Enzymer: struktur, funktioner og handling

Enzymer er essentielle for, at alle levende organismer fungerer på jorden korrekt. De deltager i de fleste, hvis ikke alle, kemiske transformationer i naturen, det vil sige i millioner af reaktioner i både planteverdenen og dyreverdenen. Det er værd at finde ud af, hvad enzymer er, hvordan de fungerer, og hvad deres betydning er for moderne medicin.

Indholdsfortegnelse

1. Enzymer: Struktur
2. Regulering af enzymaktivitet
3. Enzymer: Rolle
4. Enzymer: Nomenklatur
5. Enzymer og medicin
6. Sygdomme som følge af dysfunktionelle enzymer
7. Enzymer: diagnostisk brug
8. Enzymer og behandling

Enzymer er proteinmolekyler, der fremskynder eller endda tillader forskellige kemiske reaktioner at finde sted i levende organismer, inklusive menneskekroppen.

Fra et kemisk synspunkt er disse katalysatorer, dvs. partikler, der intensiverer reaktionen, men slides ikke under reaktionen. Denne stigning i effektiviteten af ​​kemiske transformationer er ofte enorm, naturlige katalysatorer kan forkorte reaktionstiden fra flere år til flere sekunder.

Enzymer findes i alle områder af kroppen: i celler, i det ekstracellulære rum, i væv, i organer og i deres lys bestemmer katalysatorerne, som et givet væv producerer, dets specifikke egenskaber og den rolle, det spiller i kroppen.

De fleste enzymer er meget specifikke, hvilket betyder, at hver af dem kun er ansvarlig for en type kemisk reaktion, hvor specifikke partikler - substraterne er involveret, og kun de kan interagere med et givet enzym.

Aktiviteten af ​​naturlige katalysatorer afhænger af mange faktorer: reaktionsmiljøet, fx temperatur, pH, tilstedeværelsen af ​​visse ioner, aktivatorer - de forbedrer virkningen af ​​enzymer og hæmmere, der modvirker denne aktivitet.

Enzymer: Struktur

Som nævnt er de fleste enzymer proteiner, de har en meget forskelligartet struktur: fra flere dusin aminosyrer til flere tusinde arrangeret i en forskellig rumlig struktur.

Det er formen for deres dannelse (den såkaldte kvaternære struktur), og det faktum, at de fleste enzymer er meget større end reaktanterne i deres reaktioner, er stort set ansvarlige for deres aktivitet.

Dette skyldes det faktum, at i strukturen af ​​enzymer kun en bestemt region er det såkaldte aktive sted, dvs. det fragment, der er ansvarligt for at udføre reaktionen.

Opgaven for de resterende fragmenter af molekylet er at fastgøre et specifikt substrat, mindre ofte andre forbindelser, der påvirker enzymets aktivitet.

Det er værd at vide, at katalysatorens struktur er udformet således, at sammenføjningssubstratet ideelt matches med en "nøgle til låsen".

Som alle proteiner produceres enzymer i ribosomerne fra det genetiske materiale, der er tæt pakket i kernen - DNA, hvilket skaber en såkaldt primær struktur.

Derefter gennemgår den foldning flere gange - ændrer formen og tilføjer undertiden sukker, metalioner eller fede rester.

Resultatet af alle disse processer er dannelsen af ​​en aktiv kvaternær struktur, dvs. en fuldt biologisk aktiv form.

I mange tilfælde kombineres flere enzympartikler for at udføre en række kemiske reaktioner og dermed fremskynde processen.

Det sker, at der i flere væv er enzymer, der katalyserer den samme reaktion, men de ligner ikke strukturelt hinanden, vi kalder dem isoenzymer.

Navnene på isoenzymerne er de samme på trods af forskellen i placering og struktur, men disse forskelle har praktisk anvendelse. Takket være dette er det muligt at bestemme de enzymfraktioner, der kommer fra et bestemt organ, i laboratorietests.

Enzymernes virkningsmekanismer er forskellige, men fra et kemisk synspunkt er deres opgave altid at reducere aktiveringsenergien i reaktionen. Dette er den mængde energi, som substraterne skal have for at processen kan finde sted.

Denne effekt kan opnås ved at skabe et passende miljø til at udføre reaktionen ved hjælp af en anden kemisk vej for at opnå de samme produkter eller passende rumlig placering af substraterne.

Hver af disse mekanismer kan bruges af enzymer.

