ENZYMY, substancje organiczne o charakterze białkowym, które są syntetyzowane w komórkach i wielokrotnie przyspieszają zachodzące w nich reakcje, nie ulegając przemianom chemicznym. Substancje o podobnym działaniu występują w przyrodzie nieożywionej i nazywane są katalizatorami.

Enzymy (z łac. fermentum - fermentacja, zaczyn) bywają nazywane enzymami (z greckiego en - inside, zyme - zakwas). Wszystkie żywe komórki zawierają bardzo duży zestaw enzymów, od których aktywności katalitycznej zależy funkcjonowanie komórek. Niemal każda z wielu różnych reakcji zachodzących w komórce wymaga udziału określonego enzymu. Badanie właściwości chemicznych enzymów i katalizowanych przez nie reakcji to szczególny, bardzo ważny obszar biochemii - enzymologia.

Wiele enzymów znajduje się w komórce w stanie wolnym, po prostu rozpuszczając się w cytoplazmie; inne są związane ze złożonymi, wysoce zorganizowanymi strukturami. Istnieją również enzymy, które normalnie znajdują się poza komórką; w ten sposób enzymy katalizujące rozkład skrobi i białek są wydzielane przez trzustkę do jelit. Wydzielają enzymy i wiele mikroorganizmów.

Działanie enzymów

Enzymy biorące udział w podstawowych procesach konwersji energii, takich jak rozkład cukrów, tworzenie i hydroliza wysokoenergetycznego związku adenozynotrifosforanu (ATP), są obecne we wszystkich typach komórek – zwierzęcych, roślinnych, bakteryjnych. Istnieją jednak enzymy wytwarzane tylko w tkankach niektórych organizmów.

Tak więc enzymy zaangażowane w syntezę celulozy znajdują się w komórkach roślinnych, ale nie w komórkach zwierzęcych. Dlatego ważne jest rozróżnienie między „uniwersalnymi” enzymami a enzymami specyficznymi dla niektórych typów komórek. Ogólnie rzecz biorąc, im bardziej wyspecjalizowana jest komórka, tym bardziej prawdopodobne jest, że zsyntetyzuje zestaw enzymów potrzebnych do pełnienia określonej funkcji komórkowej.

Cechą enzymów jest to, że mają wysoką specyficzność, tj. mogą przyspieszać tylko jedną reakcję lub reakcje jednego typu.

W 1890 r. E.G. Fisher zasugerował, że ta specyficzność wynika ze specjalnego kształtu cząsteczki enzymu, który dokładnie odpowiada kształtowi cząsteczki substratu. Ta hipoteza nazywana jest „kluczem i zamkiem”, gdzie klucz jest porównywany z podłożem, a zamek - z enzymem. Hipoteza jest taka, że ​​substrat pasuje do enzymu jak klucz do zamka. Selektywność działania enzymu związana jest ze strukturą jego centrum aktywnego.

Aktywność enzymatyczna

Przede wszystkim temperatura wpływa na aktywność enzymu. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta szybkość reakcji chemicznej. Szybkość cząsteczek wzrasta, mają większe szanse na zderzenie ze sobą. W związku z tym wzrasta prawdopodobieństwo wystąpienia między nimi reakcji. Temperatura zapewniająca największą aktywność enzymu jest optymalna.

Poza optymalną temperaturą szybkość reakcji spada z powodu denaturacji białka. Wraz ze spadkiem temperatury zmniejsza się również szybkość reakcji chemicznej. W momencie, gdy temperatura osiągnie punkt zamarzania, enzym jest inaktywowany, ale nie ulega denaturacji.

Klasyfikacja enzymów

W 1961 roku zaproponowano systematyczną klasyfikację enzymów na 6 grup. Ale nazwy enzymów okazały się bardzo długie i trudne do wymówienia, więc obecnie zwyczajowo nazywa się enzymy nazwami roboczymi. Robocza nazwa składa się z nazwy substratu, na który działa enzym, po której następuje końcówka „aza”. Na przykład, jeśli substancją jest laktoza, to znaczy cukier mleczny, to laktaza jest enzymem, który ją przekształca. Jeśli sacharoza (cukier zwykły), to enzym, który ją rozkłada, to sacharoza. W związku z tym enzymy rozkładające białka nazywane są proteinazami.

Różne procesy chemiczne są podstawą życia każdego organizmu. Główną rolę odgrywają w nich enzymy. Enzymy lub enzymy to naturalne biokatalizatory. W organizmie człowieka biorą czynny udział w procesie trawienia pokarmu, funkcjonowaniu ośrodkowego układu nerwowego oraz stymulacji wzrostu nowych komórek. Ze swej natury enzymy są białkami zaprojektowanymi w celu przyspieszenia różnych reakcji biochemicznych w organizmie. Rozkład białek, tłuszczów, węglowodanów i minerałów to procesy, w których enzymy są jednym z głównych składników aktywnych.

Istnieje wiele odmian enzymów, z których każdy ma działać na określoną substancję. Cząsteczki białka są unikalne i nie mogą się wzajemnie zastępować. Ich aktywność wymaga określonego zakresu temperatur. Dla ludzkich enzymów idealna jest normalna temperatura ciała. Tlen i światło słoneczne niszczą enzymy.

Ogólna charakterystyka enzymów

Będąc substancjami organicznymi pochodzenia białkowego, enzymy działają na zasadzie katalizatorów nieorganicznych, przyspieszając reakcje w komórkach, w których są syntetyzowane. Synonimem nazwy takich cząsteczek białka są enzymy. Prawie wszystkie reakcje w komórkach zachodzą przy udziale określonych enzymów. Są podzielone na dwie części. Pierwsza to bezpośrednio część białkowa, reprezentowana przez białko o strukturze trzeciorzędowej i nazywana apoenzymem, druga to aktywne centrum enzymu, zwane koenzymem. Te ostatnie mogą być substancjami organicznymi / nieorganicznymi i to on działa jako główny „akcelerator” reakcji biochemicznych w komórce. Obie części tworzą pojedynczą cząsteczkę białka zwaną holoenzymem.

Każdy enzym ma działać na określoną substancję, zwaną substratem. Wynik zachodzącej reakcji nazywany jest produktem. Nazwy samych enzymów dość często powstają na podstawie nazwy substratu z dodatkiem końcówki „-aza”. Na przykład enzym zaprojektowany do rozkładania kwasu bursztynowego (bursztynian) nazywany jest dehydrogenazą bursztynianową. Ponadto nazwa cząsteczki białka zależy od rodzaju reakcji, której realizację zapewnia. Dehydrogenazy odpowiadają więc za proces regeneracji i utleniania, a hydrolazy za rozszczepianie wiązań chemicznych.

Działanie enzymów różnego typu skierowane jest na określone substraty. Oznacza to, że udział cząsteczek białka w niektórych reakcjach biochemicznych jest indywidualny. Każdy enzym jest powiązany ze swoim substratem i może tylko z nim pracować. Za ciągłość tego połączenia odpowiada apoenzym.

