Enzymer: struktur, funksjoner og handling

Enzymer er avgjørende for at alle levende organismer på jorden fungerer riktig. De deltar i de fleste, om ikke alle, kjemiske transformasjoner i naturen, det vil si i millioner av reaksjoner i både planteverdenen og dyreverdenen. Det er verdt å finne ut hva enzymer er, hvordan de fungerer og hva deres betydning er for moderne medisin.

Innholdsfortegnelse

1. Enzymer: Struktur
2. Regulering av enzymaktivitet
3. Enzymer: rolle
4. Enzymer: Nomenklatur
5. Enzymer og medisin
6. Sykdommer som skyldes dysfunksjonelle enzymer
7. Enzymer: diagnostisk bruk
8. Enzymer og behandling

Enzymer er proteinmolekyler som akselererer eller til og med lar ulike kjemiske reaksjoner finne sted i levende organismer, inkludert menneskekroppen.

Fra et kjemisk synspunkt er dette katalysatorer, dvs. partikler som forsterker reaksjonen, men som ikke slites ut under reaksjonen. Denne økningen i effektiviteten til kjemiske transformasjoner er ofte enorm, naturlige katalysatorer kan forkorte reaksjonstiden fra flere år til flere sekunder.

Enzymer finnes i alle områder av kroppen: i celler, i det ekstracellulære rommet, i vev, i organer og i deres lys, hvilke katalysatorer et gitt vev produserer, bestemmer dets spesifikke egenskaper og hvilken rolle det spiller i kroppen.

De fleste enzymer er veldig spesifikke, noe som betyr at hver av dem er ansvarlig for bare en type kjemisk reaksjon der spesifikke partikler - substratene, er involvert, og bare de kan samhandle med et gitt enzym.

Aktiviteten til naturlige katalysatorer avhenger av mange faktorer: reaksjonsmiljøet, f.eks. Temperatur, pH, tilstedeværelsen av visse ioner, aktivatorer - de forbedrer virkningen av enzymer og hemmere som motvirker denne aktiviteten.

Enzymer: Struktur

Som nevnt er de fleste enzymer proteiner, de har en veldig variert struktur: fra flere titalls aminosyrer til flere tusen arrangert i en variert romlig struktur.

Det er formen for deres dannelse (den såkalte kvaternære strukturen) og det faktum at de fleste enzymer er mye større enn reaktantene i reaksjonene, er i stor grad ansvarlig for deres aktivitet.

Dette skyldes det faktum at bare en viss region i strukturen av enzymer er det såkalte aktive stedet, dvs. fragmentet som er ansvarlig for å utføre reaksjonen.

Oppgaven til de gjenværende fragmentene av molekylet er å feste et spesifikt substrat, sjeldnere andre forbindelser som påvirker enzymets aktivitet.

Det er verdt å vite at strukturen til katalysatoren er utformet slik at sammenføyningssubstratet er perfekt tilpasset i form av en "nøkkel til låsen".

Som alle proteiner produseres enzymer i ribosomene fra det genetiske materialet som er tett pakket i kjernen - DNA, og skaper dermed en såkalt primær struktur.

Deretter gjennomgår den bretting flere ganger - endrer form, noen ganger tilsetter sukker, metallioner eller fettrester.

Resultatet av alle disse prosessene er dannelsen av en aktiv kvaternær struktur, dvs. en fullstendig biologisk aktiv form.

I mange tilfeller kombineres flere enzympartikler for å utføre en serie kjemiske reaksjoner og dermed øke hastigheten på prosessen.

Det hender at det i flere vev er enzymer som katalyserer den samme reaksjonen, men de er ikke strukturelt like hverandre, vi kaller dem isoenzymer.

Navnene på isoenzymer er de samme, til tross for forskjellen i beliggenhet og struktur, men disse forskjellene har praktisk anvendelse. Takket være dette er det mulig å bestemme bare enzymfraksjoner som kommer fra et bestemt organ i laboratorietester.

Enzymenes virkningsmekanismer er forskjellige, men fra et kjemisk synspunkt er deres oppgave alltid å redusere reaksjons aktiveringsenergi. Dette er mengden energi som substratene må ha for at prosessen skal finne sted.

Denne effekten kan oppnås ved å skape et passende miljø for å utføre reaksjonen, ved å bruke en annen kjemisk vei for å oppnå de samme produktene, eller et passende romlig arrangement av substratene.

Hver av disse mekanismene kan brukes av enzymer.

