Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!

Ензимите са от съществено значение за правилното функциониране на всички живи организми на Земята. Те участват в повечето, ако не във всички химични промени в природата, тоест в милиони реакции както в растителния свят, така и в света на животните. Струва си да разберете какво представляват ензимите, как действат и какво е тяхното значение за съвременната медицина.

Ензимитеса протеинови молекули, които ускоряват или дори позволяват протичането на различни химични реакции в живите организми, включително човешкото тяло.

От химическа гледна точка това са катализатори, тоест частици, които засилват реакцията, но не се износват по време на реакцията. Това увеличение на ефективността на химичните трансформации често е огромно, естествените катализатори могат да съкратят времето за реакция от няколко години до няколко секунди.

Ензимите се намират във всички части на тялото: в клетките, в извънклетъчното пространство, в тъканите, в органите и в тяхната светлина, катализаторите, които дадена тъкан произвежда, определя нейните специфични свойства и ролята, която играе в тяло.

Повечето ензими са много специфични, което означава, че всеки от тях е отговорен само за един вид химична реакция, в която участват специфични частици - субстрати, и само те могат да взаимодействат с даден ензим.

Активността на естествените катализатори зависи от много фактори: реакционната среда, например температура, pH, наличието на определени йони, активатори - те засилват действието на ензимите и инхибиторите, които противодействат на тази активност.

Ензими: структура

Както споменахме, повечето ензими са протеини, те имат много разнообразна структура: от няколко десетки аминокиселини до няколко хиляди, подредени в разнообразна пространствена структура.

Това е формата на тяхното образуване (т.нар. кватернерна структура) и фактът, че повечето ензими са много по-големи от реагентите на техните реакции, до голяма степен е отговорен за тяхната активност.

Това се дължи на факта, че само определен регион в структурата на ензимите е така нареченото активно място, т.е. фрагмент, отговорен за провеждането на реакцията.

Задачата на останалите фрагменти от молекулата е да прикрепят специфичен субстрат, по-рядко други съединения, влияещи върху активността на ензима.

Добре е да знаете тази конструкцияна катализатора е проектиран така, че свързващият субстрат е идеално съчетан геометрично, като "ключ за ключалка".

Както всички протеини, ензимите се произвеждат в рибозомите от генетичния материал, който е плътно опакован в ядрото - ДНК, като по този начин се създава така наречената първична структура.

След това претърпява сгъване няколко пъти - променя формата си, понякога добавя захари, метални йони или мастни остатъци.

Резултатът от всички тези процеси е образуването на активна кватернерна структура, т.е. напълно биологично активна форма.

В много случаи няколко ензимни частици се комбинират, за да извършат серия от химични реакции и по този начин ускоряват процеса.

Понякога има ензими в няколко тъкани, които катализират една и съща реакция, но не са структурно сходни един с друг, ние ги наричаме изоензими.

Имената на изоензимите са еднакви, въпреки разликата в местоположението и структурата, но тези разлики имат практическо приложение. Благодарение на това е възможно да се определят в лабораторни изследвания само онези фракции от ензима, които идват от определен орган.

Механизмите на действие на ензимите са разнообразни, но от химическа гледна точка тяхната задача винаги е да понижават енергията на активиране на реакцията. Това е количеството енергия, което трябва да притежават субстратите, за да се осъществи процесът.

Този ефект може да бъде постигнат чрез създаване на подходяща среда за реакцията, като се използва различен химичен път за получаване на същите продукти или подходящо пространствено разположение на субстратите.

Всеки от тези механизми може да се използва от ензими.

Регулиране на ензимната активност

Действието на ензимите зависи от параметрите на околната среда: температура, pH и други. Всеки от естествените катализатори има своите оптимални характеристики при определени условия, които могат да бъдат различно широки в зависимост от неговата толерантност към условията на околната среда.

В случай на температура повечето ензимни реакции са по-бързи при по-високи температури, но при определена температура ефективността на реакцията рязко спада, което се причинява от термично увреждане на ензима (денатурация).