Enzymy mogą przebywać w stanie wolnym w cytoplazmie komórki lub wchodzić w interakcje z bardziej złożonymi strukturami. Istnieją również pewne ich rodzaje, które działają poza komórką. Należą do nich np. enzymy rozkładające białka i skrobię. Ponadto enzymy mogą być wytwarzane przez różne mikroorganizmy.

Do badania enzymów i procesów zachodzących z ich udziałem przeznaczony jest osobny obszar nauk biochemicznych - enzymologia. Po raz pierwszy informacje o specjalnych cząsteczkach białek działających na zasadzie katalizatorów pojawiły się w wyniku badania procesów trawiennych i reakcji fermentacyjnych zachodzących w ludzkim organizmie. Znaczący wkład w rozwój współczesnej enzymologii przypisuje się L. Pasteurowi, który uważał, że wszystkie reakcje biochemiczne w organizmie zachodzą przy udziale wyłącznie żywych komórek. Nieożywionych „uczestników” takich reakcji po raz pierwszy ogłosił E. Buchner na początku XX wieku. Badaczowi udało się wówczas ustalić, że bezkomórkowy ekstrakt drożdżowy pełni rolę katalizatora w procesie fermentacji sacharozy, po której następuje uwalnianie alkoholu etylowego i dwutlenku węgla. To odkrycie było decydującym impulsem do szczegółowych badań tzw. katalizatorów dla różnych procesów biochemicznych w organizmie.

Już w 1926 roku wyizolowano pierwszy enzym, ureazę. Autorem odkrycia był J. Sumner, pracownik Uniwersytetu Cornell. Następnie, w ciągu jednej dekady, naukowcy wyizolowali szereg innych enzymów i ostatecznie udowodniono białkowy charakter wszystkich katalizatorów organicznych. Do tej pory świat zna ponad 700 różnych enzymów. Ale jednocześnie współczesna enzymologia nadal aktywnie bada, izoluje i bada właściwości niektórych rodzajów cząsteczek białka.

Enzymy: natura białka

Jak również enzymy zwykle dzieli się na proste i złożone. Te pierwsze to związki złożone z aminokwasów, takie jak trypsyna, pepsyna czy lizozym. Enzymy złożone, jak wspomniano powyżej, składają się z części białkowej z aminokwasami (apoenzym) oraz części niebiałkowej, zwanej kofaktorem. W bioreakcjach mogą brać udział tylko złożone enzymy. Ponadto, podobnie jak białka, enzymy są mono- i polimerami, to znaczy składają się z jednej lub więcej podjednostek.

Ogólne właściwości enzymów jako struktur białkowych to:

• efektywność działania, co oznacza znaczne przyspieszenie reakcji chemicznych w organizmie;
• selektywność do podłoża i rodzaj prowadzonej reakcji;
• wrażliwość na temperaturę, równowagę kwasowo-zasadową i inne niespecyficzne czynniki fizykochemiczne środowiska, w którym działają enzymy;
• wrażliwość na działanie odczynników chemicznych itp.

Główną rolą enzymów w organizmie człowieka jest przekształcanie niektórych substancji w inne, czyli substraty w produkty. Działają jako katalizatory w ponad 4 tysiącach biochemicznych reakcji życiowych. Zadaniem enzymów jest kierowanie i regulowanie procesów metabolicznych. Jako katalizatory nieorganiczne, enzymy mogą znacznie przyspieszyć bioreakcję do przodu i do tyłu. Warto zauważyć, że podczas ich działania równowaga chemiczna nie jest zaburzona. Zachodzące reakcje zapewniają rozpad i utlenianie składników odżywczych, które dostają się do komórek. Każda cząsteczka białka może wykonać ogromną liczbę czynności na minutę. Jednocześnie białko enzymów reagujące z różnymi substancjami pozostaje niezmienione. Energia wytworzona podczas utleniania składników odżywczych jest wykorzystywana przez komórkę w taki sam sposób, jak produkty rozpadu substancji niezbędnych do syntezy związków organicznych.

Dziś nie tylko preparaty enzymatyczne do celów medycznych znalazły szerokie zastosowanie. Enzymy wykorzystywane są również w przemyśle spożywczym i tekstylnym, we współczesnej farmakologii.

Klasyfikacja enzymów

Na posiedzeniu V Międzynarodowej Unii Biochemicznej, która odbyła się w Moskwie w 1961 r., przyjęto nowoczesną klasyfikację enzymów. Klasyfikacja ta implikuje ich podział na klasy, w zależności od rodzaju reakcji, w której enzym działa jak katalizator. Ponadto każda klasa enzymów jest podzielona na podklasy. Do ich oznaczenia stosuje się kod składający się z czterech liczb oddzielonych kropkami:

• pierwsza liczba wskazuje mechanizm reakcji, w której enzym działa jako katalizator;
• druga liczba wskazuje podklasę, do której należy enzym;
• trzecia liczba to podklasa opisanego enzymu;
• a czwarty to numer seryjny enzymu w podklasie, do której należy.

W sumie we współczesnej klasyfikacji enzymów wyróżnia się sześć klas enzymów, a mianowicie:

• Oksydoreduktazy to enzymy, które działają jak katalizatory w różnych reakcjach redoks zachodzących w komórkach. Ta klasa obejmuje 22 podklasy.
• Transferazy to klasa enzymów z 9 podklasami. Obejmuje enzymy, które zapewniają reakcje transportu między różnymi substratami, enzymy biorące udział w reakcjach wzajemnej konwersji substancji, a także neutralizacji różnych związków organicznych.
• Hydrolazy to enzymy, które rozbijają wiązania wewnątrzcząsteczkowe substratu poprzez przyłączanie do niego cząsteczek wody. Ta klasa ma 13 podklas.
• Liazy to klasa zawierająca tylko złożone enzymy. Ma siedem podklas. Enzymy należące do tej klasy pełnią rolę katalizatorów w reakcjach zrywania wiązań organicznych C-O, C-C, C-N i innych. Ponadto enzymy z klasy liaz biorą udział w odwracalnych reakcjach biochemicznego rozszczepienia w sposób niehydrolityczny.
• Izomerazy to enzymy pełniące rolę katalizatorów w chemicznych procesach przemian izomerycznych zachodzących w jednej cząsteczce. Podobnie jak w poprzedniej klasie, zawierają tylko złożone enzymy.
• Ligazy, inaczej zwane syntetazami, to klasa obejmująca sześć podklas i reprezentująca enzymy katalizujące proces łączenia dwóch cząsteczek pod wpływem ATP.

Kompozycja enzymów łączy w sobie odrębne obszary odpowiedzialne za wykonywanie określonych funkcji. Tak więc w składzie enzymów z reguły izolowane są centra aktywne i allosteryczne. Nawiasem mówiąc, ten ostatni nie występuje we wszystkich cząsteczkach białka. Miejsce aktywne to kombinacja reszt aminokwasowych odpowiedzialnych za kontakt z substratem i katalizę. Centrum aktywne z kolei podzielone jest na dwie części: kotwicową i katalityczną. Enzymy składające się z kilku monomerów mogą zawierać więcej niż jedno miejsce aktywne.