Regulering av enzymaktivitet

Virkningen av enzymer avhenger av miljøparametere: temperatur, pH og andre. Hver av de naturlige katalysatorene har sin egen optimale ytelse under visse forhold, som kan være vidt forskjellige avhengig av dens toleranse for miljøforhold.

Når det gjelder temperatur, kjører de fleste enzymatiske reaksjoner raskere ved høyere temperaturer, men ved en viss temperatur synker reaksjonseffektiviteten kraftig, noe som skyldes termisk skade på enzymet (denaturering).

Når det gjelder strukturen, kan hormoner deles inn i to grupper:

• enkle - dette er bare proteinpartikler
• kompleks - som krever tilknytning av en ikke-proteingruppe - en medvirkende faktor til deres aktivitet

Sistnevnte spiller en nøkkelrolle i riktig aktivitet og regulering av enzymer.

I sin tur kan kofaktorer deles inn i to grupper: de som er nødvendige for at enzymet skal fungere, sterkt assosiert med det - dette er de såkalte protesegruppene, de kan være metaller, organiske molekyler, som for eksempel heme.

Den andre gruppen er koenzymer, de er vanligvis ansvarlige for overføring av substrater eller elektroner, og deres binding til enzymet er svak, denne gruppen inkluderer for eksempel folsyre, koenzym A. Det er verdt å vite at mange vitaminer spiller rollen som medfaktorer.

Hemmere utfører en helt annen oppgave, de er partikler som hemmer enzymatisk aktivitet ved å binde seg til enzymet.

Det finnes flere typer hemmere:

• irreversibel - de forårsaker permanent inaktivering av molekylet, og reaksjonen kan bare finne sted etter produksjon av et nytt enzym
  
  
• konkurransedyktig - i dette tilfellet har hemmeren en struktur som ligner substratet, så de konkurrerer om det aktive stedet. Hvis en hemmer er festet, mislykkes reaksjonen så lenge substratet er normalt
  
  
• ikke-konkurransedyktig - slike hemmere binder enzymet et annet sted enn substratet fester seg, slik at det kan feste seg til enzymet, men reaksjonen finner ikke sted

Ved en mye høyere konsentrasjon av substratet enn inhibitoren, blir effekten av den konkurransedyktige inhibitoren overvunnet fordi den vokser fra "konkurransen" for det aktive stedet, i tilfelle ikke-konkurransedyktig, kan effekten ikke overvinnes ved å øke konsentrasjonen av substratet.

I tillegg til regulering av aktivator- og inhibitorsystemene, er det mange andre metoder for å kontrollere enzymaktivitet.

De gjelder cellens kontroll av produksjonen på nivået av proteindannelse, så vel som reguleringen av den såkalte posttranslasjonsbehandlingen, dvs. endringer i strukturen til et proteinmolekyl som oppstår umiddelbart etter syntese i ribosomet. Disse modifikasjonene er for eksempel å forkorte polypeptidkjeden.

Andre reguleringsmetoder gjelder segregering og plassering av enzymer i passende områder: cellulære og i spesifikke organeller, eller i det ekstracellulære rommet.

Det er en annen viktig reguleringsmekanisme - negativ tilbakemelding - det er det primære kontrollsystemet i det endokrine systemet. Det fungerer på prinsippet om inhibering.

Dette betyr at hvis et enzym produserer for mye av et bestemt hormon, binder det seg til det og forårsaker en hemming av aktiviteten og en reduksjon i syntesen, slik at reaksjonsproduktet selv hemmer dets produksjon.

Enzymer: rolle

Hvert vev i menneskekroppen produserer et bestemt sett med enzymer, som definerer rollen til disse cellene i kroppens funksjon. Hva er disse enzymene er definert av den genetiske koden og hvilke regioner som er aktive i en gitt celle.

Tusenvis av kjemiske reaksjoner finner sted i menneskekroppen når som helst, som hver krever et spesifikt enzym, så det ville være vanskelig å liste opp alle disse partiklene som er tilstede i kroppen vår.

Det er imidlertid verdt å vite om noen av de mest karakteristiske:

• Fordøyelsesenzymer - produsert av vevene i fordøyelsessystemet, de bryter ned mat til enkle forbindelser, fordi bare disse kan absorberes i blodet. De er ekstracellulære enzymer, så de utfører hovedoppgaven utenfor cellene de blir produsert i. Noen av disse enzymene er dannet i en inaktiv form, såkalte pro-enzymer eller zymogener, og aktiveres i mage-tarmkanalen. Fordøyelsesenzymer inkluderer f.eks. Amylase, lipase, trypsin.
  