По отношение на тяхната структура, хормоните могат да бъдат разделени на две групи:

  • просто - само протеинови частици
  • комплекс - които изискват добавяне на непротеинова група - кофактор

Последните играят ключова роля за правилната активност и регулиране на ензимите.

Кофакторите от своя страна могат да бъдат разделени на две групи: тези, необходими заактивности на ензима, силно свързани с него - това са така наречените простетични групи, те могат да бъдат метали, органични молекули, като например хем.

Втората група са коензимите, те обикновено са отговорни за трансфера на субстрати или електрони и тяхното свързване с ензима е слабо, тази група включва например фолиева киселина, коензим А. Струва си да се знае, че много витамини играят ролята на кофактори

Инхибиторите изпълняват съвсем различна задача, те са частици, които инхибират ензимната активност чрез свързване с ензима.

Има няколко вида инхибитори:

  • необратими - причиняват трайно инактивиране на молекулата и реакцията може да се осъществи само след производството на нов ензим
  • конкурентен - в този случай инхибиторът има структура, подобна на тази на субстрата, така че те се конкурират за активното място. Ако е прикрепен инхибитор, реакцията не настъпва, ако субстратът - протича нормално
  • неконкурентни - такива инхибитори свързват ензима на място, различно от това на субстрата, така че той може да се прикрепи към ензима, но реакцията не се осъществява

При много по-висока концентрация на субстрата от инхибитора, ефектът на конкурентния инхибитор се преодолява, тъй като той преодолява "конкуренцията" за активния сайт, в случай на неконкурентен, ефектът му не може да бъде преодолява се чрез увеличаване на концентрацията на субстрата.

В допълнение към регулирането на системите активатор и инхибитор, има много други методи за контролиране на активността на ензимите.

Те засягат контрола на клетката върху производството на нивото на образуване на протеин, както и регулирането на така наречената посттранслационна обработка, тоест промени в структурата на протеинова молекула, настъпващи непосредствено след нейния синтез в рибозома. Тези модификации се състоят например в скъсяване на полипептидната верига.

Следващите методи за регулиране се отнасят до сегрегацията и поставянето на ензими в подходящи области: клетъчни и в специфични органели, или в извънклетъчния компартмент.

Има още един важен регулаторен механизъм - отрицателна обратна връзка - това е основната контролна система в ендокринната система. Работи на принципа на инхибиране.

Това означава, че ако даден ензим произвежда твърде много от определен хормон, той се свързва с него, инхибирайки неговата активност и намалявайки синтеза, така че самият продукт на реакцията инхибира производството му.

Ензими: роля

Всяка тъкан на човешкото тяло произвежда специфичен набор от ензими, който определя ролята на тези клетки във функционирането на тялото. Какви са тези ензими се определя от генетичния код и кои региони са активни в дадена клетка.

Хиляди химични реакции протичат в човешкото тяло по всяко време, всяка от които изисква специфичен ензим, така че би било трудно да се изброят всички тези частици, присъстващи в нашето тяло.

Струва си да знаете за някои от най-характерните:

  • Храносмилателни ензими- произвеждани от тъканите на храносмилателната система, те разграждат храната до прости съединения, защото само те могат да се абсорбират в кръвта. Те са извънклетъчни ензими, така че изпълняват основната си задача извън клетките, в които се произвеждат. Някои от тези ензими се образуват в неактивна форма, така наречените проензими или зимогени, и се активират в стомашно-чревния тракт. Храносмилателните ензими включват, например: амилаза, липаза, трипсин
  • Миозине ензим, намиращ се в мускулите, той разгражда молекулите на АТФ, които са енергийни носители, като по този начин кара мускулните влакна да се свиват.
  • Пероксидазитеса окислителни ензими и каталази, т.е. редуциращи ензими
  • Ацетилхолинестеразае ензим, който разгражда ацетилхолина, един от предавателите в нервната система
  • Моноамин оксидазае най-разпространеният ензим в черния дроб, той е отговорен за разграждането на адреналина, норадреналина и някои лекарства
  • Цитохомна оксидаза , много важен вътреклетъчен ензим, отговорен за енергийните трансформации
  • Лизозим , вещество, присъстващо например в сълзи или слюнка, което изпълнява защитни функции, унищожава патогени
  • Алкохолна дехидрогеназа , ензим в черния дроб, отговорен за разграждането на етанола
  • Алкална фосфатаза , участва в изграждането на костите от остеобласти