Centrum allosteryczne odpowiada za aktywność enzymów. Ta część enzymów zawdzięcza swoją nazwę temu, że jej przestrzenna konfiguracja nie ma nic wspólnego z cząsteczką substratu. Zmiana szybkości reakcji zachodzącej przy udziale enzymu jest determinowana przez wiązanie różnych cząsteczek z centrum allosterycznym. Enzymy zawierające w swoim składzie centra allosteryczne to białka polimeryczne.

Mechanizm działania enzymów

Działanie enzymów można podzielić na kilka etapów, w szczególności:

• pierwszy etap polega na przyłączeniu substratu do enzymu, w wyniku czego powstaje kompleks enzym-substrat;
• drugi etap polega na przekształceniu powstałego kompleksu w jeden lub kilka kompleksów przejściowych jednocześnie;
• trzeci etap to tworzenie kompleksu enzym-produkt;
• i wreszcie czwarty etap obejmuje oddzielenie końcowego produktu reakcji i enzymu, który pozostaje niezmieniony.

Ponadto działanie enzymów może zachodzić przy udziale różnych mechanizmów katalizy. W ten sposób rozróżnia się katalizę kwasowo-zasadową i kowalencyjną. W pierwszym przypadku w reakcji biorą udział enzymy, które w swoim centrum aktywnym zawierają określone reszty aminokwasowe. Takie grupy enzymów są doskonałymi katalizatorami wielu reakcji w organizmie. Kataliza kowalencyjna obejmuje działanie enzymów, które w kontakcie z substratami tworzą niestabilne kompleksy. Wynikiem takich reakcji jest tworzenie produktów poprzez przegrupowania wewnątrzcząsteczkowe.

Istnieją również trzy główne typy reakcji enzymatycznych:

• „Ping-pong” to reakcja, w której enzym łączy się z jednym substratem, zapożyczając od niego określone substancje, a następnie oddziałuje z innym substratem, dając mu powstałe grupy chemiczne.
• Reakcje sekwencyjne polegają na kolejnym dodawaniu do enzymu jednego, a potem drugiego substratu, w wyniku czego powstaje tzw. „kompleks potrójny”, w którym zachodzi kataliza.
• Interakcje losowe to reakcje, w których substraty oddziałują losowo z enzymem, a po katalizie są rozdzielane w tej samej kolejności.

Aktywność enzymów jest niestabilna i w dużej mierze zależy od różnych czynników środowiskowych, w których muszą działać. Tak więc głównymi wskaźnikami aktywności enzymów są czynniki wewnętrznego i zewnętrznego wpływu na komórkę. Aktywność enzymu mierzy się w katalach, pokazując ilość enzymu, który w ciągu sekundy przekształca 1 mol substratu, z którym oddziałuje. Międzynarodowa jednostka miary to E, pokazująca ilość enzymu zdolną do przekształcenia 1 µmol substratu w ciągu 1 minuty.

Hamowanie enzymów: proces

Jednym z głównych kierunków we współczesnej medycynie, aw szczególności enzymologii, jest rozwój metod kontroli szybkości reakcji metabolicznych zachodzących z udziałem enzymów. Hamowanie jest powszechnie określane jako zmniejszenie aktywności enzymatycznej poprzez zastosowanie różnych związków. W związku z tym substancja, która zapewnia specyficzny spadek aktywności cząsteczek białka, nazywana jest inhibitorem. Istnieją różne rodzaje zahamowań. Tak więc, w zależności od siły wiązania enzymu z inhibitorem, proces ich oddziaływania może być odwracalny, a zatem nieodwracalny. W zależności od tego, jak inhibitor działa na miejsce aktywne enzymu, proces hamowania może być konkurencyjny lub niekonkurencyjny.

Aktywacja enzymatyczna w organizmie

W przeciwieństwie do hamowania, aktywacja enzymów oznacza zwiększenie ich działania w toczących się reakcjach. Substancje, które pozwalają uzyskać pożądany efekt, nazywane są aktywatorami. Takie substancje mogą mieć charakter organiczny lub nieorganiczny. Na przykład, jako organiczne aktywatory mogą działać kwasy żółciowe, glutation, enterokinaza, witamina C, różne enzymy tkankowe itp. Jako aktywatory nieorganiczne można zastosować pepsynogen i jony różnych metali, najczęściej dwuwartościowych.

Różne enzymy, reakcje zachodzące z ich udziałem, a także ich wynik, znalazły szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach. Od wielu lat działanie enzymów jest aktywnie wykorzystywane w przemyśle spożywczym, skórzanym, tekstylnym, farmaceutycznym i wielu innych. Na przykład za pomocą naturalnych enzymów naukowcy starają się zwiększyć wydajność fermentacji alkoholowej w produkcji napojów alkoholowych, poprawić jakość żywności, opracować nowe metody odchudzania itp. Warto jednak zauważyć, że zastosowanie enzymów w różne gałęzie przemysłu w porównaniu ze stosowaniem katalizatorów chemicznych znacznie tracą. Wszak główną trudnością w realizacji takiego zadania w praktyce jest niestabilność termiczna enzymów i ich zwiększona wrażliwość na działanie różnych czynników. Niemożliwe jest również ponowne wykorzystanie enzymów w produkcji ze względu na trudność w oddzieleniu ich od gotowych produktów przeprowadzonych reakcji.

Ponadto działanie enzymów znalazło aktywne zastosowanie w medycynie, przemyśle rolniczym i chemicznym. Zastanówmy się bardziej szczegółowo, jak i gdzie można wykorzystać działanie enzymów:

Przemysł spożywczy. Każdy wie, że dobre ciasto powinno rosnąć i pęcznieć podczas pieczenia. Ale nie wszyscy rozumieją dokładnie, jak to się dzieje. W mące, z której robi się ciasto, znajduje się wiele różnych enzymów. Tak więc amylaza w składzie mąki bierze udział w procesie rozkładu skrobi, w którym aktywnie uwalniany jest dwutlenek węgla, przyczyniając się do tak zwanego „pęcznienia” ciasta. Lepkość ciasta i zatrzymywanie w nim CO2 zapewnia działanie enzymu zwanego proteazą, który znajduje się również w mące. Okazuje się, że takie by się wydawało. proste rzeczy, takie jak robienie ciasta do pieczenia, wymagają skomplikowanych procesów chemicznych. Również niektóre enzymy, reakcje zachodzące z ich udziałem, zyskały szczególne zapotrzebowanie w dziedzinie produkcji alkoholu. W drożdżach stosuje się różne enzymy, aby zapewnić jakość procesu fermentacji alkoholowej. Ponadto niektóre enzymy (takie jak papaina lub pepsyna) pomagają rozpuszczać osad w napojach alkoholowych. Enzymy są również aktywnie wykorzystywane w produkcji fermentowanych produktów mlecznych i serów.

