ЕНЗИМИ, органични вещества с протеинова природа, които се синтезират в клетките и многократно ускоряват протичащите в тях реакции, без да претърпяват химични трансформации. Вещества с подобен ефект съществуват в неживата природа и се наричат ​​катализатори.

Ензимите (от латински fermentum - ферментация, закваска) понякога се наричат ​​ензими (от гръцки en - вътре, zyme - закваска). Всички живи клетки съдържат много голям набор от ензими, от чиято каталитична активност зависи функционирането на клетките. Почти всяка от многото различни реакции, протичащи в клетката, изисква участието на специфичен ензим. Изследването на химичните свойства на ензимите и реакциите, които те катализират, е специална, много важна област на биохимията - ензимологията.

Много ензими са в клетката в свободно състояние, като просто са разтворени в цитоплазмата; други са свързани със сложни високо организирани структури. Има и ензими, които обикновено са извън клетката; по този начин ензимите, които катализират разграждането на нишестето и протеините, се секретират от панкреаса в червата.Секретират ензими и много микроорганизми.

Действието на ензимите

Ензими, участващи във фундаменталните процеси на преобразуване на енергията, като разграждането на захарите, образуването и хидролизата на високоенергийното съединение аденозин трифосфат (АТФ), присъстват във всички видове клетки – животински, растителни, бактериални. Има обаче ензими, които се произвеждат само в тъканите на определени организми.

По този начин ензимите, участващи в синтеза на целулоза, се намират в растителните клетки, но не и в животинските клетки. Следователно е важно да се прави разлика между "универсалните" ензими и ензимите, специфични за определени видове клетки. Най-общо казано, колкото по-специализирана е клетката, толкова по-вероятно е тя да синтезира набор от ензими, необходими за изпълнение на определена клетъчна функция.

Характеристика на ензимите е, че те имат висока специфичност, т.е. могат да ускорят само една реакция или реакции от един тип.

През 1890 г. E. G. Fisher предполага, че тази специфика се дължи на специалната форма на ензимната молекула, която точно съвпада с формата на субстратната молекула.Тази хипотеза се нарича "ключ и ключалка", където ключът се сравнява със субстрата, а ключалката - с ензима. Хипотезата е, че субстратът пасва на ензима, както ключ пасва на ключалка. Избирателността на действието на ензима е свързана със структурата на неговия активен център.

Ензимна активност

На първо място, температурата влияе върху активността на ензима. С повишаването на температурата скоростта на химичната реакция се увеличава. Скоростта на молекулите се увеличава, те имат повече шансове да се сблъскат една с друга. Следователно вероятността да възникне реакция между тях се увеличава. Оптимална е температурата, която осигурява най-голяма активност на ензима.

Извън оптималната температура скоростта на реакцията намалява поради денатурация на протеина. Когато температурата се понижи, скоростта на химичната реакция също намалява. В момента, когато температурата достигне точката на замръзване, ензимът се инактивира, но не денатурира.

Класификация на ензимите

През 1961 г. е предложена систематична класификация на ензимите в 6 групи. Но имената на ензимите се оказаха много дълги и трудни за произнасяне, така че сега е обичайно да се назовават ензими с работни имена. Работното наименование се състои от името на субстрата, върху който действа ензимът, последвано от края "аза". Например, ако веществото е лактоза, тоест млечна захар, тогава лактазата е ензимът, който го преобразува. Ако захароза (обикновена захар), тогава ензимът, който я разгражда, е захароза. Съответно ензимите, които разграждат протеините, се наричат ​​протеинази.

Различните химични процеси са в основата на живота на всеки организъм. В тях основна роля играят ензимите. Ензимите или ензимите са естествени биокатализатори. В човешкото тяло те участват активно в процеса на смилане на храната, функционирането на централната нервна система и стимулирането на растежа на нови клетки. По своята същност ензимите са протеини, предназначени да ускорят различни биохимични реакции в тялото. Разграждането на протеини, мазнини, въглехидрати и минерали са процеси, в които ензимите са един от основните активни компоненти.

Има доста разновидности на ензими, всеки от които е предназначен да действа върху определено вещество. Протеиновите молекули са уникални и не могат да се заменят една друга. Тяхната дейност изисква определен температурен диапазон. За човешките ензими нормалната телесна температура е идеална. Кислородът и слънчевата светлина разрушават ензимите.

Обща характеристика на ензимите

Тъй като са органични вещества с протеинов произход, ензимите действат на принципа на неорганични катализатори, ускорявайки реакциите в клетките, в които се синтезират. Синоним на името на такива протеинови молекули е ензими. Почти всички реакции в клетките протичат с участието на специфични ензими. Те са разделени на две части. Първата е директно протеиновата част, представена от протеин с третична структура и наречена апоензим, втората е активният център на ензима, наречен коензим. Последният може да бъде органични / неорганични вещества и той е този, който действа като основен "ускорител" на биохимичните реакции в клетката. И двете части образуват една протеинова молекула, наречена холоензим.

Всеки ензим е проектиран да действа върху специфично вещество, наречено субстрат. Резултатът от протеклата реакция се нарича продукт. Имената на самите ензими доста често се формират въз основа на името на субстрата с добавяне на окончанието "-aza". Например, ензим, предназначен да разгражда янтарна киселина (сукцинат), се нарича сукцинат дехидрогеназа. В допълнение, името на протеиновата молекула се определя от вида на реакцията, чието изпълнение осигурява. По този начин дехидрогеназите са отговорни за процеса на регенерация и окисление, а хидролазите са отговорни за разцепването на химичните връзки.

Действието на различни видове ензими е насочено към определени субстрати. Тоест, участието на белтъчните молекули в определени биохимични реакции е индивидуално. Всеки ензим е свързан със своя субстрат и може да работи само с него. Апоензимът е отговорен за непрекъснатостта на тази връзка.

Ензимите могат да пребивават в свободно състояние в цитоплазмата на клетката или да взаимодействат с по-сложни структури. Има и определени видове от тях, които действат извън клетката. Те включват например ензими, които разграждат протеини и нишесте. Освен това ензимите могат да се произвеждат от различни микроорганизми.

За изучаване на ензимите и процесите, протичащи с тяхно участие, е предназначена отделна област на биохимичната наука - ензимология. За първи път се появи информация за специални протеинови молекули, действащи на принципа на катализаторите, в резултат на изучаване на храносмилателните процеси и реакциите на ферментация, протичащи в човешкото тяло. Значителен принос за развитието на съвременната ензимология се приписва на Л. Пастьор, който смята, че всички биохимични реакции в организма протичат с участието изключително на живи клетки. Неодушевените "участници" в такива реакции са обявени за първи път от Е. Бюхнер в началото на 20 век. По това време изследователят успя да определи, че безклетъчен екстракт от дрожди действа като катализатор в процеса на ферментация на захароза, последван от освобождаване на етилов алкохол и въглероден диоксид. Това откритие беше решаващ тласък за подробно изследване на така наречените катализатори на различни биохимични процеси в тялото.

Още през 1926 г. е изолиран първият ензим, уреаза. Автор на откритието е J. Sumner, служител на университета Cornell. След това, в рамките на едно десетилетие, учените изолират редица други ензими и най-накрая е доказана протеиновата природа на всички органични катализатори. Към днешна дата светът познава повече от 700 различни ензими. Но в същото време съвременната ензимология продължава активно да изучава, изолира и изучава свойствата на определени видове протеинови молекули.

Ензими: протеинова природа

Освен това ензимите обикновено се разделят на прости и сложни. Първите са съединения, съставени от аминокиселини, като трипсин, пепсин или лизозим. Сложните ензими, както бе споменато по-горе, се състоят от протеинова част с аминокиселини (апоензим) и непротеинова част, наречена кофактор. Само сложни ензими могат да участват в биореакциите. Освен това, подобно на протеините, ензимите са моно- и полимери, т.е. те се състоят от една или повече субединици.

