prisutan u najvećoj količini, u dijagnostici se koristi kod trovanja organofosfornim spojevima.
- Čimbenici koagulacije i fibrinolize - to su tvari koje proizvodi jetra koje sudjeluju u zgrušavanju krvi, njihova određivanja nisu važna samo u procjeni ovog procesa, već i u praćenju funkcije jetre.
- Alfa-fetoprotein - jetreni enzim, čija se količina povećava kod bolesti ovog organa, uključujući karcinom.
- C-reaktivni protein - proizvodi ga jetra, sudjelujući u imunološkom odgovoru, a njegova količina se povećava u krvi u upalnim stanjima - infekcijama, ozljedama, autoimunim bolestima.
- Ceruloplazmin - još jedan enzim jetre, čiji je porast karakterističan za Wilsonovu bolest.
- Piridinolin i deoksipiridinolin su markeri resorpcije (destrukcije) kostiju i karakteriziraju funkciju osteoklasta (osteogenih stanica).
- Mioglobin - kao što je ranije spomenuto, spoj je karakterističan za mišiće, pa će njegovo povećanje ukazivati na oštećenje skeletnih ili srčanih mišića.
- Troponini - takozvani biljezi srčanog udara, enzimi su koji reguliraju kontrakciju mišićnih vlakana, posebno ih ima u srčanom mišiću. Njegova oštećenja uzrokuju oslobađanje velike količine troponina u krv, koji se koristi u dijagnostici srčanih bolesti. Vrijedno je, međutim, podsjetiti da porast troponina može ukazivati ne samo na srčani udar, već i na njegovu insuficijenciju, valvularne defekte ili plućnu emboliju.
Svi gore navedeni enzimi mogu se svrstati u nekoliko skupina:
- Sekretorni enzimi - donja granica norme je dijagnostička. To su enzimi koje fiziološki proizvode organi, ali u slučaju bolesti njihov se broj smanjuje, npr. Faktori zgrušavanja
- Pokazatelji enzimi - važan je rast. Ova se skupina enzima pojavljuje u velikim količinama zbog oštećenja organa i istjecanja enzima, uključuju npr. Troponine
- enzimi za izlučivanje - to su enzimi koji se normalno proizvode u lumenu različitih organa - usta, crijeva i mokraćnog sustava. Ako im je izlaz blokiran, ulaze u krv, npr. Amilaze
Vrijedno je podsjetiti da se enzimi koriste u samoj medicinskoj dijagnostici. Biokemijske analize provode se uz upotrebu enzima, a odgovarajuća interpretacija rezultata enzimskih reakcija omogućuje dobivanje rezultata laboratorijskog ispitivanja.
Enzimi i liječenje
Mnogi lijekovi djeluju utječući na djelovanje enzima, bilo uzrokujući njihovo djelovanje, ili, naprotiv, inhibitorima. Postoje nadomjesci enzima poput pankreatina koji sadrže lipazu i amilaze za insuficijenciju gušterače.
S druge strane, neke skupine lijekova inhibiraju djelovanje enzima, npr. Inhibitori enzima pretvarača angiotenzina koji se koriste, između ostalog, kod hipertenzije i zatajenja srca, ili neki antibiotici, npr. Amoksicilin, koji inhibira enzim bakterijska transpeptidaza, koji sprječava izgradnju bakterijske stanične stijenke, a kao rezultat toga inhibira infekcija.
Neki otrovi djeluju i utječući na enzime. Cijanid je snažni inhibitor citokrom oksidaze, bitne komponente dišnog lanca. Blokiranjem sprečava stanicu da dobije energiju, što dovodi do njene smrti.
Za pravilan tijek životnih procesa stanica nužno je prisustvo mnogih kemijskih tvari, koje ostaju u strogim omjerima i između kojih se kemijske reakcije neprestano odvijaju.
Ovu zadaću obavljaju pravilno funkcionirajući enzimi, koji su neophodni da bi se gotovo svaka kemijska reakcija odvijala brzinom i učinkovitošću potrebnom za pravilno funkcioniranje ljudskog tijela.
Djelovanje enzima ubrzava te procese mnogo puta, često čak i stotine puta, što je važno, sami enzimi se ne troše tijekom reakcija koje se odvijaju.
Nedostatak katalizatora ili njihovo neprikladno funkcioniranje može rezultirati pojavom mnogih bolesti. S druge strane, vješta modifikacija njihove aktivnosti omogućuje vam uspješno liječenje mnogih bolesti.
Enzimologija (znanost o enzimima) izuzetno je opsežna i njezin razvoj može donijeti ne samo znanstveni napredak, već i aktivno pridonijeti razvoju medicine na polju ne samo liječenja, već i dijagnostike.
O autoru
