Enzymy: struktura, funkce a působení

Enzymy jsou nezbytné pro správné fungování všech živých organismů na Zemi. Podílejí se na většině, ne-li na všech, chemických přeměnách v přírodě, tedy na milionech reakcí jak ve světě rostlin, tak ve světě zvířat. Stojí za to zjistit, co jsou to enzymy, jak fungují a jaký je jejich význam pro moderní medicínu.

Obsah

1. Enzymy: Struktura
2. Regulace aktivity enzymu
3. Enzymy: Role
4. Enzymy: Nomenklatura
5. Enzymy a medicína
6. Nemoci způsobené nefunkčními enzymy
7. Enzymy: diagnostické použití
8. Enzymy a léčba

Enzymy jsou proteinové molekuly, které urychlují nebo dokonce umožňují, aby v živých organismech, včetně lidského těla, probíhaly různé chemické reakce.

Z chemického hlediska se jedná o katalyzátory, tj. Částice, které zesilují reakci, ale během reakce se neopotřebovávají. Toto zvýšení účinnosti chemických transformací je často obrovské, přírodní katalyzátory mohou zkrátit reakční dobu z několika let na několik sekund.

Enzymy se nacházejí ve všech oblastech těla: v buňkách, v extracelulárním prostoru, v tkáních, v orgánech a v jejich světle, které katalyzátory daná tkáň produkuje, určuje její specifické vlastnosti a roli, kterou hraje v těle.

Většina enzymů je velmi specifická, což znamená, že každý z nich je zodpovědný pouze za jeden typ chemické reakce, na které se podílejí specifické částice - substráty, a pouze ty mohou interagovat s daným enzymem.

Aktivita přírodních katalyzátorů závisí na mnoha faktorech: reakční prostředí, např. Teplota, pH, přítomnost určitých iontů, aktivátory - zvyšují účinek enzymů a inhibitorů, které působí proti této aktivitě.

Enzymy: Struktura

Jak již bylo zmíněno, většina enzymů jsou proteiny, které mají velmi různorodou strukturu: od několika desítek aminokyselin po několik tisíc uspořádaných do rozmanité prostorové struktury.

Je to forma jejich vzniku (tzv. Kvartérní struktura) a za jejich aktivitu je z velké části zodpovědný fakt, že většina enzymů je mnohem větší než reaktanty jejich reakcí.

To je způsobeno skutečností, že pouze určitá oblast ve struktuře enzymů je takzvaným aktivním místem, tj. Fragmentem odpovědným za provádění reakce.

Úkolem zbývajících fragmentů molekuly je připojit specifický substrát, méně často další sloučeniny, které ovlivňují aktivitu enzymu.

Stojí za to vědět, že struktura katalyzátoru je navržena tak, aby spojovací substrát byl v ideálním případě sladěn ve smyslu „klíče k zámku“.

Stejně jako všechny proteiny, i enzymy jsou produkovány v ribozomech z genetického materiálu, který je pevně zabalen v jádru - DNA, čímž vytváří takzvanou primární strukturu.

Poté několikrát podléhá skládání - mění svůj tvar, někdy přidává cukry, ionty kovů nebo mastné zbytky.

Výsledkem všech těchto procesů je vytvoření aktivní kvartérní struktury, tj. Plně biologicky aktivní formy.

V mnoha případech se několik enzymových částic spojí, aby provedly řadu chemických reakcí, a tím urychlily proces.

Stává se, že v několika tkáních existují enzymy, které katalyzují stejnou reakci, ale strukturálně si nejsou vždy navzájem podobné, říkáme jim izoenzymy.

Názvy izoenzymů jsou stejné, i přes rozdíl v umístění a struktuře, ale tyto rozdíly mají praktické uplatnění. Je tedy možné určit v laboratorních testech pouze ty enzymové frakce, které pocházejí z konkrétního orgánu.

Enzymové mechanismy působení jsou různorodé, ale z chemického hlediska je jejich úkolem vždy snížit aktivační energii reakce. Jedná se o množství energie, které musí mít substráty, aby mohl proces probíhat.

Tohoto efektu lze dosáhnout vytvořením vhodného prostředí pro provedení reakce, použitím jiné chemické cesty k získání stejných produktů nebo vhodným prostorovým uspořádáním substrátů.

Každý z těchto mechanismů může být použit enzymy.