  
• Myosin er et enzym som finnes i musklene, det bryter ned ATP-molekyler som er energibærere, takket være at det får muskelfibrene til å trekke seg sammen.
  
  
• Peroksidaser er oksiderende enzymer og katalaser, dvs. reduserende enzymer
  
  
• Acetylkolinesterase er et enzym som bryter ned acetylkolin, en av budbringere i nervesystemet
  
  
• Monoaminoxidase er det enzymet som er mest vanlig i leveren og er ansvarlig for nedbrytningen av adrenalin, noradrenalin og noen medisiner.
  
  
• Cytochome oxidase, et veldig viktig intracellulært enzym som er ansvarlig for energiendringer
  
  
• Lysozym, et stoff som finnes f.eks. I tårer eller spytt som oppfyller beskyttende funksjoner, ødelegger patogener
  
  
• Alkoholdehydrogenase, et enzym i leveren som er ansvarlig for å bryte ned etanol
  
  
• Alkalisk fosfatase, deltar i beinbygging av osteoblaster

Enzymer: Nomenklatur

Enzymnavn er ofte ganske kompliserte ettersom de er avledet fra navnet på reaksjonen de utfører og substratet som er involvert i den reaksjonen, f.eks. 5-hydroksytryptofan-dekarboksylase.

Typisk blir tilføyelsen "-aza" lagt til det generiske navnet på reaksjonen, og den andre delen av enzymnavnet danner navnet på forbindelsen som gjennomgår denne reaksjonen.

Det hender at navnet er enkelt, så kommer det fra et substrat, for eksempel laktase (enzym som bryter ned laktose).

Sjeldnere stammer navnene på enzymer fra en generell prosess som finner sted med deres deltakelse, for eksempel DNA-gyrase, et enzym som er ansvarlig for roterende DNA-tråder.

Noen enzymer har til slutt vanlige navn eller navn gitt av oppdageren, for eksempel pepsin (som bryter ned proteiner i fordøyelseskanalen) eller lysozym (et bakteriedrepende enzym som inneholder tårer).

Det er også en liten gruppe restriksjonsenzymer som er ansvarlige for å skjære DNA-tråder, i dette tilfellet kommer navnet fra mikroorganismen som enzymet ble isolert fra.

International Union of Biochemistry and Molecular Biology introduserte reglene for navngivning av enzymer og delte dem i flere klasser for å standardisere nomenklaturen.

Det erstattet ikke navnene som er beskrevet tidligere, det er snarere et supplement til dem som primært ble brukt av forskere.

I henhold til EUs regler blir hvert enzym beskrevet med en sekvens av tegn: EC x.xx.xx.xx - der det første sifferet står for klassen, påfølgende underklasser og underklasser, og til slutt enzymnummeret. De nevnte enzymklassene er:

• 1 - oksidasoreduktaser: katalyserer oksidasjons- og reduksjonsreaksjoner
• 2 - transferaser: overføre funksjonelle grupper (f.eks. Fosfat)
• 3 - hydrolaser: tilsvarer hydrolyse (spaltning) av bindinger
• 4 - lyaser: bryter bindingene i en annen mekanisme enn hydrolyse
• 5 - isomeraser: de er ansvarlige for de romlige endringene av molekyler
• 6 - ligaser: forbinder molekyler med kovalente bindinger

Enzymer og medisin

Betydningen av enzymer for menneskers helse er enorm. Riktig drift muliggjør et sunt liv, og takket være utviklingen av analytiske enheter har vi lært å diagnostisere forskjellige sykdommer ved hjelp av enzymbestemmelse. Dessuten er vi i stand til å behandle manglene på enkelte enzymer og de resulterende sykdommene, men dessverre er det fortsatt mye å gjøre i denne saken.

Behandling av årsakene til metabolske sykdommer er foreløpig ikke mulig, fordi vi ikke klarer å modifisere genetisk materiale trygt og effektivt for å reparere skadede gener og dermed feil produserte enzymer.

Sykdommer som skyldes dysfunksjonelle enzymer

Korrekt funksjon av kroppen vår avhenger i stor grad av at enzymer fungerer som de skal. I mange tilfeller påvirker sykdomstilstander mengden enzymer, noe som får dem til å frigjøres for mye fra celler eller tvert imot mangelfulle.Følgende er bare eksempler på sykdommer forårsaket av unormale enzymatiske funksjoner, det er mange flere av dem.