Regulering af enzymaktivitet

Virkningen af ​​enzymer afhænger af miljøparametre: temperatur, pH og andre. Hver af de naturlige katalysatorer har sin egen optimale ydeevne under visse betingelser, som kan være stort set forskellige afhængigt af dens tolerance over for miljøforhold.

I tilfælde af temperatur kører de fleste enzymatiske reaktioner hurtigere ved højere temperaturer, men ved en bestemt temperatur falder reaktionens effektivitet hurtigt, hvilket skyldes termisk skade på enzymet (denaturering).

Med hensyn til deres struktur kan hormoner opdeles i to grupper:

• enkle - disse er kun proteinpartikler
• kompleks - som kræver binding af en ikke-proteingruppe - en cofaktor til deres aktivitet

Sidstnævnte spiller en nøglerolle i den korrekte aktivitet og regulering af enzymer.

Til gengæld kan kofaktorer opdeles i to grupper: dem, der er nødvendige for at enzymet skal fungere, stærkt forbundet med det - disse er de såkaldte protesegrupper, de kan være metaller, organiske molekyler, såsom for eksempel heme.

Den anden gruppe er coenzymer, de er normalt ansvarlige for overførslen af ​​substrater eller elektroner, og deres binding til enzymet er svag, denne gruppe inkluderer for eksempel folsyre, coenzym A. Det er værd at vide, at mange vitaminer fungerer som kofaktorer.

Hæmmere udfører en helt anden opgave, de er partikler, der hæmmer enzymatisk aktivitet ved at binde til enzymet.

Der er flere typer hæmmere:

• irreversibel - de forårsager permanent inaktivering af molekylet, og reaktionen kan kun finde sted efter produktion af et nyt enzym
  
  
• konkurrencedygtig - i dette tilfælde har inhibitoren en struktur, der ligner substratet, så de konkurrerer om det aktive sted. Hvis en hæmmer er fastgjort, mislykkes reaktionen, så længe substratet er normalt
  
  
• ikke-konkurrencedygtige - sådanne hæmmere binder enzymet et andet sted end substratet hæfter, så det kan knytte sig til enzymet, men reaktionen finder ikke sted

Ved en meget højere koncentration af substratet end inhibitoren overvindes virkningen af ​​den konkurrerende inhibitor, fordi den vokser fra "konkurrencen" om det aktive sted, i tilfælde af ikke-konkurrerende kan dens virkning ikke overvindes ved at øge koncentrationen af ​​substratet.

Ud over regulering af aktivator- og inhibitorsystemerne er der mange andre metoder til kontrol af enzymaktivitet.

De vedrører cellens kontrol af produktionen på niveauet med proteindannelse såvel som reguleringen af ​​den såkaldte posttranslationsbearbejdning, dvs. ændringer i strukturen af ​​et proteinmolekyle, der sker umiddelbart efter dets syntese i ribosomet. Disse modifikationer forkorter for eksempel polypeptidkæden.

De næste reguleringsmetoder vedrører adskillelse og placering af enzymer i passende områder: cellulære og i specifikke organeller eller i det ekstracellulære rum.

Der er en anden vigtig reguleringsmekanisme - negativ feedback - det er det primære kontrolsystem i det endokrine system. Det fungerer på princippet om inhibering.

Dette betyder, at hvis et enzym producerer for meget af et bestemt hormon, binder det sig til det, hæmmer dets aktivitet og reducerer syntese, så reaktionsproduktet selv hæmmer dets produktion.

Enzymer: Rolle

Hvert væv i den menneskelige krop producerer et specifikt sæt enzymer, der definerer disse cellers rolle i kroppens funktion. Hvad er disse enzymer er defineret af den genetiske kode, og hvilke regioner der er aktive i en given celle.

Tusinder af kemiske reaktioner finder sted i den menneskelige krop til enhver tid, som hver især kræver et specifikt enzym, så det ville være vanskeligt at liste alle disse partikler, der findes i vores krop.

Det er dog værd at vide om nogle af de mest karakteristiske:

• Fordøjelsesenzymer - produceret af væv i fordøjelsessystemet nedbryder de mad til enkle forbindelser, fordi kun disse kan absorberes i blodet. De er ekstracellulære enzymer, så de udfører deres hovedopgave uden for cellerne, hvori de produceres. Nogle af disse enzymer dannes i en inaktiv form, såkaldte pro-enzymer eller zymogener, og aktiveres i mave-tarmkanalen. Fordøjelsesenzymerne indbefatter fx amylase, lipase, trypsin.
  
  
• Myosin er et enzym, der findes i musklerne, det nedbryder ATP-molekyler, der er energibærere, takket være hvilket det får muskelfibrene til at trække sig sammen.
  