Общите свойства на ензимите като протеинови структури са:

• ефективност на действие, което предполага значително ускоряване на химичните реакции в тялото;
• селективност към субстрата и вида на извършената реакция;
• чувствителност към температура, киселинно-алкален баланс и други неспецифични физико-химични фактори на средата, в която работят ензимите;
• чувствителност към действието на химически реактиви и др.

Основната роля на ензимите в човешкото тяло е превръщането на едни вещества в други, т.е. субстрати в продукти. Те действат като катализатори в повече от 4 хиляди биохимични жизненоважни реакции. Функциите на ензимите са да насочват и регулират метаболитните процеси. Като неорганични катализатори, ензимите могат значително да ускорят предната и обратната биореакция. Струва си да се отбележи, че по време на тяхното действие химичното равновесие не се нарушава. Протичащите реакции осигуряват разграждането и окисляването на постъпилите в клетките хранителни вещества. Всяка протеинова молекула може да извърши огромен брой действия в минута. В същото време протеинът на ензимите, реагиращ с различни вещества, остава непроменен. Енергията, генерирана по време на окисляването на хранителните вещества, се използва от клетката по същия начин, както продуктите от разпада на веществата, необходими за синтеза на органични съединения.

Днес не само ензимните препарати за медицински цели са намерили широко приложение. Ензимите се използват и в хранително-вкусовата и текстилната промишленост, в съвременната фармакология.

Класификация на ензимите

На заседанието на V Международен биохимичен съюз, проведено в Москва през 1961 г., е приета съвременната класификация на ензимите. Тази класификация предполага разделянето им на класове в зависимост от вида на реакцията, при която ензимът действа като катализатор. Освен това всеки клас ензими е разделен на подкласове. За обозначаването им се използва код от четири числа, разделени с точки:

• първото число показва механизма на реакцията, при който ензимът действа като катализатор;
• второто число показва подкласа, към който принадлежи ензимът;
• третото число е подклас на описания ензим;
• а четвъртият е серийният номер на ензима в подкласа, към който принадлежи.

В съвременната класификация на ензимите се разграничават общо шест класа ензими, а именно:

• Оксидоредуктазите са ензими, които действат като катализатори в различни редокс реакции, протичащи в клетките. Този клас включва 22 подкласа.
• Трансферазите са клас ензими с 9 подкласа. Той включва ензими, които осигуряват транспортни реакции между различни субстрати, ензими, които участват в реакциите на взаимното преобразуване на веществата, както и неутрализирането на различни органични съединения.
• Хидролазите са ензими, които разрушават вътремолекулните връзки на субстрата чрез прикрепване на водни молекули към него. Този клас има 13 подкласа.
• Лиазите са клас, който съдържа само комплексни ензими. Има седем подкласа. Ензимите, принадлежащи към този клас, действат като катализатори в реакциите на разрушаване на C-O, C-C, C-N и други видове органични връзки. Също така, ензимите от класа на лиазите участват в обратими реакции на биохимично разцепване по нехидролитичен начин.
• Изомеразите са ензими, които действат като катализатори в химичните процеси на изомерни трансформации, протичащи в една молекула. Както и в предишния клас, те включват само сложни ензими.
• Лигазите, известни още като синтетази, са клас, който включва шест подкласа и представлява ензими, които катализират процеса на свързване на две молекули под въздействието на АТФ.

Съставът на ензимите съчетава отделни области, отговорни за изпълнението на специфични функции. И така, в състава на ензимите, като правило, се изолират активни и алостерични центрове. Последният, между другото, не се намира във всички протеинови молекули. Активният център е комбинация от аминокиселинни остатъци, отговорни за контакта със субстрата и катализата. Активният център от своя страна е разделен на две части: котва и каталитичен. Ензимите, състоящи се от няколко мономера, могат да съдържат повече от едно активно място.

Алостеричният център е отговорен за активността на ензимите. Тази част от ензимите получи името си поради факта, че нейната пространствена конфигурация няма нищо общо с молекулата на субстрата. Промяната в скоростта на реакцията, която протича с участието на ензима, се определя от свързването на различни молекули към алостеричния център. Ензимите, съдържащи в състава си алостерични центрове, са полимерни протеини.

Механизмът на действие на ензимите

Действието на ензимите може да бъде разделено на няколко етапа, по-специално:

• първият етап включва прикрепването на субстрата към ензима, в резултат на което се образува ензим-субстратният комплекс;
• вторият етап се състои в превръщането на получения комплекс в един или няколко преходни комплекса наведнъж;
• третият етап е образуването на комплекса ензим-продукт;
• и накрая, четвъртият етап включва отделянето на крайния продукт от реакцията и ензима, който остава непроменен.

В допълнение, действието на ензимите може да се случи с участието на различни механизми на катализа. Така се разграничават киселинно-алкалната и ковалентната катализа. В първия случай в реакцията участват ензими, които съдържат специфични аминокиселинни остатъци в активния си център. Такива групи ензими са отлични катализатори за множество реакции в тялото. Ковалентната катализа включва действието на ензими, които образуват нестабилни комплекси при контакт със субстрати. Резултатът от такива реакции е образуването на продукти чрез вътрешномолекулни пренареждания.

Има също три основни типа ензимни реакции:

• "Пинг-понг" е реакция, при която ензимът се комбинира с един субстрат, заемайки определени вещества от него, и след това взаимодейства с друг субстрат, давайки му получените химични групи.
• Последователните реакции предполагат последователно свързване първо на един, а след това на друг субстрат към ензима, в резултат на което се образува така нареченият "троен комплекс", в който протича катализа.
• Случайните взаимодействия са реакции, при които субстратите взаимодействат с ензим произволно и след катализа те се разделят в същия ред.

Активността на ензимите е нестабилна и до голяма степен зависи от различни фактори на околната среда, в които те трябва да действат. Така че основните показатели за активността на ензимите са факторите на вътрешно и външно въздействие върху клетката. Активността на ензимите се променя в каталите, показвайки количеството ензим, което превръща за секунда 1 mol от субстрата, с който взаимодейства. Международната мерна единица е E, показваща количеството ензим, способен да преобразува 1 µmol субстрат за 1 минута.

Ензимно инхибиране: Процес

Едно от основните направления в съвременната медицина и в частност на ензимологията е разработването на методи за контрол на скоростта на метаболитните реакции, протичащи с участието на ензими. Инхибирането обикновено се нарича намаляване на ензимната активност чрез използването на различни съединения. Съответно, вещество, което осигурява специфично намаляване на активността на протеиновите молекули, се нарича инхибитор. Има различни видове инхибиране. Така че, в зависимост от силата на свързване на ензима с инхибитора, процесът на тяхното взаимодействие може да бъде обратим и съответно необратим. И в зависимост от това как инхибиторът действа върху активното място на ензима, процесът на инхибиране може да бъде конкурентен или неконкурентен.

Активиране на ензими в организма

За разлика от инхибирането, активирането на ензимите предполага засилване на тяхното действие в протичащите реакции. Веществата, които ви позволяват да получите желания резултат, се наричат ​​активатори. Такива вещества могат да бъдат органични или неорганични по природа. Като органични активатори могат да действат например жлъчни киселини, глутатион, ентерокиназа, витамин С, различни тъканни ензими и др.. Като неорганични активатори могат да се използват пепсиноген и различни метални йони, най-често двувалентни.

Различните ензими, реакциите, протичащи с тяхно участие, както и резултатът от тях са намерили своето широко приложение в различни области. В продължение на много години действието на ензимите се използва активно в хранително-вкусовата, кожарската, текстилната, фармацевтичната и много други индустрии. Например, с помощта на естествени ензими, изследователите се опитват да увеличат ефективността на алкохолната ферментация при производството на алкохолни напитки, да подобрят качеството на хранителните продукти, да разработят нови методи за отслабване и т.н. Но заслужава да се отбележи, че употребата на ензими в различни отрасли в сравнение с използването на химически катализатори губи значително. В края на краищата основната трудност при изпълнението на такава задача на практика е термичната нестабилност на ензимите и тяхната повишена чувствителност към различни фактори. Също така е невъзможно повторното използване на ензими в производството поради трудността на отделянето им от крайните продукти на извършените реакции.