Ензими: именуване

Имената на ензимите често са доста сложни, тъй като произлизат от името на реакцията, която извършват, и субстрата, участващ в тази реакция, например 5-хидрокситриптофан декарбоксилаза.

Обикновено, суфиксът "-aza" се добавя към общото име на реакцията, а втората част от името на ензима образува името на съединението, подложено на тази реакция.

Понякога името е единично, идва от субстрат, например лактаза (ензим, който разгражда лактозата).

По-рядко имената на ензимите произлизат от общ процес, който протича с тяхно участие, например ДНК гираза, ензимът, отговорен за обръщането на ДНК вериги.

Някои ензими най-накрая имат общи имена или имена, дадени от техните откриватели, като пепсин (който разгражда протеините в храносмилателния тракт) или лизозим (бактерициден ензим, съдържащ се всълзи).

Съществува и малка група рестрикционни ензими, които са отговорни за разрязването на ДНК вериги, в този случай името идва от микроорганизма, от който е изолиран ензимът.

Международният съюз по биохимия и молекулярна биология въведе правилата за именуване на ензими и ги раздели на няколко класа, за да стандартизира номенклатурата.

Не заменя имената, описани по-рано, по-скоро е добавка, използвана предимно от учени.

Съгласно правилата на Европейския съюз, всеки ензим се описва с поредица от знаци: EC x.xx.xx.xx - където първата цифра означава класа, следващите подкласове и подкласове и накрая номер на ензима. Тези класове ензими са:

• 1 - оксидоредуктази: те катализират реакции на окисление и редукция
• 2 - трансферази: пренасят функционални групи (напр. фосфат)
• 3 - хидролази: съответстват на хидролизата (разлагане) на връзките
• 4 - лиази: прекъсване на връзките по различен механизъм от хидролиза
• 5 - изомерази: те са отговорни за пространствените промени на молекулите
• 6 - лигази: свързват молекули с ковалентни връзки

Ензими и лекарства

Значението на ензимите за човешкото здраве е огромно. Правилната им работа позволява здравословен живот, а благодарение на разработването на аналитични устройства се научихме да диагностицираме различни заболявания чрез ензимно определяне. Нещо повече, ние сме в състояние успешно да лекуваме дефицита на някои ензими и произтичащите от това заболявания, за съжаление, има още много да се направи по този въпрос.

Лечението на причините за метаболитни заболявания все още не е възможно, тъй като не сме в състояние безопасно и ефективно да модифицираме генетичния материал, за да възстановим увредените гени и по този начин неправилно произведени ензими.

Заболявания в резултат на дисфункционални ензими

Правилното функциониране на нашето тяло зависи до голяма степен от правилното функциониране на ензимите. В много случаи болестните състояния влияят на количеството ензими, причинявайки прекомерното им освобождаване от клетките или, напротив, дефицит. По-долу са само примери за заболявания, причинени от анормални ензимни функции, има много повече от тези заболявания.

  • Метаболитни блокове или метаболитни заболявания

Метаболитните блокове или метаболитни заболявания са група от наследствени заболявания, причинени от натрупването на вещества в клетката поради липса на ензим, отговорен за техния метаболизъм. Натрупаните с времето субстрати са толкова много, че стават токсични за клетките и целия организъм.

Има няколко хиляди болести, броят им отразява множествотоензими, открити в човешкото тяло, тъй като повечето кодиращи ензими гени могат да бъдат засегнати от метаболитни заболявания.