  
• Peroxidaser er oxiderende enzymer og katalaser, dvs. reducerende enzymer
  
  
• Acetylcholinesterase er et enzym, der nedbryder acetylcholin, en af ​​budbringere i nervesystemet
  
  
• Monoaminoxidase er det enzym, der findes mest i leveren og er ansvarlig for nedbrydningen af ​​adrenalin, noradrenalin og nogle medikamenter.
  
  
• Cytochome oxidase, et meget vigtigt intracellulært enzym, der er ansvarlig for energiforandringer
  
  
• Lysozym, et stof, der f.eks. Findes i tårer eller spyt, der opfylder beskyttende funktioner, ødelægger patogener
  
  
• Alkoholdehydrogenase, et enzym i leveren, der er ansvarlig for nedbrydning af ethanol
  
  
• Alkalisk fosfatase, deltager i knogleopbygning af osteoblaster

Enzymer: Nomenklatur

Enzymnavne er ofte ret komplicerede, fordi de stammer fra navnet på den reaktion, de udfører, og det substrat, der er involveret i reaktionen, fx 5-hydroxytryptophan-decarboxylase.

Typisk føjes suffikset "-aza" til reaktionens generelle navn, og den anden del af enzymnavnet dannes ved navnet på den forbindelse, der gennemgår denne reaktion.

Det sker, at navnet er enkelt, så kommer det fra et substrat, fx lactase (enzym, der nedbryder lactose).

Mere sjældent stammer navnene på enzymer fra en generel proces, der finder sted med deres deltagelse, fx DNA-gyrase, dvs. det enzym, der er ansvarlig for roterende DNA-tråde.

Nogle enzymer har til sidst almindelige navne eller navne, der er givet af deres opdagere, såsom pepsin (som nedbryder proteiner i fordøjelseskanalen) eller lysozym (et bakteriedræbende enzym indeholdt i tårer).

Der er også en lille gruppe restriktionsenzymer, der er ansvarlige for at skære DNA-tråde, i dette tilfælde kommer navnet fra den mikroorganisme, hvorfra enzymet blev isoleret.

Den Internationale Union for Biokemi og Molekylær Biologi har indført reglerne for navngivning af enzymer og opdelt dem i flere klasser for at standardisere nomenklaturen.

Det erstattede ikke de navne, der er beskrevet tidligere, det er snarere et supplement, der primært blev brugt af forskere.

I henhold til reglerne i Den Europæiske Union er hvert enzym beskrevet med en rækkefølge af tegn: EC x.xx.xx.xx - hvor det første ciffer repræsenterer klassen, efterfølgende underklasser og underklasser og endelig enzymnummeret. De nævnte enzymklasser er:

• 1 - oxidoreduktaser: katalyserer oxidations- og reduktionsreaktioner
• 2 - transferaser: overfør funktionelle grupper (f.eks. Fosfat)
• 3 - hydrolaser: svarer til hydrolyse (nedbrydning) af bindinger
• 4 - lyaser: bryder bindingerne i en anden mekanisme end hydrolyse
• 5 - isomeraser: de er ansvarlige for de rumlige ændringer af molekyler
• 6 - ligaser: forbinder molekyler med kovalente bindinger

Enzymer og medicin

Enzymernes betydning for menneskers sundhed er enorm. Deres korrekte funktion muliggør et sundt liv, og takket være udviklingen af ​​analytiske enheder har vi lært at diagnosticere forskellige sygdomme ved hjælp af enzymbestemmelse. Hvad mere er, vi er i stand til at behandle manglerne hos nogle enzymer og de resulterende sygdomme med succes, men desværre er der stadig meget at gøre i denne sag.

Behandling af årsagerne til metaboliske sygdomme er endnu ikke mulig, fordi vi ikke er i stand til sikkert og effektivt at modificere det genetiske materiale til at reparere beskadigede gener og dermed forkert producerede enzymer.

Sygdomme som følge af dysfunktionelle enzymer

Den korrekte funktion af vores krop afhænger i høj grad af, at enzymer fungerer korrekt. I mange tilfælde påvirker sygdomstilstande mængden af ​​enzymer, hvilket får dem til at frigives for meget fra celler eller tværtimod mangelfuld.Følgende er kun eksempler på sygdomme forårsaget af unormale enzymatiske funktioner, der er mange flere af dem.