Regulace aktivity enzymu

Působení enzymů závisí na parametrech prostředí: teplotě, pH a dalších. Každý z přírodních katalyzátorů má svůj vlastní optimální výkon za určitých podmínek, které se mohou lišit v závislosti na jeho toleranci vůči podmínkám prostředí.

V případě teploty je většina enzymatických reakcí při vyšších teplotách rychlejší, ale při určité teplotě účinnost reakce prudce klesá, což je způsobeno tepelným poškozením enzymu (denaturace).

Z hlediska jejich struktury lze hormony rozdělit do dvou skupin:

• jednoduché - jedná se pouze o proteinové částice
• komplex - který vyžaduje připojení nebielkovinové skupiny - kofaktoru jejich aktivity

Druhé uvedené látky hrají klíčovou roli ve správné činnosti a regulaci enzymů.

Na druhé straně lze kofaktory rozdělit do dvou skupin: ty, které jsou nezbytné pro fungování enzymu, silně spojené s ním - jedná se o takzvané protetické skupiny, mohou to být kovy, organické molekuly, jako je například hem.

Druhou skupinou jsou koenzymy, které jsou obvykle zodpovědné za přenos substrátů nebo elektronů a jejich vazba na enzym je slabá, do této skupiny patří například kyselina listová, koenzym A. Stojí za to vědět, že mnoho vitaminů hraje roli kofaktorů.

Inhibitory plní úplně jiný úkol, jsou to částice, které inhibují enzymatickou aktivitu vazbou na enzym.

Existuje několik typů inhibitorů:

• ireverzibilní - způsobují trvalou inaktivaci molekuly a reakce může proběhnout až po produkci nového enzymu
  
  
• kompetitivní - v tomto případě má inhibitor strukturu podobnou substrátu, takže soutěží o aktivní místo. Pokud je připojen inhibitor, reakce selže, pokud je substrát normální
  
  
• nekompetitivní - takové inhibitory váží enzym na jiné místo, než na které se substrát váže, takže se může na enzym vážit, ale reakce neprobíhá

Při mnohem vyšší koncentraci substrátu než inhibitoru je účinek kompetitivního inhibitoru překonán, protože vyrůstá z „kompetice“ o aktivní místo, v případě nekompetitivního nelze jeho účinek překonat zvýšením koncentrace substrátu.

Kromě regulace aktivátorových a inhibičních systémů existuje mnoho dalších způsobů řízení aktivity enzymu.

Týkají se kontroly produkce buňky na úrovni tvorby bílkovin, jakož i regulace takzvaného posttranslačního zpracování, tj. Změn ve struktuře molekuly proteinu, ke kterým dochází bezprostředně po její syntéze v ribozomu. Těmito modifikacemi je například zkrácení polypeptidového řetězce.

Další způsoby regulace se týkají segregace a umístění enzymů ve vhodných oblastech: buněčné a ve specifických organelách nebo v extracelulárním kompartmentu.

Existuje další důležitý regulační mechanismus - negativní zpětná vazba - je to primární kontrolní systém v endokrinním systému. Funguje na principu inhibice.

To znamená, že pokud enzym produkuje příliš mnoho určitého hormonu, váže se na něj, inhibuje jeho aktivitu a snižuje syntézu, takže samotný reakční produkt inhibuje jeho produkci.

Enzymy: Role

Každá tkáň lidského těla produkuje specifickou sadu enzymů, která definuje roli těchto buněk ve fungování těla. Co jsou tyto enzymy, je definováno genetickým kódem a které oblasti jsou v dané buňce aktivní.

V lidském těle kdykoli probíhají tisíce chemických reakcí, z nichž každá vyžaduje specifický enzym, takže by bylo obtížné vyjmenovat všechny tyto částice přítomné v našem těle.

Stojí však za to vědět o několika nejcharakterističtějších:

• Trávicí enzymy - produkované tkáněmi trávicího systému rozkládají potravu na jednoduché sloučeniny, protože pouze tyto mohou být absorbovány do krve. Jsou to extracelulární enzymy, takže plní svůj hlavní úkol mimo buňky, kde jsou produkovány. Některé z těchto enzymů se tvoří v neaktivní formě, tzv. Proenzymy nebo zymogeny, a aktivují se v gastrointestinálním traktu. Mezi trávicí enzymy patří například amyláza, lipáza, trypsin.
  
  
• Myosin je enzym nacházející se ve svalech, štěpí molekuly ATP, které jsou nositeli energie, díky čemuž dochází ke kontrakci svalových vláken.
  