В допълнение, действието на ензимите е намерило активно приложение в медицината, селското стопанство и химическата промишленост. Нека разгледаме по-подробно как и къде може да се използва действието на ензимите:

Хранително-вкусовата промишленост. Всеки знае, че хубавото тесто трябва да бухне и да бухне при печене. Но не всеки разбира как точно се случва това. В брашното, от което се прави тестото, има много различни ензими. И така, амилазата в състава на брашното участва в процеса на разлагане на нишестето, при което активно се отделя въглероден диоксид, допринасяйки за така нареченото "подуване" на тестото. Лепкавостта на тестото и задържането на CO2 в него се осигуряват от действието на ензим, наречен протеаза, който се съдържа и в брашното. Оказва се, че изглежда така. простите неща, като правенето на тесто за печене, включват сложни химически процеси. Също така, някои ензими, реакциите, които протичат с тяхно участие, са придобили специално търсене в областта на производството на алкохол. В дрождите се използват различни ензими, за да се гарантира качеството на процеса на алкохолна ферментация. В допълнение, някои ензими (като папаин или пепсин) помагат за разтварянето на утайката в алкохолните напитки. Ензимите се използват активно и при производството на ферментирали млечни продукти и сирена.

В кожарската промишленост ензимите се използват за ефективно разграждане на протеини, което е най-важно при премахване на упорити петна от различни хранителни продукти, кръв и др.

Целулазата може да се използва при производството на перилни препарати. Но когато се използват такива прахове, за да се получи посоченият резултат, е необходимо да се спазва допустимият температурен режим на пране.

Освен това при производството на фуражни добавки се използват ензими за повишаване на хранителната им стойност, хидролизиране на протеини и нескорбелни полизахариди. В текстилната промишленост ензимите правят възможно промяната на повърхностните свойства на текстила, а в целулозно-хартиената промишленост премахването на мастила и тонери по време на рециклиране на хартия.

Огромната роля на ензимите в живота на съвременния човек е неоспорима. Още днес техните свойства се използват активно от различни области, но също така непрекъснато се търсят нови приложения на уникалните свойства и функции на ензимите.

Човешки ензими и наследствени заболявания

Много заболявания се развиват на фона на ензимопатии - нарушения на функциите на ензимите. Разпределете първични и вторични ензимопатии. Първичните нарушения са наследствени, вторичните - придобити. Наследствените ензимопатии обикновено се класифицират като метаболитни заболявания. Унаследяването на генетични дефекти или намалена ензимна активност се извършва предимно по автозомно-рецесивен начин. Например заболяване като фенилкетонурия е резултат от дефект в ензим като фенилаланин-4-монооксигеназа. Този ензим обикновено е отговорен за превръщането на фенилаланин в тирозин. В резултат на нарушения на функциите на ензима се натрупват анормални метаболити на фенилаланин, които са токсични за тялото.

Посочват се и ензимопатии, чието развитие се дължи на нарушение на метаболизма на пуриновите основи и в резултат на това стабилно повишаване на нивото на пикочната киселина в кръвта. Галактоземията е друго заболяване, причинено от наследствена дисфункция на ензимите. Тази патология се развива поради нарушение на въглехидратния метаболизъм, при което тялото не може да превърне галактозата в глюкоза. Последицата от такова нарушение е натрупването на галактоза и нейните метаболитни продукти в клетките, което води до увреждане на черния дроб, централната нервна система и други жизненоважни системи на тялото. Основните прояви на галактоземия са диария, повръщане, които се появяват веднага след раждането на дете, обструктивна жълтеница, катаракта и забавено физическо и интелектуално развитие.

Различни гликогенози и липидози също принадлежат към наследствени ензимопатии, иначе наричани ензимопатологии. Развитието на такива нарушения се дължи на ниската ензимна активност в човешкото тяло или пълното му отсъствие. Наследствените метаболитни дефекти, като правило, са придружени от развитието на заболявания с различна степен на тежест. В същото време някои ензимопатии могат да бъдат асимптоматични и се определят само когато се извършват подходящи диагностични процедури. Но като цяло първите симптоми на наследствени метаболитни нарушения се появяват още в ранна детска възраст. Това се случва по-рядко при по-големи деца и още повече при възрастни.

При диагностицирането на наследствените ензимопатии важна роля играе генеалогичният метод на изследване. В същото време експертите проверяват реакциите на ензимите в лабораторията. Наследствената ферментопатия може да доведе до нарушения в производството на хормони, които са от особено значение за пълноценното функциониране на организма. Например, надбъбречната кора произвежда глюкокортикоиди, отговорни за регулирането на въглехидратния метаболизъм, минералкортикоиди, участващи във водно-солевия метаболизъм, както и андрогенни хормони, които пряко влияят върху развитието на вторичните полови белези при подрастващите. По този начин нарушението на производството на тези хормони може да доведе до развитие на множество патологии от различни системи на органи.

Процесът на обработка на храната в човешкото тяло протича с участието на различни храносмилателни ензими. В процеса на смилане на храната всички вещества се разграждат на малки молекули, тъй като само съединения с ниско молекулно тегло могат да проникнат през чревната стена и да се абсорбират в кръвния поток. Специална роля в този процес се дава на ензимите, които разграждат протеините до аминокиселини, до глицерол и мастни киселини и нишестето до захари. Разграждането на протеините се осигурява от действието на ензима пепсин, който се съдържа в основния орган на храносмилателната система - стомаха. Част от храносмилателните ензими се произвеждат в червата от панкреаса. По-специално те включват:

• трипсин и химотрипсин, чиято основна цел е хидролизата на протеини;
• амилаза - ензими, които разграждат мазнините;
• липаза - храносмилателни ензими, които разграждат нишестето.

Храносмилателните ензими като трипсин, пепсин, химотрипсин се произвеждат под формата на проензими и едва след като попаднат в стомаха и червата, се активират. Тази функция предпазва тъканите на стомаха и панкреаса от тяхното агресивно въздействие. Освен това вътрешната обвивка на тези органи е допълнително покрита със слой слуз, което осигурява още по-голяма безопасност.

Някои храносмилателни ензими също се произвеждат в тънките черва. За преработката на целулозата, която влиза в тялото заедно с растителните храни, е отговорен ензим със съгласното име целулаза. С други думи, практически всяка част от стомашно-чревния тракт произвежда храносмилателни ензими, от слюнчените жлези до дебелото черво. Всеки тип ензим изпълнява своите функции, като заедно осигурява висококачествено смилане на храната и пълното усвояване на всички полезни вещества в организма.

панкреатични ензими

Панкреасът е орган със смесена секреция, т.е. изпълнява както ендо-, така и екзогенни функции. Панкреасът, както бе споменато по-горе, произвежда редица ензими, които се активират под въздействието на жлъчката, която навлиза в храносмилателните органи заедно с ензими. Ензимите на панкреаса са отговорни за разграждането на мазнините, протеините и въглехидратите до прости молекули, които могат да преминат през клетъчната мембрана в кръвния поток. По този начин, благодарение на ензимите на панкреаса, има пълно асимилиране на полезни вещества, които влизат в тялото заедно с храната. Нека разгледаме по-подробно действието на ензимите, синтезирани от клетките на този орган на стомашно-чревния тракт:

• амилазата, заедно с ензимите на тънките черва като малтаза, инвертаза и лактаза, осигуряват процес за разграждане на сложни въглехидрати;
• протеазите, иначе наричани протеолитични ензими в човешкото тяло, са представени от трипсин, карбоксипептидаза и еластаза и са отговорни за разграждането на протеините;
• нуклеази - панкреатични ензими, представени от дезоксирибонуклеаза и рибонуклеаза, действащи върху аминокиселините на РНК, ДНК;
• липазата е панкреатичен ензим, отговорен за превръщането на мазнините в мастни киселини.