Примери са галактоземия или хомоцистинурия, които са редки заболявания, най-често проявени веднага след раждането или през първите години от живота.

  • Nowotwory

Друга група заболявания, които могат да включват неправилно функциониране на ензимите, е ракът. В допълнение към много други функции, ензимите са отговорни и за регулирането на клетъчното делене, така наречените тирозин кинази. Ако тези ензими не успеят в тази област, може да възникне неконтролирано клетъчно делене и следователно раков процес.

  • Емфизем

По-рядко срещано заболяване е емфиземът, в който случай еластазата става свръхактивна. Това е ензим, присъстващ в белодробната тъкан, отговорен за разграждането на протеина еластин, присъстващ, между другото, в белите дробове.

Ако е твърде активен, балансът между разрушаването и изграждането се нарушава, възникват белези и се развива емфизем.

Ензими: диагностична употреба

Съвременната медицинска диагностика се основава на използването на ензими в техните определения. Това се дължи на факта, че болестните състояния пряко или косвено водят до дисбаланс на ензимите, причинявайки увеличаване или намаляване на тяхното количество в кръвта.

Това може да е резултат не само от нарушения в производството, но и например от освобождаването на голямо количество вътреклетъчен ензим в кръвта или урината в резултат на увреждане на клетъчната му мембрана.

Примери за ензими, използвани в лабораторни изследвания са:

  • Креатин киназа - ензим, присъстващ в мускулите, също и в сърдечния мускул, многократното му увеличение може да показва сърдечен удар, миокардит, мускулни заболявания - наранявания, дистрофия
  • Лактат дехидрогеназа - присъства във всички клетки на тялото, особено в мозъка, белите дробове, белите кръвни клетки и мускулите. Голямото му увеличение се наблюдава при сърдечен удар, мускулни и чернодробни заболявания или рак.
  • Алкалната фосфатаза се намира в най-голямо количество в черния дроб и костите, тук се освобождава от остеобластите. Болестите на тези органи могат да причинят растежа му, но излишъкът от алкална фосфатаза може също да показва процеса на костна регенерация - след операция или фрактура.
  • Киселинната фосфатаза се среща в много органи - черен дроб, бъбреци, кости, простата, от диагностична гледна точка повишаването й може да показва заболявания на костите и простатата
  • Аминотрансферазааспарагин и аланин аминотрансфераза - това са ензими, характерни за черния дроб, срещащи се почти изключително в хепатоцитите, те се използват в основната скринингова диагностика на чернодробни заболявания и тяхното няколкократно увеличение винаги насърчава по-нататъшната диагностика на чернодробни заболявания.
  • Глутамат дехидрогеназа и гамаглутамилтрансфераза - други чернодробни ензими, подобно на споменатите по-горе, са важни при диагностицирането на заболявания на този орган и жлъчните пътища.
  • Амилазата е ензим, присъстващ в много органи, но най-висока концентрация се постига в клетките на панкреаса и слюнчените жлези, нейната диагностика е от най-голямо значение при техните заболявания.
  • Липазата е друг ензим на панкреаса, той се различава по специфичност от амилазата, което означава, че липазата присъства само в панкреаса и отклоненията от нормата при определянето на този ензим показват заболяване на панкреаса.
  • Холинестеразата е ензим, който разгражда ацетилхолина - трансмитер в нервната система, където също присъства в най-голямо количество, в диагностиката се използва при отравяния с фосфорорганични съединения.
  • Фактори на коагулация и фибринолиза - това са вещества, произвеждани от черния дроб, участващи в съсирването на кръвта, техните определения са важни не само при оценката на този процес, но и при наблюдението на чернодробната функция.
  • Алфа-фетопротеин - чернодробен ензим, чието количество се увеличава при заболявания на този орган, включително рак.
  • С-реактивен протеин - произвежда се от черния дроб, участва в имунния отговор, количеството му се увеличава в кръвта при възпалителни състояния - инфекции, наранявания, автоимунни заболявания
  • Церулоплазмин - друг чернодробен ензим, чието повишение е характерно за болестта на Уилсън
  • Пиридинолин и дезоксипиридинолин са маркери за костна резорбция (разрушаване), те характеризират функцията на остеокластите (остеогенни клетки).
  • Миоглобин - както бе споменато по-рано, това е съединение, характерно за мускулите, така че неговото увеличение ще показва увреждане на скелетните или сърдечните мускули.
  • Тропонини - така наречените маркери за инфаркт, това са ензими, които регулират съкращаването на мускулните влакна, те са особено изобилни в сърдечния мускул. Увреждането му причинява отделяне на големи количества тропонини в кръвта, което се използва при диагностицирането на сърдечни заболявания. Струва си да се помни обаче, че повишаването на тропонините може да показва не само сърдечен удар, но и неговата недостатъчност, клапни дефекти или белодробна емболия.