W przemyśle skórzanym enzymy są wykorzystywane do efektywnego rozkładania białek, co jest najważniejsze przy usuwaniu uporczywych plam z różnych produktów spożywczych, krwi itp.

Celulazę można wykorzystać do produkcji środków piorących. Ale przy stosowaniu takich proszków, aby uzyskać podany wynik, należy przestrzegać dopuszczalnego reżimu temperaturowego prania.

Ponadto w produkcji dodatków paszowych wykorzystuje się enzymy zwiększające ich wartość odżywczą, hydrolizujące białka i polisacharydy nieskrobiowe. W przemyśle tekstylnym enzymy umożliwiają zmianę właściwości powierzchni tekstyliów, aw przemyśle celulozowo-papierniczym usuwanie tuszu i tonerów podczas recyklingu papieru.

Ogromna rola enzymów w życiu współczesnego człowieka jest niezaprzeczalna. Nawet dzisiaj ich właściwości są aktywnie wykorzystywane w różnych dziedzinach, ale wciąż poszukuje się nowych zastosowań unikalnych właściwości i funkcji enzymów.

Enzymy ludzkie a choroby dziedziczne

Wiele chorób rozwija się na tle enzymopatii - naruszenia funkcji enzymów. Przydziel pierwotne i wtórne enzymopatie. Zaburzenia pierwotne są dziedziczne, wtórne - nabyte. Enzymopatie dziedziczne są zwykle klasyfikowane jako choroby metaboliczne. Dziedziczenie defektów genetycznych lub zmniejszona aktywność enzymów następuje głównie w sposób autosomalny recesywny. Na przykład choroba, taka jak fenyloketonuria, jest wynikiem defektu enzymu, takiego jak 4-monooksygenaza fenyloalaniny. Enzym ten jest zwykle odpowiedzialny za konwersję fenyloalaniny do tyrozyny. W wyniku naruszenia funkcji enzymu dochodzi do akumulacji nieprawidłowych metabolitów fenyloalaniny, które są toksyczne dla organizmu.

Nazywane również enzymopatiami, których rozwój jest spowodowany naruszeniem metabolizmu zasad purynowych i w rezultacie stabilnym wzrostem poziomu kwasu moczowego we krwi. Galaktozemia to kolejna choroba spowodowana dziedziczną dysfunkcją enzymów. Ta patologia rozwija się z powodu naruszenia metabolizmu węglowodanów, w którym organizm nie może przekształcić galaktozy w glukozę. Konsekwencją takiego naruszenia jest nagromadzenie galaktozy i jej produktów przemiany materii w komórkach, co prowadzi do uszkodzenia wątroby, ośrodkowego układu nerwowego i innych ważnych układów organizmu. Głównymi objawami galaktozemii są biegunka, wymioty pojawiające się bezpośrednio po urodzeniu dziecka, żółtaczka zaporowa, zaćma oraz opóźniony rozwój fizyczny i intelektualny.

Do enzymopatii dziedzicznych, inaczej nazywanych enzymopatologiami, należą również różne glikogenozy i lipidozy. Rozwój takich zaburzeń wynika z niskiej aktywności enzymatycznej w organizmie człowieka lub jej całkowitego braku. Dziedzicznym defektom metabolicznym z reguły towarzyszy rozwój chorób o różnym stopniu nasilenia. Jednocześnie niektóre enzymopatie mogą przebiegać bezobjawowo i są określane dopiero po przeprowadzeniu odpowiednich procedur diagnostycznych. Generalnie jednak pierwsze objawy dziedzicznych zaburzeń metabolicznych pojawiają się już we wczesnym dzieciństwie. Zdarza się to rzadziej u starszych dzieci, a jeszcze częściej u dorosłych.

W diagnostyce enzymopatii dziedzicznych ważną rolę odgrywa genealogiczna metoda badań. Jednocześnie eksperci sprawdzają reakcje enzymów w laboratorium. Fermentopatia dziedziczna może prowadzić do zaburzeń w produkcji hormonów, które mają szczególne znaczenie dla pełnego funkcjonowania organizmu. Na przykład kora nadnerczy wytwarza glukokortykoidy odpowiedzialne za regulację metabolizmu węglowodanów, mineralokortykosteroidy biorące udział w metabolizmie wody i soli, a także hormony androgenne, które bezpośrednio wpływają na rozwój drugorzędowych cech płciowych u młodzieży. Tak więc naruszenie produkcji tych hormonów może prowadzić do rozwoju wielu patologii z różnych układów narządów.

Proces przetwarzania żywności w organizmie człowieka zachodzi przy udziale różnych enzymów trawiennych. W procesie trawienia pokarmu wszystkie substancje rozkładają się na małe cząsteczki, ponieważ tylko związki o niskiej masie cząsteczkowej są w stanie przeniknąć przez ścianę jelita i zostać wchłonięte do krwiobiegu. Szczególną rolę w tym procesie odgrywają enzymy rozkładające białka na aminokwasy, glicerol i kwasy tłuszczowe oraz skrobię na cukry. Rozpad białek zapewnia działanie enzymu pepsyny, który znajduje się w głównym narządzie układu pokarmowego – żołądku. Część enzymów trawiennych produkowana jest w jelitach przez trzustkę. W szczególności są to:

• trypsyna i chymotrypsyna, których głównym celem jest hydroliza białek;
• amylaza – enzymy rozkładające tłuszcze;
• lipaza – enzymy trawienne rozkładające skrobię.

Enzymy trawienne takie jak trypsyna, pepsyna, chymotrypsyna są produkowane w formie proenzymów i dopiero po dostaniu się do żołądka i jelit stają się aktywne. Ta cecha chroni tkanki żołądka i trzustki przed ich agresywnym działaniem. Dodatkowo wewnętrzna powłoka tych narządów pokryta jest dodatkowo warstwą śluzu, co zapewnia ich jeszcze większe bezpieczeństwo.

Niektóre enzymy trawienne są również produkowane w jelicie cienkim. Za przetwarzanie celulozy, która dostaje się do organizmu wraz z pokarmami roślinnymi, odpowiada enzym o spółgłoskowej nazwie celulazy. Innymi słowy, praktycznie każda część przewodu pokarmowego wytwarza enzymy trawienne, od gruczołów ślinowych po okrężnicę. Każdy rodzaj enzymu spełnia swoje funkcje, zapewniając razem wysokiej jakości trawienie pokarmu i pełne wchłanianie wszystkich przydatnych substancji w organizmie.

enzymy trzustkowe

Trzustka jest narządem o mieszanej wydzielinie, to znaczy pełni zarówno funkcje endo-, jak i egzogenne. Trzustka, jak wspomniano powyżej, wytwarza szereg enzymów, które aktywują się pod wpływem żółci, która wraz z enzymami dostaje się do narządów trawiennych. Enzymy trzustkowe są odpowiedzialne za rozkładanie tłuszczów, białek i węglowodanów na proste cząsteczki, które mogą przejść przez błonę komórkową do krwiobiegu. Tak więc dzięki enzymom trzustki dochodzi do całkowitej asymilacji przydatnych substancji, które dostają się do organizmu wraz z pożywieniem. Rozważmy bardziej szczegółowo działanie enzymów syntetyzowanych przez komórki tego narządu przewodu pokarmowego:

• amylaza wraz z enzymami jelita cienkiego, takimi jak maltaza, inwertaza i laktaza, zapewniają proces rozkładu węglowodanów złożonych;
• proteazy, inaczej określane jako enzymy proteolityczne w organizmie człowieka, są reprezentowane przez trypsynę, karboksypeptydazę i elastazę i są odpowiedzialne za rozkład białek;
• nukleazy - enzymy trzustkowe, reprezentowane przez dezoksyrybonukleazę i rybonukleazę, działające na aminokwasy RNA, DNA;
• lipaza jest enzymem trzustkowym odpowiedzialnym za przekształcanie tłuszczów w kwasy tłuszczowe.