• Metaboliske blokke eller metaboliske sygdomme

Metaboliske blokke eller metaboliske sygdomme er en gruppe af arvelige sygdomme forårsaget af ophobning af stoffer i cellen på grund af manglen på et enzym, der er ansvarlig for deres metabolisme. Substraterne akkumuleret over tid er så meget, at de bliver giftige for celler og hele organismen.

Der er flere tusinde af disse sygdomme, deres antal afspejler de mange enzymer, der findes i menneskekroppen, da metaboliske sygdomme kan påvirke de fleste gener, der koder enzymer.

Eksempler er galactosemia eller homocystinuria, som er sjældne sygdomme, der ofte manifesteres umiddelbart efter fødslen eller i de første leveår.

• Tumorer

En anden gruppe sygdomme, hvor enzymfejl kan være involveret, er kræft. Ud over mange andre funktioner er enzymer også ansvarlige for regulering af celledeling, såkaldte tyrosinkinaser. Hvis disse enzymer fejler i dette område, kan ukontrolleret celledeling og derfor en neoplastisk proces forekomme.

• Emfysem

En mindre almindelig sygdom er emfysem, i hvilket tilfælde elastase bliver overaktiv. Det er et enzym til stede i lungevævet, der er ansvarlig for nedbrydningen af ​​blandt andet elastinproteinet, der er til stede i lungerne.

Hvis den er for aktiv, forstyrres balancen mellem ødelæggelse og bygning, ardannelse opstår, og emfysem udvikler sig.

Enzymer: diagnostisk brug

Moderne medicinsk diagnostik er baseret på brugen af ​​enzymer i deres bestemmelse. Dette skyldes det faktum, at sygdomstilstande direkte eller indirekte fører til en ubalance af enzymer, hvilket forårsager stigninger eller fald i deres mængde i blodet.

Dette kan ikke kun skyldes produktionsforstyrrelser, men også fx fra frigivelse af en stor mængde intracellulært enzym i blodet eller urinen som et resultat af beskadigelse af dets cellemembran.

Eksempler på enzymer anvendt i laboratorietest er:

• Kreatinkinase - et enzym, der er til stede i muskler, også i hjertemusklen, dets multiple stigning kan indikere et hjerteanfald, myocarditis, muskelsygdomme - skader, dystrofi.
  
  
• Lactatdehydrogenase - findes i alle celler i kroppen, især i hjernen, lungerne, hvide blodlegemer og muskler. Dens store stigning observeres i hjerteinfarkt, muskel- og leversygdomme eller kræft.
  
  
• Alkalisk fosfatase findes for det meste i lever og knogler, her frigives den af ​​osteoblaster. Sygdomme i disse organer kan forårsage dens vækst, men overskuddet af alkalisk phosphatase kan også indikere regenereringsprocessen af ​​knoglerne - efter operation eller brud.
  
  
• Syrephosphatase forekommer i mange organer - lever, nyrer, knogler, prostata, fra det diagnostiske synspunkt kan dets stigning indikere knogler og prostata sygdomme.
  
  
• Aspartataminotransferase og alaninaminotransferase - disse er enzymer, der er karakteristiske for leveren, der næsten udelukkende forekommer i hepatocytter, de bruges i den grundlæggende screeningdiagnose af leversygdomme, og deres adskillige gange stigninger i deres værdier altid tilskyndet til yderligere diagnose af leversygdomme.
  
  
• Glutamatdehydrogenase og gammaglutamyltransferase - andre leverenzymer, ligesom de tidligere nævnte, er vigtige i diagnosen sygdomme i dette organ og galdeveje.
  
  
• Amylase er et enzym, der findes i mange organer, men den højeste koncentration opnås i cellerne i bugspytkirtlen og spytkirtlerne, og dens diagnose er af den største betydning i deres sygdomme.
  
  
• Lipase er et andet pancreasenzym, det adskiller sig i specificitet fra amylase, hvilket betyder, at lipase kun forekommer i bugspytkirtlen, og afvigelser fra normen ved bestemmelse af dette enzym indikerer bugspytkirtelsygdom.
  
  
• Cholinesterase er et enzym, der nedbryder acetylcholin - en transmitter i nervesystemet, hvor det også er til stede i den største mængde, i diagnostik bruges det til forgiftning med organiske fosforforbindelser.
  
  
• Koagulations- og fibrinolysefaktorer - disse er stoffer, der produceres af leveren, der er involveret i blodkoagulation, deres bestemmelser er vigtige ikke kun i vurderingen af ​​denne proces, men også i overvågningen af ​​leverfunktionen.
  
  
• Alpha-fetoprotein - et leverenzym, hvis mængde øges i sygdomme i dette organ, herunder kræft.
  