  
• Peroxidázy jsou oxidační enzymy a katalázy, tj. Redukující enzymy
  
  
• Acetylcholinesteráza je enzym, který štěpí acetylcholin, jeden z poslů v nervovém systému
  
  
• Monoaminooxidáza je enzym, který se v játrech vyskytuje nejvíce a je odpovědný za rozklad adrenalinu, noradrenalinu a některých léků
  
  
• Cytochome oxidáza, velmi důležitý intracelulární enzym odpovědný za energetické změny
  
  
• Lysozym, látka přítomná např. Ve slzách nebo ve slinách, která plní ochranné funkce, ničí patogeny
  
  
• Alkohol dehydrogenáza, enzym v játrech, který je zodpovědný za rozklad ethanolu
  
  
• Alkalická fosfatáza se podílí na tvorbě kostí osteoblasty

Enzymy: Nomenklatura

Názvy enzymů jsou často poměrně komplikované, protože jsou odvozeny od názvu reakce, kterou provádějí, a od substrátu zapojeného do této reakce, např. 5-hydroxytryptofan dekarboxyláza.

Typicky se k obecnému názvu reakce přidává přípona „-aza“ a druhá část názvu enzymu je tvořena názvem sloučeniny podstupující tuto reakci.

Stává se, že název je jednoduchý, poté pochází ze substrátu, např. Laktázy (enzymu, který štěpí laktózu).

Zřídka se názvy enzymů odvozují z obecného procesu probíhajícího s jejich účastí, např. DNA gyráza, tj. Enzym odpovědný za rotující řetězce DNA.

Některé enzymy mají nakonec běžná jména nebo názvy, které dal jejich objevitel, například pepsin (který štěpí proteiny v zažívacím traktu) nebo lysozym (baktericidní enzym obsažený v slzách).

Existuje také malá skupina restrikčních enzymů, které jsou odpovědné za štěpení řetězců DNA, v tomto případě název pochází z mikroorganismu, ze kterého byl enzym izolován.

Mezinárodní unie pro biochemii a molekulární biologii zavedla pravidla pro pojmenování enzymů a za účelem standardizace nomenklatury je rozdělila do několika tříd.

Nenahradilo dříve popsané názvy, je to spíše doplněk používaný hlavně vědci.

Podle pravidel Evropské unie je každý enzym popsán posloupností znaků: EC x.xx.xx.xx - kde první číslice znamená třídu, následující podtřídy a podtřídy a nakonec číslo enzymu. Uvedené třídy enzymů jsou:

• 1 - oxidoreduktázy: katalyzují oxidační a redukční reakce
• 2 - transferázy: přenášejí funkční skupiny (např. Fosfát)
• 3 - hydrolázy: odpovídají hydrolýze (rozkladu) vazeb
• 4 - lyázy: rozbíjí vazby jiným mechanismem než hydrolýzou
• 5 - izomerázy: jsou odpovědné za prostorové změny molekul
• 6 - ligázy: spojte molekuly s kovalentními vazbami

Enzymy a medicína

Význam enzymů pro lidské zdraví je obrovský. Jejich správný provoz umožňuje zdravý život a díky vývoji analytických zařízení jsme se naučili diagnostikovat různá onemocnění pomocí stanovení enzymů. Navíc jsme schopni úspěšně léčit nedostatky některých enzymů a z nich vyplývající nemoci, ale bohužel v této věci zbývá ještě hodně práce.

Léčba příčin metabolických chorob není v současné době možná, protože nejsme schopni bezpečně a efektivně modifikovat genetický materiál k opravě poškozených genů, a tím i nesprávně produkovaných enzymů.

Nemoci způsobené nefunkčními enzymy

Správné fungování našeho těla do značné míry závisí na správném fungování enzymů. V mnoha případech chorobné stavy ovlivňují množství enzymů, což způsobuje jejich nadměrné uvolňování z buněk nebo naopak jejich nedostatek.Následuje pouze příklad onemocnění způsobených abnormálními enzymatickými funkcemi, je jich mnohem více.

• Metabolické bloky nebo metabolická onemocnění

Metabolické bloky nebo metabolická onemocnění jsou skupina dědičných onemocnění způsobených hromaděním látek v buňce v důsledku nedostatku enzymu odpovědného za jejich metabolismus. V průběhu času se nahromadí tolik substrátů, že se stanou toxickými pro buňky a celý organismus.