Trzustka syntetyzuje również fosfolipazę, esterazę i fosfatazę alkaliczną.

Najniebezpieczniejsze w formie aktywnej są enzymy proteolityczne wytwarzane przez organizm. Jeśli proces ich wytwarzania i uwalniania do innych narządów układu pokarmowego jest zaburzony, enzymy są aktywowane bezpośrednio w trzustce, co prowadzi do rozwoju ostrego zapalenia trzustki i związanych z nim powikłań. Inhibitorami enzymów proteolitycznych, które mogą spowolnić ich działanie, są polipeptyd trzustkowy i glukagon, somatostatyna, peptyd YY, enkefalina i pankreastatyna. Inhibitory te mogą hamować produkcję enzymów trzustkowych poprzez oddziaływanie na aktywne elementy układu pokarmowego.

Główne procesy trawienia pokarmu dostającego się do organizmu zachodzą w jelicie cienkim. W tym odcinku przewodu żołądkowo-jelitowego syntetyzowane są również enzymy, których proces aktywacji zachodzi w połączeniu z enzymami trzustki i pęcherzyka żółciowego. Jelito cienkie jest częścią przewodu pokarmowego, w której zachodzą końcowe etapy hydrolizy składników odżywczych, które dostają się do organizmu wraz z pożywieniem. Syntetyzuje różne enzymy, które rozkładają oligo- i polimery na monomery, które mogą być łatwo wchłonięte przez błonę śluzową jelita cienkiego i przedostać się do limfy i krwiobiegu.

Pod wpływem enzymów jelita cienkiego zachodzi proces rozszczepiania białek, które uległy wstępnej przemianie w żołądku w aminokwasy, węglowodany złożone w monosacharydy, tłuszcze w kwasy tłuszczowe i glicerol. W składzie soku jelitowego znajduje się ponad 20 rodzajów enzymów biorących udział w procesie trawienia pokarmu. Przy udziale enzymów trzustkowych i jelitowych zapewniony jest pełny rozwój treści pokarmowej (pokarm częściowo strawiony). Wszystkie procesy w jelicie cienkim zachodzą w ciągu 4 godzin po wejściu treści pokarmowej do tego odcinka przewodu pokarmowego.

Ważną rolę w trawieniu pokarmu w jelicie cienkim odgrywa żółć, która podczas trawienia przedostaje się do dwunastnicy. W samej żółci nie ma enzymów, ale ten płyn biologiczny wzmacnia działanie enzymów. Najważniejsza jest żółć rozkładająca tłuszcze, zamieniająca je w emulsję. Taki zemulgowany tłuszcz jest znacznie szybciej rozkładany pod wpływem enzymów. Kwasy tłuszczowe, wchodząc w interakcje z kwasami żółciowymi, przekształcają się w łatwo rozpuszczalne związki. Dodatkowo wydzielanie żółci stymuluje perystaltykę jelit oraz produkcję soku trawiennego przez trzustkę.

Sok jelitowy jest syntetyzowany przez gruczoły znajdujące się w błonie śluzowej jelita cienkiego. Skład takiego płynu zawiera enzymy trawienne, a także enterokinazę, mającą na celu aktywację działania trypsyny. Ponadto sok jelitowy zawiera enzym zwany erepsyną, niezbędny do ostatniego etapu rozpadu białek, enzymy działające na różne rodzaje węglowodanów (na przykład amylazę i laktazę) oraz lipazę służącą do przekształcania tłuszczów.

enzymy żołądkowe

Proces trawienia pokarmu przebiega etapami w każdym odcinku przewodu pokarmowego. Tak więc zaczyna się w jamie ustnej, gdzie jedzenie jest miażdżone przez zęby i mieszane ze śliną. Ślina zawiera enzymy rozkładające cukier i skrobię. Po jamie ustnej zmiażdżony pokarm wchodzi do przełyku do żołądka, gdzie rozpoczyna się kolejny etap jego trawienia. Głównym enzymem żołądkowym jest pepsyna, zaprojektowana do przekształcania białek w peptydy. Również w żołądku znajduje się żelatynaza - enzym, proces rozszczepiania kolagenu i żelatyny, dla którego głównym zadaniem jest. Ponadto pokarm w jamie tego narządu jest narażony na działanie odpowiednio amylazy i lipazy, które rozkładają skrobię i tłuszcze.

Zdolność organizmu do pozyskiwania wszystkich niezbędnych składników odżywczych zależy od jakości procesu trawienia. Rozszczepienie złożonych cząsteczek na wiele prostych zapewnia ich dalsze wchłanianie do krwi i limfy w kolejnych etapach trawienia w innych częściach przewodu pokarmowego. Niewystarczająca produkcja enzymów żołądkowych może powodować rozwój różnych chorób.

Enzymy wątrobowe mają ogromne znaczenie dla przebiegu różnych procesów biochemicznych w organizmie. Funkcje cząsteczek białek wytwarzanych przez ten narząd są tak liczne i różnorodne, że wszystkie enzymy wątrobowe dzieli się zwykle na trzy główne grupy:

• Enzymy sekrecyjne przeznaczone do regulacji procesu krzepnięcia krwi. Należą do nich cholinoesteraza i protrombinaza.
• Enzymy wskaźnikowe wątroby, w tym aminotransferaza asparaginianowa, w skrócie AST, aminotransferaza alaninowa, z odpowiednim oznaczeniem ALT i dehydrogenaza mleczanowa, LDH. Wymienione enzymy sygnalizują uszkodzenie tkanek narządu, w którym niszczone są hepatocyty, „opuszczają” komórki wątroby i dostają się do krwioobiegu;
• Enzymy wydalnicze są wytwarzane przez wątrobę i opuszczają narząd wraz z potem żółciowym. Te enzymy obejmują fosfatazę alkaliczną. Wraz z naruszeniem odpływu żółci z narządu wzrasta poziom fosfatazy alkalicznej.

Naruszenie pracy niektórych enzymów wątrobowych w przyszłości może prowadzić do rozwoju różnych chorób lub sygnalizować ich obecność w chwili obecnej.