  
• C-reaktivt protein - produceret af leveren, der deltager i immunresponset, dets mængde stiger i blodet under inflammatoriske tilstande - infektioner, skader, autoimmune sygdomme.
  
  
• Ceruloplasmin - et andet leverenzym, hvis stigning er karakteristisk for Wilsons sygdom.
  
  
• Pyridinolin og deoxypyridinolin er markører for knogleresorption (ødelæggelse) og de karakteriserer osteoklaster (osteogene celler).
  
  
• Myoglobin - som nævnt tidligere er en sammensætning, der er karakteristisk for muskler, så dens stigning vil indikere skade på skelet- eller hjertemuskler.
  
  
• Troponiner - de såkaldte hjerteanfaldsmarkører, er enzymer, der regulerer sammentrækning af muskelfibre, de er især rigelige i hjertemusklen. Dens skader medfører frigivelse af store mængder troponiner i blodet, som bruges til diagnosticering af hjertesygdomme. Det er dog værd at huske, at en stigning i troponiner ikke kun kan indikere et hjerteanfald, men også dets mangel, klappefejl eller lungeemboli.

Alle ovennævnte enzymer kan klassificeres i flere grupper:

• Sekretoriske enzymer - den nedre grænse for normen er diagnostisk. Dette er enzymer, der produceres fysiologisk af organer, men i tilfælde af sygdomme falder antallet, fx koagulationsfaktorer
  
  
• Indikatorenzymer - vækst er vigtig. Denne gruppe enzymer vises i stort antal på grund af organskader og enzymlækage, de inkluderer fx troponiner
  
  
• udskillelsesenzymer - disse er enzymer, der normalt produceres i forskellige organers lumen - mund, tarm og urinveje. Hvis deres udløb er blokeret, kommer de ind i blodet, fx amylase

Det er værd at huske, at enzymer anvendes i selve medicinsk diagnostik. Biokemiske analyser udføres ved anvendelse af enzymer, og passende fortolkning af resultaterne af enzymatiske reaktioner giver mulighed for at give resultatet af en laboratorietest.

Enzymer og behandling

Mange stoffer virker ved at påvirke enzymernes virkning, enten ved at få dem til at handle, eller tværtimod ved at være hæmmere. Der er enzymerstatninger såsom pancreatinholdig lipase og amylase anvendt til bugspytkirtelinsufficiens.

På den anden side hæmmer nogle grupper af lægemidler virkningen af ​​enzymer, fx angiotensinkonverterende enzymhæmmere, der anvendes blandt andre i hypertension og hjertesvigt eller nogle antibiotika, fx amoxicillin, som hæmmer enzymet bakteriel transpeptidase, som forhindrer opbygningen af ​​bakteriecellevæggen og hæmmer således infektion.

Nogle giftstoffer virker også ved at påvirke enzymer. Cyanid er en potent hæmmer af cytochromoxidase, en essentiel komponent i luftvejskæden. Blokering forhindrer cellen i at få energi, hvilket fører til dens død.

For at få det rette forløb af cellernes livsprocesser er det nødvendigt for tilstedeværelsen af ​​mange kemiske stoffer, der forbliver i strenge proportioner indbyrdes og mellem hvilke kemiske reaktioner finder sted konstant.

Denne opgave udføres af velfungerende enzymer, som er nødvendige for, at næsten enhver kemisk reaktion finder sted med den hastighed og effektivitet, der er nødvendig for, at den menneskelige krop fungerer korrekt.

Virkningen af ​​enzymer fremskynder disse processer mange gange, ofte endda hundreder af gange, hvilket er vigtigt, enzymerne slides ikke ud under reaktionerne, der finder sted.

Manglen på katalysatorer eller deres uhensigtsmæssige funktion kan resultere i fremkomsten af ​​mange sygdomme. På den anden side giver dygtig ændring af deres aktivitet dig mulighed for med succes at behandle mange lidelser.

Enzymologi (videnskaben om enzymer) er ekstremt omfattende, og dens udvikling kan ikke kun medføre videnskabelige fremskridt, men også aktivt bidrage til udviklingen af ​​medicin med hensyn til ikke kun behandling, men også diagnostik.

Om forfatteren

Sløjfe. Maciej Grymuza En kandidat fra Det Medicinske Fakultet ved Medical University of K. Marcinkowski i Poznań. Han dimitterede med et for godt resultat. I øjeblikket er han læge inden for kardiologi og doktorand. Han er især interesseret i invasiv kardiologi og implanterbare enheder (stimulatorer).