Панкреасът също така синтезира фосфолипаза, естераза и алкална фосфатаза.

Най-опасни в активната форма са протеолитичните ензими, произвеждани от тялото. Ако процесът на тяхното производство и освобождаване в други органи на храносмилателната система е нарушен, ензимите се активират директно в панкреаса, което води до развитие на остър панкреатит и свързаните с него усложнения. Инхибитори на протеолитичните ензими, които могат да забавят действието им, са панкреатичен полипептид и глюкагон, соматостатин, пептид YY, енкефалин и панкреастатин. Тези инхибитори могат да инхибират производството на панкреатични ензими, като засягат активните елементи на храносмилателната система.

Основните процеси на храносмилане на постъпилата в тялото храна протичат в тънките черва. В този отдел на стомашно-чревния тракт се синтезират и ензими, чийто процес на активиране протича във връзка с ензимите на панкреаса и жлъчния мехур. Тънките черва са частта от храносмилателния тракт, където протичат последните етапи на хидролиза на хранителните вещества, които влизат в тялото заедно с храната. Той синтезира различни ензими, които разграждат олиго- и полимерите до мономери, които могат лесно да се абсорбират от лигавицата на тънките черва и да навлязат в лимфата и кръвния поток.

Под въздействието на ензимите на тънките черва се извършва процесът на разграждане на протеини, които са претърпели предварителна трансформация в стомаха в аминокиселини, сложни въглехидрати в монозахариди, мазнини в мастни киселини и глицерол. В състава на чревния сок има над 20 вида ензими, участващи в процеса на смилане на храната. С участието на панкреатични и чревни ензими се осигурява пълното развитие на химуса (частично усвоена храна). Всички процеси в тънките черва се случват в рамките на 4 часа след навлизането на химуса в тази част на храносмилателния тракт.

Важна роля в смилането на храната в тънките черва играе жлъчката, която навлиза в дванадесетопръстника по време на храносмилането. В самата жлъчка няма ензими, но тази биологична течност засилва действието на ензимите. Най-важната жлъчка е за разграждането на мазнините, превръщайки ги в емулсия. Такава емулгирана мазнина се разгражда много по-бързо под въздействието на ензими. Мастните киселини, взаимодействайки с жлъчните киселини, се превръщат в лесно разтворими съединения. В допълнение, секрецията на жлъчката стимулира чревната подвижност и производството на храносмилателен сок от панкреаса.

Чревният сок се синтезира от жлези, разположени в лигавицата на тънките черва. Съставът на такава течност съдържа храносмилателни ензими, както и ентерокиназа, предназначени да активират действието на трипсин. В допълнение, чревният сок съдържа ензим, наречен ерепсин, който е необходим за последната стъпка в разграждането на протеини, ензими, които действат върху различни видове въглехидрати (например амилаза и лактаза) и липаза, предназначена да преобразува мазнините.

стомашни ензими

Процесът на смилане на храната протича на етапи във всяка част на стомашно-чревния тракт. И така, започва в устната кухина, където храната се раздробява от зъбите и се смесва със слюнката. Слюнката съдържа ензими, които разграждат захарта и нишестето. След устната кухина натрошената храна навлиза в хранопровода в стомаха, където започва следващият етап от нейното смилане. Основният стомашен ензим е пепсинът, предназначен да превръща протеините в пептиди. Също така в стомаха има желатиназа - ензим, процесът на разделяне на колаген и желатин, за който е основната задача. Освен това храната в кухината на този орган е изложена на действието съответно на амилаза и липаза, които разграждат нишестето и мазнините.

Способността на тялото да получи всички необходими хранителни вещества зависи от качеството на храносмилателния процес. Разделянето на сложни молекули на множество прости осигурява тяхното по-нататъшно усвояване в кръвния и лимфния поток на следващите етапи на храносмилането в други части на стомашно-чревния тракт. Недостатъчното производство на стомашни ензими може да причини развитието на различни заболявания.

Чернодробните ензими са от голямо значение за протичането на различни биохимични процеси в организма. Функциите на протеиновите молекули, произвеждани от този орган, са толкова многобройни и разнообразни, че всички чернодробни ензими обикновено се разделят на три основни групи:

• Секреторни ензими, предназначени да регулират процеса на съсирване на кръвта. Те включват холинестераза и протромбиназа.
• Чернодробни индикаторни ензими, включително аспартат аминотрансфераза, съкратено AST, аланин аминотрансфераза със съответното обозначение ALT и лактат дехидрогеназа, LDH. Изброените ензими сигнализират за увреждане на тъканите на органа, при което хепатоцитите се разрушават, "напускат" чернодробните клетки и навлизат в кръвния поток;
• Екскреторните ензими се произвеждат от черния дроб и напускат органа с жлъчна пот. Тези ензими включват алкална фосфатаза. При нарушения на изтичането на жлъчката от органа се повишава нивото на алкалната фосфатаза.

Нарушаването на работата на някои чернодробни ензими в бъдеще може да доведе до развитие на различни заболявания или да сигнализира за тяхното присъствие в момента.

Един от най-информативните тестове за чернодробни заболявания е биохимията на кръвта, която ви позволява да определите нивото на индикаторните ензими AST, ATL. И така, нормалните показатели на аспартат аминотрансферазата за една жена са 20-40 U / l, а за по-силния пол - 15-31 U / l. Увеличаването на активността на този ензим може да показва увреждане на хепатоцитите от механичен или некротичен характер. Съдържанието на аланин аминотрансфераза в нормата не трябва да надвишава 12-32 U / l при жените, а за мъжете активността на ALT в диапазона 10-40 U / l се счита за нормална. Десеткратно увеличение на активността на ALT може да показва развитието на инфекциозни заболявания на органа и дори много преди появата на първите им симптоми.

Като правило за диференциална диагноза се използват допълнителни изследвания на активността на чернодробните ензими. За да направите това, може да се извърши анализ за LDH, GGT и GlDH:

Нормата на активността на лактат дехидрогеназата е индикатор, вариращ от 140-350 U / l.

Повишените нива на GDH могат да бъдат признак на дистрофични лезии на органа, тежка интоксикация, заболявания с инфекциозен характер или онкология. Максимално допустимият показател на такъв ензим за жените е 3,0 U / l, а за мъжете - 4,0 U / l.

Нормата на ензимната активност на GGT за мъжете е до 55 U / l, за жените - до 38 U / l. Отклоненията от тази норма могат да показват развитието на диабет, както и заболявания на жлъчните пътища. В този случай индексът на ензимната активност може да се увеличи десетократно. В допълнение, GGT в съвременната медицина се използва за определяне на алкохолна хепатоза.

Ензимите, синтезирани от черния дроб, имат различни функции. Така че някои от тях, заедно с жлъчката, се екскретират от тялото през жлъчните пътища и участват активно в процеса на смилане на храната. Ярък пример за това е алкалната фосфатаза. Нормалният показател за активността на този ензим в кръвта трябва да бъде в диапазона 30-90 U / l. Струва си да се отбележи, че при мъжете тази цифра може да достигне 120 U / l (при интензивни метаболитни процеси цифрата може да се увеличи).

Кръвни ензими

Определянето на активността на ензимите и тяхното съдържание в организма е един от основните диагностични методи при определяне на различни заболявания. По този начин кръвните ензими, съдържащи се в неговата плазма, могат да показват развитието на чернодробни патологии, възпалителни и некротични процеси в тъканните клетки, заболявания на сърдечно-съдовата система и др. Кръвните ензими обикновено се разделят на две групи. Първата група включва ензими, отделяни в кръвната плазма от определени органи. Например, черният дроб произвежда така наречените прекурсори на ензими, необходими за функционирането на системата за коагулация на кръвта.