• Metabolske blokker eller metabolske sykdommer

Metabolske blokker eller metabolske sykdommer er en gruppe arvelige sykdommer forårsaket av akkumulering av stoffer i cellen på grunn av mangel på et enzym som er ansvarlig for metabolismen. Substratene som er akkumulert over tid er så mye at de blir giftige for celler og hele organismen.

Disse sykdommene er flere tusen, antallet reflekterer mangfoldet av enzymer som finnes i menneskekroppen, fordi metabolske sykdommer kan påvirke de fleste gener som koder enzymer.

Eksempler er galaktosemi eller homocystinuri, som er sjeldne sykdommer som ofte manifesterer seg umiddelbart etter fødselen eller i de første leveårene.

• Svulster

En annen gruppe sykdommer der enzymfeil kan være involvert, er kreft. I tillegg til mange andre funksjoner er enzymer også ansvarlige for å regulere celledeling, såkalte tyrosinkinaser. Hvis disse enzymene svikter i dette området, kan ukontrollert celledeling og derfor en neoplastisk prosess forekomme.

• Emfysem

En mindre vanlig sykdom er emfysem, i hvilket tilfelle elastase blir overaktiv. Det er et enzym tilstede i lungevevet som er ansvarlig for nedbrytningen av blant annet elastinproteinet som er tilstede i lungene.

Hvis den er for aktiv, forstyrres balansen mellom ødeleggelse og bygning, arrdannelse og emfysem utvikler seg.

Enzymer: diagnostisk bruk

Moderne medisinsk diagnostikk er basert på bruk av enzymer i deres bestemmelser. Dette skyldes det faktum at sykdomstilstander direkte eller indirekte fører til en ubalanse i enzymer, forårsaker økning eller reduksjon i mengden i blodet.

Dette kan ikke bare skyldes produksjonsforstyrrelser, men også for eksempel fra frigjøring av en stor mengde intracellulært enzym i blodet eller urinen som et resultat av skade på cellemembranen.

Eksempler på enzymer som brukes i laboratorietester er:

• Kreatinkinase - et enzym som er tilstede i muskler, også i hjertemuskelen, dens økning kan indikere hjerteinfarkt, myokarditt, muskelsykdommer - skader, dystrofi.
  
  
• Laktatdehydrogenase - tilstede i alle kroppens celler, spesielt i hjernen, lungene, hvite blodlegemer og muskler. Den store økningen er observert i hjerteinfarkt, muskel- og leversykdommer eller kreft.
  
  
• Alkalisk fosfatase finnes hovedsakelig i lever og bein, her frigjøres den av osteoblaster. Sykdommer i disse organene kan forårsake vekst, men overskuddet av alkalisk fosfatase kan også indikere beinregenereringsprosessen - etter operasjon eller etter brudd.
  
  
• Syrefosfatase forekommer i mange organer - lever, nyrer, bein, prostata, fra diagnostisk synspunkt kan økningen indikere bein og prostata sykdommer.
  
  
• Aspartataminotransferase og alaninaminotransferase - dette er enzymer som er karakteristiske for leveren, og som nesten utelukkende forekommer i hepatocytter, de brukes i den grunnleggende screeningdiagnosen av leversykdommer, og deres flere ganger økning i deres verdier fører alltid til videre diagnose av leversykdommer.
  
  
• Glutamatdehydrogenase og gammaglutamyltransferase - andre leverenzymer, på samme måte som de tidligere nevnte, er viktige i diagnosen sykdommer i dette organet og galdeveiene.
  
  
• Amylase er et enzym som er tilstede i mange organer, men den høyeste konsentrasjonen oppnås i cellene i bukspyttkjertelen og spyttkjertlene, og diagnosen er av største betydning i deres sykdommer.
  
  
• Lipase er et annet enzym i bukspyttkjertelen, det er forskjellig i spesifisitet fra amylase, noe som betyr at lipase bare er tilstede i bukspyttkjertelen og avvik fra normen ved bestemmelse av dette enzymet indikerer bukspyttkjertelsykdom.
  
  
• Kolinesterase er et enzym som bryter ned acetylkolin - en transmitter i nervesystemet, der det også er tilstede i den høyeste mengden, i diagnostikk brukes det til forgiftning med organofosforforbindelser.
  
  
• Koagulasjons- og fibrinolysefaktorer - dette er stoffer som produseres av leveren som er involvert i blodpropp, deres bestemmelse er viktig ikke bare for å vurdere denne prosessen, men også for å overvåke leverfunksjonen.
  
  
• Alpha-fetoprotein - et leverenzym, hvis mengde øker i sykdommer i dette organet, inkludert kreft.
  