Jednym z najbardziej pouczających testów na choroby wątroby jest biochemia krwi, która pozwala określić poziom enzymów wskaźnikowych AST, ATL. Tak więc normalne wskaźniki aminotransferazy asparaginianowej dla kobiety wynoszą 20-40 U / l, a dla silniejszego seksu - 15-31 U / l. Wzrost aktywności tego enzymu może wskazywać na uszkodzenie hepatocytów o charakterze mechanicznym lub martwiczym. Zawartość aminotransferazy alaninowej w normie nie powinna przekraczać 12-32 U/l u kobiet, au mężczyzn aktywność ALT w zakresie 10-40 U/l uważa się za normalną. Dziesięciokrotny wzrost aktywności ALT może wskazywać na rozwój chorób zakaźnych narządu, a nawet na długo przed pojawieniem się ich pierwszych objawów.

Dodatkowe badania aktywności enzymów wątrobowych są z reguły wykorzystywane do diagnostyki różnicowej. W tym celu można przeprowadzić analizę LDH, GGT i GlDH:

Normą aktywności dehydrogenazy mleczanowej jest wskaźnik w zakresie 140-350 U/l.

Podwyższony poziom GDH może być oznaką dystroficznych zmian narządu, ciężkiego zatrucia, chorób o charakterze zakaźnym lub onkologii. Maksymalny dopuszczalny wskaźnik takiego enzymu dla kobiet wynosi 3,0 U / l, a dla mężczyzn - 4,0 U / l.

Norma aktywności enzymu GGT dla mężczyzn wynosi do 55 U / l, dla kobiet - do 38 U / l. Odchylenia od tej normy mogą wskazywać na rozwój cukrzycy, a także choroby dróg żółciowych. W takim przypadku wskaźnik aktywności enzymu może wzrosnąć dziesięciokrotnie. Ponadto GGT we współczesnej medycynie służy do określania hepatozy alkoholowej.

Enzymy syntetyzowane przez wątrobę pełnią różne funkcje. Tak więc niektóre z nich, wraz z żółcią, są wydalane z organizmu przez drogi żółciowe i biorą czynny udział w procesie trawienia pokarmu. Uderzającym tego przykładem jest fosfataza alkaliczna. Normalny wskaźnik aktywności tego enzymu we krwi powinien mieścić się w zakresie 30-90 U / l. Warto zauważyć, że u samców liczba ta może osiągnąć 120 U/l (przy intensywnych procesach metabolicznych liczba ta może wzrosnąć).

Enzymy krwi

Oznaczanie aktywności enzymów i ich zawartości w organizmie jest jedną z głównych metod diagnostycznych w określaniu różnych chorób. Tak więc enzymy krwi zawarte w jej osoczu mogą wskazywać na rozwój patologii wątroby, procesów zapalnych i martwiczych w komórkach tkankowych, chorób układu sercowo-naczyniowego itp. Enzymy krwi są zwykle podzielone na dwie grupy. Pierwsza grupa obejmuje enzymy uwalniane do osocza krwi przez niektóre narządy. Na przykład wątroba wytwarza tzw. prekursory enzymów niezbędnych do funkcjonowania układu krzepnięcia krwi.

Druga grupa ma znacznie większą liczbę enzymów krwi. W ciele zdrowej osoby takie cząsteczki białka nie mają fizjologicznego znaczenia w osoczu krwi, ponieważ działają wyłącznie na poziomie wewnątrzkomórkowym w narządach i tkankach, przez które są wytwarzane. Normalnie aktywność takich enzymów powinna być niska i stała. Kiedy komórki ulegają uszkodzeniu, czemu towarzyszą różne choroby, zawarte w nich enzymy są uwalniane i dostają się do krwioobiegu. Przyczyną tego mogą być procesy zapalne i martwicze. W pierwszym przypadku uwalnianie enzymów następuje z powodu naruszenia przepuszczalności błony komórkowej, w drugim - z powodu naruszenia integralności komórek. Jednocześnie im wyższy poziom enzymów we krwi, tym większy stopień uszkodzenia komórek.

Analiza biochemiczna pozwala określić aktywność niektórych enzymów w osoczu krwi. Jest aktywnie wykorzystywany w diagnostyce różnych chorób wątroby, serca, mięśni szkieletowych i innych rodzajów tkanek w ludzkim ciele. Ponadto tak zwana diagnostyka enzymatyczna przy określaniu niektórych chorób uwzględnia subkomórkową lokalizację enzymów. Wyniki takich badań pozwalają nam dokładnie określić, jakie procesy zachodzą w organizmie. Tak więc w procesach zapalnych w tkankach enzymy krwi mają lokalizację cytozolową, aw zmianach martwiczych określa się obecność enzymów jądrowych lub mitochondrialnych.

Należy zauważyć, że wzrost zawartości enzymów we krwi nie zawsze wynika z uszkodzenia tkanek. Aktywną patologiczną proliferację tkanek w organizmie, w szczególności z rakiem, zwiększoną produkcją niektórych enzymów lub naruszeniem zdolności wydalniczej nerek można również określić zwiększoną zawartością niektórych enzymów we krwi.

We współczesnej medycynie szczególne miejsce zajmuje stosowanie różnych enzymów do celów diagnostycznych i terapeutycznych. Również enzymy znalazły swoje zastosowanie jako specyficzne odczynniki, które pozwalają dokładnie oznaczać różne substancje. Na przykład podczas wykonywania analizy w celu określenia poziomu glukozy w moczu i surowicy krwi nowoczesne laboratoria wykorzystują oksydazę glukozową. Ureaza służy do oceny ilościowej zawartości mocznika w badaniach moczu i krwi. Różne rodzaje dehydrogenaz umożliwiają dokładne określenie obecności różnych substratów (mleczan, pirogronian, alkohol etylowy itp.).

Wysoka immunogenność enzymów znacznie ogranicza ich zastosowanie do celów terapeutycznych. Mimo to aktywnie rozwija się tak zwana terapia enzymatyczna, wykorzystująca enzymy (preparaty z ich zawartością), jako środek terapii zastępczej lub element kompleksowego leczenia. Terapię zastępczą stosuje się w chorobach przewodu pokarmowego, których rozwój spowodowany jest niewystarczającą produkcją soku trawiennego. Przy niedoborze enzymów trzustkowych ich niedobór można zrekompensować poprzez doustne podawanie leków, w których są obecne.

Jako dodatkowy element w kompleksowym leczeniu enzymy mogą być stosowane w różnych schorzeniach. Na przykład takie enzymy proteolityczne jak trypsyna i chymotrypsyna są stosowane w leczeniu ran ropnych. Preparaty zawierające enzymy dezoksyrybonukleazę i rybonukleazę stosuje się w leczeniu adenowirusowego zapalenia spojówek lub opryszczkowego zapalenia rogówki. Preparaty enzymatyczne znajdują również zastosowanie w leczeniu zakrzepicy i choroby zakrzepowo-zatorowej, chorób onkologicznych itp. Ich zastosowanie ma znaczenie przy resorpcji przykurczów oparzeniowych i blizn pooperacyjnych.