Втората група има много по-голям брой кръвни ензими. В тялото на здрав човек такива протеинови молекули нямат физиологично значение в кръвната плазма, тъй като те действат изключително на вътреклетъчно ниво в органите и тъканите, от които се произвеждат. Обикновено активността на такива ензими трябва да бъде ниска и постоянна. При увреждане на клетките, което е придружено от различни заболявания, съдържащите се в тях ензими се освобождават и навлизат в кръвта. Причината за това може да са възпалителни и некротични процеси. В първия случай освобождаването на ензими възниква поради нарушение на пропускливостта на клетъчната мембрана, във втория - поради нарушение на целостта на клетките. В същото време, колкото по-високо е нивото на ензимите в кръвта, толкова по-голяма е степента на увреждане на клетките.

Биохимичният анализ ви позволява да определите активността на определени ензими в кръвната плазма. Той се използва активно в диагностиката на различни заболявания на черния дроб, сърцето, скелетната мускулатура и други видове тъкани в човешкото тяло. В допълнение, така наречената ензимна диагностика при определяне на определени заболявания взема предвид субклетъчната локализация на ензимите. Резултатите от такива изследвания ни позволяват да определим точно какви процеси протичат в тялото. Така че при възпалителни процеси в тъканите кръвните ензими имат цитозолна локализация, а при некротични лезии се определя наличието на ядрени или митохондриални ензими.

Трябва да се отбележи, че повишаването на съдържанието на ензими в кръвта не винаги се дължи на увреждане на тъканите. Активната патологична пролиферация на тъканите в тялото, по-специално при рак, повишено производство на определени ензими или нарушение на отделителната способност на бъбреците също може да се определи от повишено съдържание на определени ензими в кръвта.

В съвременната медицина специално място се отделя на използването на различни ензими за диагностични и терапевтични цели. Също така, ензимите са намерили своето приложение като специфични реагенти, които позволяват точно определяне на различни вещества. Например, при извършване на анализ за определяне на нивото на глюкоза в урината и кръвния серум, съвременните лаборатории използват глюкозооксидаза. Уреазата се използва за оценка на количественото съдържание на урея в урината и кръвните изследвания. Различните видове дехидрогенази позволяват точно да се определи наличието на различни субстрати (лактат, пируват, етилов алкохол и др.).

Високата имуногенност на ензимите значително ограничава използването им за терапевтични цели. Но въпреки това, така наречената ензимна терапия се развива активно, използвайки ензими (лекарства, които ги съдържат), като средство за заместваща терапия или елемент от комплексно лечение. Заместителната терапия се използва при заболявания на стомашно-чревния тракт, чието развитие е причинено от недостатъчно производство на храносмилателен сок. При дефицит на панкреатични ензими, техният дефицит може да бъде компенсиран чрез перорално приложение на лекарства, в които те присъстват.

Като допълнителен елемент в комплексното лечение, ензимите могат да се използват при различни заболявания. Например, такива протеолитични ензими като трипсин и химотрипсин се използват при лечението на гнойни рани. Препарати с ензимите дезоксирибонуклеаза и рибонуклеаза се използват при лечение на аденовирусен конюнктивит или херпетичен кератит. Ензимните препарати се използват и при лечение на тромбози и тромбоемболии, онкологични заболявания и др. Използването им е от значение за резорбцията на контрактури от изгаряне и следоперативни белези.

Използването на ензими в съвременната медицина е много разнообразно и тази област непрекъснато се развива, което ви позволява постоянно да намирате нови и по-ефективни методи за лечение на определени заболявания.

Храносмилателни ензими- Това са вещества с белтъчен характер, които се произвеждат в стомашно-чревния тракт. Те осигуряват процеса на смилане на храната и стимулират нейното усвояване.

Основната функция на храносмилателните ензими е разграждането на сложни вещества в по-прости, които лесно се абсорбират в червата на човека.

Действието на протеиновите молекули е насочено към следните групи вещества:

• протеини и пептиди;
• олиго- и полизахариди;
• мазнини, липиди;
• нуклеотиди.

Видове ензими

1. Пепсин.Ензимът е вещество, което се произвежда в стомаха. Действа върху белтъчните молекули в състава на храната, като ги разгражда до елементарни компоненти – аминокиселини.
2. Трипсин и химотрипсин.Тези вещества са част от групата панкреатични ензими, които се произвеждат от панкреаса и се доставят в дванадесетопръстника. Тук те действат и върху протеиновите молекули.
3. Амилаза.Ензимът се отнася до вещества, които разлагат захарите (въглехидратите). Амилазата се произвежда в устата и в тънките черва. Той разгражда един от основните полизахариди – нишестето. Резултатът е малък въглехидрат, наречен малтоза.
4. Малтаза.Ензимът действа и върху въглехидратите. Неговият специфичен субстрат е малтозата. Разлага се на 2 молекули глюкоза, които се абсорбират от чревната стена.
5. захароза.Протеинът действа върху друг често срещан дизахарид, захарозата, който се намира във всяка храна с високо съдържание на въглехидрати. Въглехидратите се разграждат до фруктоза и глюкоза, които лесно се усвояват от тялото.
6. Лактаза.Специфичен ензим, който действа върху въглехидратите от млякото, е лактозата. При разпадането му се получават други продукти – глюкоза и галактоза.
7. Нуклеази.Ензимите от тази група действат върху нуклеиновите киселини – ДНК и РНК, които се намират в храната. След въздействието си веществата се разпадат на отделни компоненти – нуклеотиди.
8. Нуклеотидаза.Втората група ензими, които действат върху нуклеиновите киселини, се наричат ​​нуклеотидази. Те разлагат нуклеотидите на по-малки компоненти – нуклеозиди.
9. Карбоксипептидаза.Ензимът действа върху малки протеинови молекули - пептиди. В резултат на този процес се получават отделни аминокиселини.
10. Липаза.Веществото разгражда мазнините и липидите, постъпващи в храносмилателната система. В този случай се образуват техните съставни части - алкохол, глицерин и мастни киселини.

Липса на храносмилателни ензими

Недостатъчното производство на храносмилателни ензими е сериозен проблем, който изисква медицинска помощ. С малко количество ендогенни ензими храната не може да се смила нормално в червата на човека.

Ако веществата не се усвояват, те не могат да се абсорбират в червата. Храносмилателната система е в състояние да асимилира само малки фрагменти от органични молекули. Големите компоненти, които са част от храната, няма да могат да бъдат от полза за човек. В резултат на това тялото може да развие дефицит на определени вещества.

Липсата на въглехидрати или мазнини ще доведе до факта, че тялото ще загуби "гориво" за енергична дейност. Дефицитът на протеини лишава човешкото тяло от строителен материал, който са аминокиселини. В допълнение, лошото храносмилане води до промяна в естеството на изпражненията, което може да повлияе неблагоприятно на характера.

причини

• възпалителни процеси в червата и стомаха;
• хранителни разстройства (преяждане, недостатъчна топлинна обработка);
• метаболитни заболявания;
• панкреатит и други заболявания на панкреаса;
• увреждане на черния дроб и жлъчните пътища;
• вродени патологии на ензимната система;
• следоперативни последствия (недостатъчност на ензими поради отстраняване на част от храносмилателната система);
• лечебни ефекти върху стомаха и червата;
• бременност;

Симптоми

Дългосрочното запазване на храносмилателната недостатъчност е придружено от появата на общи симптоми, свързани с намален прием на хранителни вещества в организма. Тази група включва следните клинични прояви:

• обща слабост;
• намаляване на работоспособността;
• главоболие;
• нарушения на съня;
• повишена раздразнителност;
• в тежки случаи симптоми на анемия поради недостатъчна абсорбция на желязо.