Těchto nemocí je několik tisíc, jejich počet odráží velké množství enzymů nalezených v lidském těle, protože metabolická onemocnění mohou ovlivnit většinu genů kódujících enzymy.

Příkladem je galaktosemie nebo homocystinurie, což jsou vzácná onemocnění, která se nejčastěji projevují bezprostředně po narození nebo v prvních letech života.

• Nádory

Další skupinou onemocnění, na kterých se může podílet nesprávná funkce enzymu, je rakovina. Kromě mnoha dalších funkcí jsou enzymy také zodpovědné za regulaci buněčného dělení, tzv. Tyrosinkinázy. Pokud tyto enzymy v této oblasti selžou, může dojít k nekontrolovanému dělení buněk, a tedy k neoplastickému procesu.

• Emfyzém

Méně častým onemocněním je emfyzém, kdy se elastáza stává hyperaktivní. Jedná se o enzym přítomný v plicní tkáni odpovědný mimo jiné za rozklad elastinového proteinu přítomného v plicích.

Pokud je příliš aktivní, naruší se rovnováha mezi destrukcí a budováním, objeví se jizvy a vyvine se emfyzém.

Enzymy: diagnostické použití

Moderní lékařská diagnostika je založena na použití enzymů při jejich stanovení. To je způsobeno skutečností, že chorobné stavy přímo nebo nepřímo vedou k nerovnováze enzymů, což způsobuje zvýšení nebo snížení jejich množství v krvi.

To může být důsledkem nejen poruch produkce, ale také např. Uvolnění velkého množství intracelulárního enzymu do krve nebo moči v důsledku poškození jeho buněčné membrány.

Příklady enzymů používaných při laboratorních testech jsou:

• Kreatinkináza - enzym přítomný ve svalech, také v srdečním svalu, jeho mnohonásobné zvýšení může naznačovat infarkt, myokarditidu, svalová onemocnění - poranění, dystrofii.
  
  
• Laktátdehydrogenáza - přítomná ve všech buňkách těla, zejména v mozku, plicích, bílých krvinkách a svalech. Jeho velký nárůst je pozorován u infarktů, onemocnění svalů a jater nebo rakoviny.
  
  
• Alkalická fosfatáza se většinou nachází v játrech a kostech, zde je uvolňována osteoblasty. Nemoci těchto orgánů mohou způsobit jeho růst, ale přebytek alkalické fosfatázy může také naznačovat proces regenerace kostí - po operaci nebo zlomenině.
  
  
• Kyselinová fosfatáza se vyskytuje v mnoha orgánech - játrech, ledvinách, kostech, prostatě, z diagnostického hlediska může její nárůst naznačovat onemocnění kostí a prostaty.
  
  
• Aspartátaminotransferáza a alaninaminotransferáza - to jsou enzymy charakteristické pro játra, vyskytující se téměř výlučně v hepatocytech, používají se při základní screeningové diagnostice onemocnění jater a jejich několikanásobné zvýšení hodnoty vždy vyvolává další diagnózu onemocnění jater.
  
  
• Glutamát dehydrogenáza a gamaglutamyltransferáza - další jaterní enzymy, podobně jako dříve uvedené, jsou důležité při diagnostice onemocnění tohoto orgánu a žlučových cest.
  
  
• Amyláza je enzym přítomný v mnoha orgánech, ale nejvyšší koncentrace se dosahuje v buňkách slinivky břišní a slinných žláz, její diagnóza má u jejich onemocnění největší význam.
  
  
• Lipáza je další pankreatický enzym, liší se specifičností od amylázy, což znamená, že lipáza se vyskytuje pouze v pankreatu a odchylky od normy při stanovení tohoto enzymu naznačují onemocnění pankreatu.
  
  
• Cholinesteráza je enzym, který štěpí acetylcholin - přenašeč v nervovém systému, kde je také přítomen v nejvyšším množství, v diagnostice se používá při otravě organickými sloučeninami fosforu.
  
  
• Koagulační a fibrinolýzní faktory - jedná se o látky produkované játry, které se podílejí na srážení krve, jejich stanovení je důležité nejen při hodnocení tohoto procesu, ale také při sledování funkce jater.
  
  
• Alfa-fetoprotein - jaterní enzym, jehož množství se zvyšuje při onemocněních tohoto orgánu, včetně rakoviny.
  