Zastosowanie enzymów we współczesnej medycynie jest bardzo różnorodne i obszar ten stale się rozwija, co pozwala na ciągłe znajdowanie nowych i skuteczniejszych metod leczenia niektórych schorzeń.

Enzymy trawienne- Są to substancje o charakterze białkowym, które są wytwarzane w przewodzie pokarmowym. Zapewniają proces trawienia pokarmu i stymulują jego przyswajanie.

Główną funkcją enzymów trawiennych jest rozkład substancji złożonych na prostsze, łatwo przyswajalne w jelicie człowieka.

Działanie cząsteczek białka skierowane jest na następujące grupy substancji:

• białka i peptydy;
• oligo- i polisacharydy;
• tłuszcze, lipidy;
• nukleotydy.

Rodzaje enzymów

1. Pepsyna. Enzym to substancja wytwarzana w żołądku. Działa na cząsteczki białka w składzie pokarmu, rozkładając je na elementarne składniki – aminokwasy.
2. Trypsyna i chymotrypsyna. Substancje te należą do grupy enzymów trzustkowych wytwarzanych przez trzustkę i dostarczanych do dwunastnicy. Tutaj działają również na cząsteczki białka.
3. Amylasa. Enzym odnosi się do substancji rozkładających cukry (węglowodany). Amylaza wytwarzana jest w jamie ustnej i jelicie cienkim. Rozkłada jeden z głównych polisacharydów – skrobię. Rezultatem jest mały węglowodan zwany maltozą.
4. maltański. Enzym działa również na węglowodany. Jej specyficznym podłożem jest maltoza. Rozkłada się na 2 cząsteczki glukozy, które są wchłaniane przez ścianę jelita.
5. Sukraza. Białko działa na inny powszechny disacharyd, sacharozę, który znajduje się w każdej żywności o wysokiej zawartości węglowodanów. Węglowodany rozkładają się na fruktozę i glukozę, które są łatwo przyswajalne przez organizm.
6. Laktaza. Specyficznym enzymem oddziałującym na węglowodany z mleka jest laktoza. Po rozkładzie powstają inne produkty - glukoza i galaktoza.
7. Nukleazy. Enzymy z tej grupy działają na kwasy nukleinowe – DNA i RNA, które znajdują się w żywności. Substancje po ich uderzeniu rozkładają się na osobne składniki - nukleotydy.
8. Nukleotydaza. Druga grupa enzymów działających na kwasy nukleinowe to nukleotydazy. Rozkładają nukleotydy na mniejsze składniki - nukleozydy.
9. Karboksypeptydaza. Enzym działa na małe cząsteczki białka – peptydy. W wyniku tego procesu powstają poszczególne aminokwasy.
10. Lipaza. Substancja rozkłada tłuszcze i lipidy dostające się do układu pokarmowego. W tym przypadku powstają ich części składowe - alkohol, gliceryna i kwasy tłuszczowe.

Brak enzymów trawiennych

Niewystarczająca produkcja enzymów trawiennych jest poważnym problemem wymagającym pomocy medycznej. Przy niewielkiej ilości enzymów endogennych żywność nie może być normalnie trawiona w jelicie człowieka.

Jeśli substancje nie są trawione, nie mogą być wchłaniane w jelitach. Układ pokarmowy jest w stanie przyswoić tylko małe fragmenty cząsteczek organicznych. Duże składniki, które są częścią żywności, nie będą w stanie przynieść korzyści osobie. W rezultacie w organizmie może wystąpić niedobór niektórych substancji.

Brak węglowodanów czy tłuszczów doprowadzi do tego, że organizm straci „paliwo” do energicznej aktywności. Niedobór białka pozbawia organizm człowieka budulca, jakim są aminokwasy. Ponadto niestrawność prowadzi do zmiany charakteru kału, co może niekorzystnie wpłynąć na charakter.

Powody

• procesy zapalne w jelitach i żołądku;
• zaburzenia odżywiania (przejadanie się, niewystarczająca obróbka cieplna);
• choroby metaboliczne;
• zapalenie trzustki i inne choroby trzustki;
• uszkodzenie wątroby i dróg żółciowych;
• wrodzone patologie układu enzymatycznego;
• konsekwencje pooperacyjne (niewydolność enzymów z powodu usunięcia części układu pokarmowego);
• działanie lecznicze na żołądek i jelita;
• ciąża;

Objawy

Długotrwałemu utrzymywaniu się niewydolności trawiennej towarzyszy pojawienie się ogólnych objawów związanych ze zmniejszonym przyjmowaniem składników odżywczych w organizmie. Ta grupa obejmuje następujące objawy kliniczne:

• ogólna słabość;
• spadek zdolności do pracy;
• ból głowy;
• zaburzenia snu;
• zwiększona drażliwość;
• w ciężkich przypadkach objawy niedokrwistości spowodowane niewystarczającym wchłanianiem żelaza.

Nadmiar enzymów trawiennych

Nadmiar enzymów trawiennych najczęściej obserwuje się w stanach takich jak zapalenie trzustki. Stan ten jest związany z nadprodukcją tych substancji przez komórki trzustki i naruszeniem ich wydalania do jelita. W związku z tym w tkance narządu rozwija się aktywny stan zapalny spowodowany działaniem enzymów.

Objawy zapalenia trzustki mogą obejmować:

• silny ból brzucha;
• mdłości;
• wzdęcia;
• naruszenie charakteru krzesła.

Często rozwija się ogólne pogorszenie stanu pacjenta. Pojawia się ogólne osłabienie, drażliwość, zmniejsza się masa ciała, zaburzony jest normalny sen.

Jak wykryć naruszenia w syntezie enzymów trawiennych?

Podstawowe zasady terapii zaburzeń enzymatycznych

Zmiana w produkcji enzymów trawiennych to powód do wizyty u lekarza. Po kompleksowym badaniu lekarz określi przyczynę naruszeń i zaleci odpowiednie leczenie. Nie zaleca się samodzielnego zajmowania się patologią.

Ważnym elementem leczenia jest prawidłowe odżywianie. Pacjentowi przepisuje się odpowiednią dietę, która ma na celu ułatwienie trawienia pokarmu. Należy unikać przejadania się, ponieważ wywołuje to zaburzenia jelitowe. Pacjenci otrzymują przepisaną terapię lekową, w tym leczenie substytucyjne.

Konkretne środki i ich dawki są wybierane przez lekarza.

Enzymy (Enzymy) to specyficzne białka, biologicznie aktywne substancje organiczne, które przyspieszają reakcje chemiczne w komórce. Ogromna rola enzymów w organizmie. Mogą zwiększyć szybkość reakcji ponad dziesięciokrotnie. Jest po prostu niezbędny do normalnego funkcjonowania komórki. A enzymy biorą udział w każdej reakcji.

W ciele wszystkich żywych istot, w tym nawet najbardziej prymitywnych mikroorganizmów, znaleziono enzymy. Enzymy, ze względu na swoje działanie katalityczne, są bardzo ważne dla prawidłowego funkcjonowania naszego organizmu.