Излишък от храносмилателни ензими

Излишъкът от храносмилателни ензими най-често се наблюдава при състояния като панкреатит. Състоянието е свързано с хиперпродукция на тези вещества от клетките на панкреаса и нарушаване на екскрецията им в червата. В тази връзка се развива активно възпаление в тъканта на органа, причинено от действието на ензими.

Признаците на панкреатит могат да включват:

• силна болка в корема;
• гадене;
• подуване на корема;
• нарушение на естеството на стола.

Често се развива общо влошаване на състоянието на пациента. Появяват се обща слабост, раздразнителност, телесното тегло намалява, нормалният сън е нарушен.

Как да открием нарушения в синтеза на храносмилателни ензими?

Основни принципи на терапия на ензимни нарушения

Промяната в производството на храносмилателни ензими е причина да посетите лекар. След цялостен преглед лекарят ще определи причината за нарушенията и ще предпише подходящо лечение. Не се препоръчва да се справяте сами с патологията.

Важен компонент на лечението е правилното хранене. На пациента се предписва подходяща диета, която е насочена към улесняване на храносмилането на храната. Трябва да се избягва преяждането, тъй като това провокира чревни разстройства. На пациентите се предписва лекарствена терапия, включително заместителна терапия.

Конкретните средства и техните дози се избират от лекаря.

Ензимите (Ензимите) са специфични протеини, биологично активни органични вещества, които ускоряват химичните реакции в клетката. Огромната роля на ензимите в организма. Те могат да увеличат скоростта на реакцията повече от десет пъти. Той е просто необходим за нормалното функциониране на клетката. А ензимите участват във всяка реакция.

В тялото на всички живи същества, включително и на най-примитивните микроорганизми, са открити ензими. Ензимите, поради своята каталитична активност, са много важни за нормалното функциониране на нашите телесни системи.

Ключови ензими в тялото

Животът на човешкото тяло се основава на хиляди химични реакции, протичащи в клетките. Всеки от тях се осъществява с участието на специални ускорители - биокатализатори или ензими.

Ензимите действат като катализатори в почти всички биохимични реакции, протичащи в живите организми. До 2013 г. са описани над 5000 различни ензими.

Съвременната наука познава около две хиляди биокатализатори. Нека се спрем на т.нар ключови ензими . Те включват най-важните биокатализатори за живота на организма, чието „разрушаване“ по правило води до появата на заболявания. Стремим се да отговорим на въпроса как действа този ензим в здраво тяло и какво се случва с него в процеса на заболяването на човека?

Известно е, че най-важните биополимери, които са в основата на всички живи същества (всички съставни части на клетките на нашето тяло и всички ензими са изградени от тях), са с протеинова природа. От своя страна протеините се състоят от прости азотни съединения - аминокиселини, свързани с химични връзки - пептидни връзки. В тялото има специални ензими, които разделят тези връзки чрез свързване на водни молекули (реакция на хидролиза). Такива ензими се наричат ​​пептидни хидролази. Под тяхно влияние в протеиновите молекули се разрушават химичните връзки между аминокиселините и се образуват фрагменти от протеинови молекули - пептиди, състоящи се от различен брой аминокиселини. Пептидите, които имат висока биологична активност, могат дори да причинят отравяне на тялото. В крайна сметка, когато са изложени на пептидни хидролази, пептидите или губят, или значително намаляват своята биологична активност.

Професор В. Н. Орехович през 1979 г. и неговите ученици успяха да открият, изолират в чиста форма и изучат подробно физичните, химичните и каталитичните свойства на една от пептидните хидролази, неизвестна преди това на биохимиците. Сега той е включен в международния списък под името на ензима карбоксикатепсин. Изследванията позволиха да се доближим до отговора на въпроса: защо здраво тяло се нуждае от карбоксикатепсин и какво може да се случи в резултат на определени промени в неговата структура.

Оказа се, че карбоксикатепсинът участва както в образуването на пептида ангиотензин В, който повишава кръвното налягане, така и в разрушаването на друг пептид, брадикинин, който, напротив, има свойството да понижава кръвното налягане.

Така карбоксикатепсинът се оказва ключов катализатор, участващ в работата на една от най-важните биохимични системи на тялото – системата за регулиране на кръвното налягане. Колкото по-голяма е активността на карбоксикатепсина, толкова по-висока е концентрацията на ангиотензин II и толкова по-ниска е концентрацията на брадикинин, което от своя страна води до повишаване на кръвното налягане. Не е изненадващо, че при хора, страдащи от хипертония, активността на карбокси-катепсин в кръвта се повишава. Определянето на този показател помага на лекарите да оценят ефективността на терапевтичните мерки, да предскажат хода на заболяването.

Възможно ли е да се инхибира действието на карбокситепсин директно в човешкото тяло и по този начин да се постигне понижаване на кръвното налягане? Изследванията, проведени в нашия институт, показват, че в природата има пептиди, които са способни да се свързват с карбоксикатепсин, без да се подлагат на хидролиза, и по този начин да го лишат от способността да изпълнява присъщата му функция.

В момента се работи по синтеза на изкуствени блокери (инхибитори) на карбоксикатепсин, които се предполага, че се използват като нови терапевтични средства за борба с хипертонията.

Други важни ключови ензими, участващи в биохимичните трансформации на азотни вещества в човешкото тяло, включват аминооксидази. Без тях реакциите на окисление на така наречените биогенни амини, към които принадлежат много химични предаватели на нервни импулси - невротрансмитери, не могат. Разпадането на аминооксидазите води до нарушения на функциите на централната и периферната нервна система; химическите блокери на аминооксидазите вече се използват в клиничната практика като терапевтични средства, например при депресивни състояния.

В процеса на изучаване на биологичните функции на аминооксидазите беше възможно да се открие тяхното неизвестно преди това свойство. Оказа се, че определени химически промени в молекулите на тези ензими са съпроводени с качествени промени в техните каталитични свойства. Така моноаминооксидазите, които окисляват биогенни моноамини (например добре известните невротрансмитери норепинефрин, серотонин и допамин), частично губят присъщите си свойства след третиране с окислители. Но от друга страна, те откриват качествено нова способност да разрушават диамините, някои аминокиселини и аминозахари, нуклеотиди и други азотни съединения, необходими за живота на клетката. Освен това е възможно да се трансформират моноаминооксидазите не само в епруветка (т.е. в случаите, когато изследователите експериментират с пречистени ензимни препарати), но и в животинско тяло, в което предварително се моделират различни патологични процеси.

В клетките на човешкото тяло моноаминооксидазите са включени в състава на биологични мембрани - полупропускливи прегради, които служат като клетъчни мембрани и разделят всяка от тях на отделни отделения, където протичат определени реакции. Биомембраните са особено богати на лесно окисляеми мазнини, които са в полутечно състояние. Много заболявания са придружени от натрупване на прекомерни количества продукти от окисляването на мазнините в биомембраните. Прекомерно окислени (пероксидирани), те нарушават както нормалната пропускливост на мембраните, така и нормалното функциониране на ензимите, влизащи в състава им. Тези ензими включват моноаминооксидази.

По-специално, по време на радиационно увреждане, мазнините се преокисляват в биомембраните на клетките на костния мозък, червата, черния дроб и други органи, а моноаминооксидазите не само частично губят своята полезна активност, но и придобиват качествено ново свойство, което е вредно за тяло. Те започват да унищожават жизненоважните за клетката азотни вещества. Способността на моноаминооксидазите да трансформират своята биологична активност се проявява както в експерименти с пречистени ензимни препарати, така и в жив организъм. Освен това се оказа, че терапевтичните средства, използвани в борбата с радиационните увреждания, също предотвратяват развитието на качествени промени в ензимите.

Това много важно свойство - обратимостта на трансформацията на моноаминооксидазите - беше установено в експерименти, по време на които изследователите се научиха не само да предотвратяват трансформацията на ензими, но и да елиминират нарушенията, връщайки функциите на катализаторите към нормалното и постигайки определена терапевтична ефект.