  
• C-reaktivní protein - produkovaný játry, podílí se na imunitní odpovědi, jeho množství se zvyšuje v krvi při zánětlivých stavech - infekcích, úrazech, autoimunitních onemocněních.
  
  
• Ceruloplasmin - další jaterní enzym, jehož zvýšení je charakteristické pro Wilsonovu chorobu.
  
  
• Pyridinolin a deoxypyridinolin jsou markery kostní resorpce (destrukce) a charakterizují funkci osteoklastů (osteogenních buněk).
  
  
• Myoglobin - jak již bylo zmíněno dříve, jedná se o sloučeninu charakteristickou pro svaly, takže její nárůst bude indikovat poškození kosterních nebo srdečních svalů.
  
  
• Troponiny - takzvané markery infarktu, jsou enzymy, které regulují kontrakci svalových vláken, jsou obzvláště hojné v srdečním svalu. Jeho poškození způsobuje uvolňování velkého množství troponinů do krve, které se používá při diagnostice srdečních onemocnění. Je však třeba připomenout, že zvýšení troponinů může naznačovat nejen srdeční infarkt, ale také jeho nedostatečnost, poruchy chlopní nebo plicní embolii.

Všechny výše uvedené enzymy lze rozdělit do několika skupin:

• Sekreční enzymy - dolní hranice normy je diagnostická. Jedná se o enzymy, které jsou fyziologicky produkovány orgány, ale v případě onemocnění jejich počet klesá, např. Srážecí faktory
  
  
• Indikátorové enzymy - růst je důležitý. Tato skupina enzymů se objevuje ve velkém počtu v důsledku poškození orgánů a úniku enzymů, zahrnují například troponiny
  
  
• vylučovací enzymy - jedná se o enzymy produkované normálně do lumen různých orgánů - úst, střev nebo močových cest. Pokud je jejich vývod zablokovaný, dostanou se do krve, např. Amylázy

Je třeba si uvědomit, že enzymy se používají při samotné lékařské diagnostice. Biochemické analýzy se provádějí s použitím enzymů a vhodná interpretace výsledků enzymatických reakcí umožňuje poskytnout výsledky laboratorních testů.

Enzymy a léčba

Mnoho léků funguje tak, že ovlivňuje působení enzymů, buď tak, že působí tak, že působí, nebo naopak působí jako inhibitory. Existují enzymové náhražky, jako je lipáza obsahující pankreatin a amyláza, které se používají při pankreatické nedostatečnosti.

Na druhou stranu některé skupiny léčiv inhibují působení enzymů, např. Inhibitory angiotenzin konvertujícího enzymu, které se používají mimo jiné při hypertenzi a srdečním selhání, nebo některá antibiotika, např. Amoxicilin, který inhibuje enzym bakteriální transpeptidázu, která brání tvorbě bakteriální buněčné stěny, a tím inhibuje infekce.

Některé jedy také působí ovlivněním enzymů. Kyanid je silný inhibitor cytochromoxidázy, základní složky dýchacího řetězce. Blokování brání buňce v získávání energie, což vede k její smrti.

Pro správný průběh životních procesů buněk je nezbytná přítomnost mnoha chemických látek, které mezi sebou zůstávají v přísném poměru a mezi kterými neustále probíhají chemické reakce.

Tento úkol se provádí správně fungujícími enzymy, které jsou nezbytné pro to, aby téměř každá chemická reakce proběhla rychlostí a účinností nezbytnou pro správné fungování lidského těla.

Působení enzymů tyto procesy mnohokrát zrychluje, často i stokrát, což je důležité, samotné enzymy se během probíhajících reakcí neopotřebovávají.

Nedostatek katalyzátorů nebo jejich nevhodné fungování může vést ke vzniku mnoha nemocí. Na druhou stranu, obratná modifikace jejich činnosti vám umožní úspěšně léčit mnoho onemocnění.

Enzymologie (věda o enzymech) je extrémně rozsáhlá a její vývoj může přinést nejen vědecký pokrok, ale také aktivně přispět k rozvoji medicíny v oblasti nejen léčby, ale také diagnostiky.

O autorovi

Luk. Maciej Grymuza Absolvent lékařské fakulty Lékařské univerzity v Brně K. Marcinkowski v Poznani. Vystudoval univerzitu s nadstandardním výsledkem. V současné době je doktorem v oboru kardiologie a doktorandem. Zajímá se zejména o invazivní kardiologii a implantovatelná zařízení (stimulátory).