  
• C-reaktivt protein - produsert av leveren, involvert i immunresponsen, og mengden øker i blodet under inflammatoriske tilstander - infeksjoner, skader, autoimmune sykdommer.
  
  
• Ceruloplasmin - et annet leverenzym, en økning som er karakteristisk for Wilsons sykdom.
  
  
• Pyridinolin og deoksypyridinolin er markører for beinresorpsjon (ødeleggelse) og de karakteriserer funksjonen til osteoklaster (osteogene celler).
  
  
• Myoglobin - som nevnt tidligere, er en sammensatt karakteristikk av muskler, så økningen vil indikere skade på skjelett- eller hjertemuskler.
  
  
• Troponiner - de såkalte hjerteinfarktmarkørene, er enzymer som regulerer sammentrekningen av muskelfibre, de er spesielt rikelig i hjertemuskelen. Dens skader forårsaker frigjøring av store mengder troponiner i blodet, som brukes til diagnostisering av hjertesykdommer. Det er imidlertid verdt å huske at en økning i troponiner ikke bare kan indikere et hjerteinfarkt, men også dets insuffisiens, klaffefeil eller lungeemboli.

Alle enzymene som er oppført ovenfor kan klassifiseres i flere grupper:

• Sekretoriske enzymer - den nedre grensen for normen er diagnostisk. Dette er enzymer som produseres fysiologisk av organer, men når det gjelder sykdommer, reduseres antallet deres, f.eks. Koagulasjonsfaktorer
  
  
• Indikatorenzymer - vekst er viktig. Denne gruppen enzymer vises i store mengder på grunn av organskader og enzymlekkasje, de inkluderer f.eks. Troponiner
  
  
• utskillelsesenzymer - dette er enzymer som normalt produseres i lumen i forskjellige organer - munn, tarm og urinveier. Hvis utløpet er blokkert, kommer de inn i blodet, f.eks. Amylase

Det er verdt å huske at enzymer brukes i selve medisinsk diagnostikk. Biokjemiske analyser utføres med bruk av enzymer, og passende tolkning av resultatene av enzymatiske reaksjoner gjør det mulig å gi resultatet av en laboratorietest.

Enzymer og behandling

Mange legemidler virker ved å påvirke virkningen av enzymer, enten ved å få dem til å handle, eller tvert imot ved å være hemmere. Det er enzymerstatninger som pankreatinholdig lipase og amylase for bukspyttkjertelinsuffisiens.

På den annen side hemmer noen legemiddelgrupper virkningen av enzymer, for eksempel angiotensinkonverterende enzymhemmere, brukt blant annet i hypertensjon og hjertesvikt, eller noen antibiotika, f.eks. Amoksicillin, som hemmer enzymet bakteriell transpeptidase, som forhindrer byggingen av bakteriecelleveggen, og dermed hemmer infeksjon.

Noen giftstoffer virker også ved å påvirke enzymer. Cyanid er en potent hemmer av cytokromoksidase, en viktig komponent i luftveiskjeden. Blokkering forhindrer at cellen får energi, noe som fører til dens død.

For riktig løpet av livsprosessene til celler er det nødvendig for tilstedeværelsen av mange kjemiske stoffer, som forblir i strenge proporsjoner innbyrdes, og mellom hvilke kjemiske reaksjoner stadig oppstår.

Denne oppgaven utføres av fungerende enzymer, som er nødvendige for at nesten enhver kjemisk reaksjon skal finne sted med den hastigheten og effektiviteten som er nødvendig for at menneskekroppen skal fungere riktig.

Virkningen av enzymer akselererer disse prosessene mange ganger, ofte til og med hundrevis av ganger, noe som er viktig, enzymene slites ikke ut under reaksjonene som finner sted.

Mangelen på katalysatorer eller deres upassende funksjon kan resultere i fremveksten av mange sykdommer. På den annen side lar dyktige modifikasjoner av aktiviteten deres deg til å behandle mange plager.

Enzymologi (vitenskapen om enzymer) er ekstremt omfattende, og utviklingen av den kan føre til ikke bare vitenskapelig fremgang, men også aktivt bidra til utvikling av medisin når det gjelder ikke bare behandling, men også diagnostikk.

Om forfatteren

Bue. Maciej Grymuza En utdannet ved Det medisinske fakultet ved Medical University of K. Marcinkowski i Poznań. Han ble uteksaminert fra universitetet med et over godt resultat. For tiden er han lege innen kardiologi og doktorgradsstudent. Han er spesielt interessert i invasiv kardiologi og implanterbare enheter (stimulatorer).