Докато говорим за експерименти с животни. Въпреки това, днес има всички основания да се смята, че активността на аминооксидазите също се променя в човешкото тяло, по-специално при атеросклероза. Затова понастоящем с особено упоритост продължава изследването на свойствата на аминооксидазите, както и на химикалите, които могат да се използват за повлияване на тяхната активност в човешкото тяло за терапевтични цели.

И последният пример. Добре известно е каква важна роля играят въглехидратите в живота на нашето тяло, а оттам и ключовите ензими, които ускоряват техните биохимични трансформации. Тези катализатори включват ензима гама-амилаза, открит в нашия институт; той участва в разцепването на химичните връзки между молекулите на глюкозата (от тях се изграждат сложни молекули на гликоген). Вродената липса или недостатъчност на гама-амилаза води до нарушаване на нормалните биохимични трансформации на гликоген. Съдържанието му в клетките на жизненоважните органи на детето се увеличава, те губят способността си да изпълняват присъщите си функции. Всички тези промени характеризират най-тежкото заболяване - гликогенозата.

Други ензими също участват в биохимичните трансформации на гликогена.

Вроденият им дефицит също води до гликогенози. За да се разпознае своевременно и точно от какъв тип гликогеноза страда детето (а това е важно за избора на метод на лечение и прогнозиране на хода на заболяването), е необходимо да се изследва активността на редица ензими, включително гама -амилаза. Разработени през 70-те години на миналия век в Института по биологична и медицинска химия на Академията на медицинските науки на СССР, методите за диференциална лабораторна и химическа диагностика на гликогенозата все още се използват в клиничната практика.

Според професор В.З. ГОРКИНА

История на обучението

Срок ензимпредложен през 17 век от химика ван Хелмонт, когато се обсъждат механизмите на храносмилането.

В кон. XVIII – ран. 19 век вече беше известно, че месото се усвоява от стомашния сок, а нишестето се превръща в захар под действието на слюнката. Механизмът на тези явления обаче беше неизвестен.

Класификация на ензимите

Според вида на катализираните реакции ензимите се разделят на 6 класа според йерархичната класификация на ензимите (KF, - Enzyme Comission code). Класификацията е предложена от Международния съюз по биохимия и молекулярна биология (International Union of Biochemistry and Molecular Biology). Всеки клас съдържа подкласове, така че ензимът се описва с набор от четири числа, разделени с точки. Например пепсинът има името EC 3.4.23.1. Първото число грубо описва механизма на реакцията, катализирана от ензима:

• CF 1: Оксидоредуктазакоито катализират окисление или редукция. Пример: каталаза, алкохол дехидрогеназа.
• CF 2: Трансферазикоито катализират прехвърлянето на химични групи от една субстратна молекула към друга. Сред трансферазите особено се отличават киназите, които пренасят фосфатна група, като правило, от молекула на АТФ.
• CF 3: Хидролазикоито катализират хидролизата на химичните връзки. Пример: естерази, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеин липаза.
• CF 4: Лиаза, като катализира разкъсването на химичните връзки без хидролиза с образуването на двойна връзка в един от продуктите.
• CF 5: Изомерази, които катализират структурни или геометрични промени в молекулата на субстрата.
• CF 6: Лигази, катализирайки образуването на химични връзки между субстратите, дължащи се на АТФ хидролиза. Пример: ДНК полимераза.

Кинетични изследвания

Най-простото описание кинетикаедносубстратни ензимни реакции е уравнението на Михаелис-Ментен (виж фиг.). Към днешна дата са описани няколко механизма на действие на ензима. Например, действието на много ензими се описва със схемата на механизма "пинг-понг".

През 1972-1973г. е създаден първият квантово-механичен модел на ензимна катализа (автори М. В. Волкенштейн, Р. Р. Догонадзе, З. Д. Урушадзе и др.).

Структура и механизъм на действие на ензимите

Активността на ензимите се определя от тяхната триизмерна структура.

Както всички протеини, ензимите се синтезират като линейна верига от аминокиселини, която се нагъва по специфичен начин. Всяка аминокиселинна последователност се сгъва по специфичен начин и получената молекула (протеинова глобула) има уникални свойства. Няколко протеинови вериги могат да бъдат комбинирани в протеинов комплекс. Третичната структура на протеините се разрушава при нагряване или излагане на определени химикали.

Активно място на ензими

В активния център условно разпределете:

• каталитичен център - директно химически взаимодействащ със субстрата;
• свързващ център (контактно или "котвящо" място) - осигуряване на специфичен афинитет към субстрата и образуване на ензим-субстратния комплекс.

За да катализира реакция, ензимът трябва да се свърже с един или повече субстрати. Протеиновата верига на ензима е сгъната по такъв начин, че на повърхността на глобулата се образува празнина или вдлъбнатина, където се свързват субстратите. Тази област се нарича място за свързване на субстрата. Обикновено той съвпада с активното място на ензима или се намира близо до него. Някои ензими също съдържат места за свързване на кофактори или метални йони.

Ензимът се свързва със субстрата:

• почиства субстрата от водното "шуба"
• подрежда реагиращите молекули на субстрата в пространството по начина, необходим за протичане на реакцията
• подготвя за реакцията (например поляризира) субстратните молекули.

Обикновено прикрепването на ензим към субстрат става благодарение на йонни или водородни връзки, рядко поради ковалентни връзки. В края на реакцията нейният продукт (или продукти) се отделят от ензима.

В резултат на това ензимът намалява енергията на активиране на реакцията. Това е така, защото в присъствието на ензима реакцията протича по различен път (всъщност протича различна реакция), например:

При липса на ензим:

• A+B = AB

В присъствието на ензим:

• A+F = AF
• AF+V = AVF
• AVF \u003d AV + F

където A, B - субстрати, AB - реакционен продукт, F - ензим.

Ензимите не могат сами да осигурят енергия за ендергонични реакции (които изискват енергия). Следователно ензимите, които извършват такива реакции, ги свързват с екзергонични реакции, които протичат с освобождаване на повече енергия. Например, реакциите на синтез на биополимер често се свързват с реакцията на хидролиза на АТФ.

Активните центрове на някои ензими се характеризират с явлението кооперативност.

Специфичност

Ензимите обикновено показват висока специфичност за техните субстрати (субстратна специфичност). Това се постига чрез частична комплементарност на формата, разпределението на заряда и хидрофобните участъци върху молекулата на субстрата и на мястото на свързване на субстрата върху ензима. Ензимите обикновено показват високи нива на стереоспецифичност (образуват само един от възможните стереоизомери като продукт или използват само един стереоизомер като субстрат), региоселективност (образуват или прекъсват химична връзка само в една от възможните позиции на субстрата) и хемоселективност (катализират само една химична реакция).от няколко възможни условия за тези състояния). Въпреки общото високо ниво на специфичност, степента на субстратна и реакционна специфичност на ензимите може да бъде различна. Например ендопептидазата трипсин разкъсва пептидна връзка само след аргинин или лизин, освен ако не са последвани от пролин, а пепсинът е много по-малко специфичен и може да разкъса пептидна връзка след много аминокиселини.

Модел с ключалка

Хипотезата за индуцирано прилягане на Кошланд

По-реалистична ситуация е в случай на индуцирано съвпадение. Неправилните субстрати - твърде големи или твърде малки - не пасват на активното място

През 1890 г. Емил Фишер предполага, че специфичността на ензимите се определя от точното съответствие между формата на ензима и субстрата. Това предположение се нарича модел на ключалката. Ензимът се свързва със субстрата, за да образува краткотраен ензимно-субстратен комплекс. Въпреки това, въпреки че този модел обяснява високата специфичност на ензимите, той не обяснява феномена на стабилизиране на преходното състояние, който се наблюдава на практика.