Всички изброени по-горе ензими могат да бъдат причислени към няколко групи:

  • секреторни ензими- долната граница на нормата е диагностична. Това са ензими, физиологично произвеждани от органите, но в случай на заболявания броят им намалява, например фактори на кръвосъсирването
  • индикаторни ензими- растежът е важен. Тази група ензими се появява в голям брой поради увреждане на органите и изтичане на ензими, като тропонини
  • екскреторни ензими- това са ензими, произвеждани нормално в лумена на различни органи - устата, червата и пикочните пътища. Ако изходът им е блокиран, те попадат в кръвта, например амилаза

Струва си да се помни, че ензимите се използват в самата медицинска диагностика. Биохимичните анализи се извършват с помощта на ензими, а подходящата интерпретация на резултатите от ензимните реакции позволява да се осигури резултат от лабораторен тест.

Ензими и лечение

Много лекарства действат, като влияят върху действието на ензимите, или като ги карат да действат, или, напротив, като са инхибитори. Има ензимни заместители като панкреатин, съдържащ липаза и амилаза, използвани при панкреатична недостатъчност.

От друга страна, някои групи лекарства инхибират действието на ензимите, например инхибитори на ангиотензин конвертиращия ензим, използвани, наред с други, при хипертония и сърдечна недостатъчност, или някои антибиотици, например амоксицилин, който инхибира ензима бактериална транспептидаза, което предотвратява изграждането на бактериалната клетъчна стена и в резултат на това инфекцията се инхибира.

Някои отрови също действат, като въздействат на ензимите. Цианидът е мощен инхибитор на цитохром оксидазата, основен компонент на дихателната верига. Блокирането му пречи на клетката да получи енергия, което води до нейната смърт.

За правилното протичане на жизнените процеси на клетките е необходимо наличието на много химични вещества, които остават в стриктни пропорции помежду си и между които непрекъснато протичат химични реакции.

Тази задача се изпълнява от правилно функциониращи ензими, които са необходими за протичането на почти всяка химическа реакция със скоростта и ефективността, необходими за правилното функциониране на човешкото тяло.

Действието на ензимите ускорява тези процеси многократно, често дори стотици пъти, което е важно, самите ензими не се износват по време на протичащите реакции.

Дефицитът на катализатори или тяхната неправилна работа може да доведе до появата на много заболявания. От друга страна, умелото модифициране на тяхната дейност ви позволява успешно да лекувате много заболявания.

Ензимологията (науката за ензимите) е изключително обширна, анейното развитие може да донесе не само научен прогрес, но и да допринесе активно за развитието на медицината по отношение не само на лечение, но и на диагностика.

За автораЛък. Мачей ГримузаЗавършил Медицинския факултет на Медицински университет в К. Марчинковски в Познан. Завършил е университет с много добър успех. В момента е лекар в областта на кардиологията и докторант. Особено се интересува от инвазивната кардиология и имплантируемите устройства (стимулатори).

Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!

Категория:

Проучване