Модел с предизвикано прилягане

През 1958 г. Даниел Кошланд предлага модификация на модела ключ-заключване. Ензимите обикновено не са твърди, а гъвкави молекули. Активното място на ензима може да промени конформацията след свързване със субстрата. Страничните групи на аминокиселините на активния център заемат позиция, която позволява на ензима да изпълнява своята каталитична функция. В някои случаи молекулата на субстрата също променя конформацията след свързване с активното място. За разлика от модела ключ-заключване, моделът на индуцираното прилягане обяснява не само спецификата на ензимите, но и стабилизирането на преходното състояние. Този модел беше наречен "ръчна ръкавица".

Модификации

Много ензими претърпяват модификации след синтеза на протеиновата верига, без които ензимът не показва своята активност в пълна степен. Такива модификации се наричат ​​посттранслационни модификации (обработка). Един от най-често срещаните видове модификация е добавянето на химични групи към страничните остатъци на полипептидната верига. Например, добавянето на остатък от фосфорна киселина се нарича фосфорилиране и се катализира от ензима киназа. Много еукариотни ензими са гликозилирани, т.е. модифицирани с въглехидратни олигомери.

Друг често срещан тип посттранслационни модификации е разцепването на полипептидна верига. Например, химотрипсин (протеаза, участваща в храносмилането) се получава чрез разцепване на полипептидна област от химотрипсиноген. Химотрипсиногенът е неактивен прекурсор на химотрипсин и се синтезира в панкреаса. Неактивната форма се транспортира до стомаха, където се превръща в химотрипсин. Този механизъм е необходим, за да се избегне разцепването на панкреаса и други тъкани, преди ензимът да навлезе в стомаха. Неактивен ензимен прекурсор също се нарича "зимоген".

Ензимни кофактори

Някои ензими изпълняват каталитичната функция самостоятелно, без допълнителни компоненти. Има обаче ензими, които изискват непротеинови компоненти за катализа. Кофакторите могат да бъдат или неорганични молекули (метални йони, клъстери желязо-сяра и т.н.), или органични (например флавин или хем). Органичните кофактори, които са силно свързани с ензима, се наричат ​​също простетични групи. Органичните кофактори, които могат да бъдат отделени от ензима, се наричат ​​коензими.

Ензим, който изисква кофактор, за да прояви каталитична активност, но не е свързан с него, се нарича апо-ензим. Апо-ензим в комбинация с кофактор се нарича холо-ензим. Повечето от кофакторите са свързани с ензима чрез нековалентни, но доста силни взаимодействия. Има и простетични групи, които са ковалентно свързани с ензима, като тиамин пирофосфат в пируват дехидрогеназата.

Ензимна регулация

Някои ензими имат места за свързване на малки молекули и могат да бъдат субстрати или продукти на метаболитния път, в който ензимът влиза. Те намаляват или повишават активността на ензима, което създава възможност за обратна връзка.

Инхибиране на крайния продукт

Метаболитен път - верига от последователни ензимни реакции. Често крайният продукт на метаболитен път е инхибитор на ензим, който ускорява първата от реакциите в този метаболитен път. Ако крайният продукт е твърде много, тогава той действа като инхибитор за първия ензим и ако след това крайният продукт стане твърде малък, тогава първият ензим се активира отново. По този начин инхибирането от крайния продукт според принципа на отрицателната обратна връзка е важен начин за поддържане на хомеостазата (относителното постоянство на условията на вътрешната среда на тялото).

Влияние на условията на околната среда върху ензимната активност

Активността на ензимите зависи от условията в клетката или организма – налягане, киселинност на средата, температура, концентрация на разтворени соли (йонна сила на разтвора) и др.

Множество форми на ензими

Множеството форми на ензими могат да бъдат разделени на две категории:

• Изоензими
• Правилни форми за множествено число (вярно)

Изоензими- Това са ензими, чийто синтез е кодиран от различни гени, имат различни първични структури и различни свойства, но катализират една и съща реакция. Видове изоензими:

• Органични - ензими на гликолизата в черния дроб и мускулите.
• Клетъчна - цитоплазмена и митохондриална малат дехидрогеназа (ензимите са различни, но катализират една и съща реакция).
• Хибридни - ензими с кватернерна структура, се образуват в резултат на нековалентно свързване на отделни субединици (лактатдехидрогеназа - 4 субединици от 2 вида).
• Мутантни – образуват се в резултат на единична мутация на ген.
• Алоензими – кодирани от различни алели на един и същи ген.

Правилни форми за множествено число(true) са ензими, чийто синтез е кодиран от един и същ алел на един и същи ген, те имат същата първична структура и свойства, но след синтез върху рибозомите претърпяват модификация и стават различни, въпреки че катализират една и съща реакция.

Изоензимите са различни на генетично ниво и се различават от първичната последователност, а истинските множествени форми стават различни на пост-транслационно ниво.

медицинско значение

За първи път е установена връзката между ензимите и наследствените метаболитни заболявания А. Гарродомпрез 1910-те години Гаррод нарича болестите, свързани с ензимни дефекти, "вродени грешки на метаболизма".

Ако настъпи мутация в гена, кодиращ определен ензим, аминокиселинната последователност на ензима може да се промени. В същото време, в резултат на повечето мутации, неговата каталитична активност намалява или напълно изчезва. Ако един организъм получи два от тези мутантни гени (по един от всеки родител), химическата реакция, катализирана от този ензим, престава да протича в тялото. Например, появата на албиноси се свързва с прекратяването на производството на ензима тирозиназа, който е отговорен за един от етапите в синтеза на тъмния пигмент меланин. Фенилкетонурия се свързва с намалена или липсваща активност на ензима фенилаланин-4-хидроксилаза в черния дроб.

Понастоящем са известни стотици наследствени заболявания, свързани с ензимни дефекти. Разработени са методи за лечение и профилактика на много от тези заболявания.

Практическа употреба

Ензимите се използват широко в народното стопанство - хранително-вкусовата, текстилната промишленост, фармакологията и медицината. Повечето лекарства влияят върху хода на ензимните процеси в организма, като стартират или спират определени реакции.

Обхватът на използването на ензимите в научните изследвания и в медицината е още по-широк.

Бележки

Литература

• Волкенщайн М. В., Догонадзе Р. Р., Мадумаров А. К., Урушадзе З. Д., Харкац Ю. И. На теорията на ензимната катализа.- Молекулярна биология, том 6, бр. 3, 1972 г., чл. 431-439.
• Диксън, М. Ензими / М. Диксън, Е. Уеб. – В 3 тома – Пер. от английски. - Т.1-2. - М.: Мир, 1982. - 808 с.
Голяма медицинска енциклопедия

- (от лат. fermentum ферментация, закваска), ензими, биокатализатори, специфични. протеини, присъстващи във всички живи клетки и играещи ролята на биол. катализатори. Чрез тях се реализира ген. информация и всички процеси на обмен се извършват ... ... Биологичен енциклопедичен речник

- (лат. Fermentum квас, от fervere да бъде горещ). Органични вещества, които ферментират други органични тела, без самите те да се разлагат. Речник на чуждите думи, включени в руския език. Чудинов A.N., 1910. ЕНЗИМИ ... ... Речник на чуждите думи на руския език

- (от лат. fermentum закваска) (ензими) биологични катализатори, присъстващи във всички живи клетки. Извършват трансформацията на веществата в тялото, като по този начин насочват и регулират неговия метаболизъм. Химическата природа на протеините. Ензими ..... Голям енциклопедичен речник

- (от латински fermentum закваска), биологични катализатори, присъстващи във всички живи клетки. Извършват трансформации (метаболизъм) на вещества в тялото. Химическата природа на протеините. Участва в множество биохимични реакции в клетката ... ... Съвременна енциклопедия

Съществува., брой синоними: 2 биокатализатори (1) ензими (2) Речник на синонимите на ASIS. В.Н. Тришин. 2013 ... Речник на синонимите

Ензими. Вижте ензими. (