Kluczowe enzymy w organizmie

Życie ludzkiego ciała opiera się na tysiącach reakcji chemicznych zachodzących w komórkach. Każdy z nich realizowany jest przy udziale specjalnych akceleratorów – biokatalizatorów, czyli enzymów.

Enzymy pełnią rolę katalizatorów w niemal wszystkich reakcjach biochemicznych zachodzących w organizmach żywych. Do 2013 roku opisano ponad 5000 różnych enzymów.

Współczesna nauka zna około dwóch tysięcy biokatalizatorów. Skupmy się na tzw kluczowe enzymy . Należą do nich najistotniejsze biokatalizatory dla życia organizmu, których „rozbicie” z reguły prowadzi do wystąpienia chorób. Staramy się odpowiedzieć na pytanie: jak ten enzym działa w zdrowym organizmie i co się z nim dzieje w procesie choroby człowieka?

Wiadomo, że najważniejsze biopolimery, które stanowią podstawę wszystkich żywych istot (wszystkie części składowe komórek naszego ciała i wszystkie enzymy są z nich zbudowane) mają charakter białkowy. Z kolei białka składają się z prostych związków azotowych – aminokwasów, połączonych wiązaniami chemicznymi – wiązaniami peptydowymi. W organizmie znajdują się specjalne enzymy, które rozdzielają te wiązania poprzez przyłączanie cząsteczek wody (reakcja hydrolizy). Takie enzymy nazywane są hydrolazami peptydowymi. Pod ich wpływem w cząsteczkach białek rozpadają się wiązania chemiczne między aminokwasami i powstają fragmenty cząsteczek białek – peptydy, składające się z różnej liczby aminokwasów. Peptydy o wysokiej aktywności biologicznej mogą nawet powodować zatrucie organizmu. Ostatecznie, po wystawieniu na działanie hydrolaz peptydowych, peptydy tracą lub znacznie zmniejszają swoją aktywność biologiczną.

W 1979 r. prof. Teraz znajduje się na międzynarodowej liście pod nazwą enzymu karboksykatepsyna. Badania pozwoliły zbliżyć się do odpowiedzi na pytanie: po co zdrowy organizm potrzebuje karboksykaeptyny i co może się stać w wyniku pewnych zmian w jego strukturze.

Okazało się, że karboksykatepsyna bierze udział zarówno w tworzeniu peptydu angiotensyny B, który podwyższa ciśnienie krwi, jak i w niszczeniu innego peptydu, bradykininy, która przeciwnie ma zdolność obniżania ciśnienia krwi.

Tym samym karboksykatepsyna okazała się kluczowym katalizatorem zaangażowanym w pracę jednego z najważniejszych układów biochemicznych organizmu – układu regulacji ciśnienia krwi. Im większa aktywność karboksykatepsyny, tym wyższe stężenie angiotensyny II i niższe stężenie bradykininy, a to z kolei prowadzi do wzrostu ciśnienia krwi. Nic dziwnego, że u osób cierpiących na nadciśnienie zwiększa się aktywność karboksy-katepsyny we krwi. Definicja tego wskaźnika pomaga lekarzom ocenić skuteczność środków terapeutycznych, przewidzieć przebieg choroby.

Czy możliwe jest zahamowanie działania karboksytepsyny bezpośrednio w organizmie człowieka i tym samym uzyskanie obniżenia ciśnienia krwi? Badania prowadzone w naszym instytucie wykazały, że w przyrodzie istnieją peptydy, które mogą wiązać się z karboksykatepsyną bez hydrolizy, a tym samym pozbawiać ją zdolności do pełnienia swojej wrodzonej funkcji.

Obecnie trwają prace nad syntezą sztucznych blokerów (inhibitorów) karboksykatepsyny, które mają znaleźć zastosowanie jako nowe środki terapeutyczne w walce z nadciśnieniem.

Inne ważne kluczowe enzymy biorące udział w biochemicznych przemianach substancji azotowych w organizmie człowieka to oksydazy aminowe. Bez nich reakcje utleniania tzw. amin biogennych, do których należy wiele chemicznych przekaźników impulsów nerwowych - neuroprzekaźników, nie mogą się obejść. Rozkłady oksydaz aminowych prowadzą do zaburzeń funkcji ośrodkowego i obwodowego układu nerwowego; chemiczne blokery oksydaz aminowych są już stosowane w praktyce klinicznej jako środki terapeutyczne, na przykład w stanach depresyjnych.

W trakcie badania funkcji biologicznych oksydaz aminowych udało się odkryć ich nieznaną wcześniej właściwość. Okazało się, że pewnym zmianom chemicznym w cząsteczkach tych enzymów towarzyszą jakościowe zmiany ich właściwości katalitycznych. Tak więc oksydazy monoaminowe, które utleniają biogenne monoaminy (na przykład dobrze znane neuroprzekaźniki norepinefryna, serotonina i dopamina) częściowo tracą swoje naturalne właściwości po leczeniu środkami utleniającymi. Ale z drugiej strony odkrywają jakościowo nową zdolność do niszczenia diamin, niektórych aminokwasów i aminocukrów, nukleotydów i innych związków azotowych niezbędnych do życia komórki. Ponadto możliwa jest transformacja oksydaz monoaminowych nie tylko w probówce (czyli w przypadkach, w których badacze eksperymentują z oczyszczonymi preparatami enzymatycznymi), ale także w organizmie zwierzęcia, w którym wstępnie modeluje się różne procesy patologiczne.

W komórkach ludzkiego ciała oksydazy monoaminowe wchodzą w skład błon biologicznych - półprzepuszczalnych przegród, które służą jako błony komórkowe i dzielą każdą z nich na osobne przedziały, w których zachodzą określone reakcje. Biomembrany są szczególnie bogate w łatwo utleniające się tłuszcze, które są w stanie półpłynnym. Wielu chorobom towarzyszy nagromadzenie nadmiernej ilości produktów utleniania tłuszczów w biobłonach. Nadmiernie utlenione (nadtlenione) naruszają zarówno normalną przepuszczalność błon, jak i normalne funkcjonowanie enzymów tworzących ich skład. Te enzymy obejmują oksydazy monoaminowe.

W szczególności podczas uszkodzenia popromiennego tłuszcze są nadtlenione w biobłonach komórek szpiku kostnego, jelit, wątroby i innych narządów, a oksydazy monoaminowe nie tylko częściowo tracą swoją użyteczną aktywność, ale także nabywają jakościowo nową właściwość, która jest szkodliwa dla Ciało. Zaczynają niszczyć ważne dla komórki substancje azotowe. Właściwość oksydaz monoaminowych do przekształcania ich aktywności biologicznej przejawia się zarówno w eksperymentach z oczyszczonymi preparatami enzymatycznymi, jak iw żywym organizmie. Ponadto okazało się, że środki lecznicze stosowane w walce z urazami popromiennymi zapobiegają również rozwojowi zmian jakościowych w enzymach.

Ta bardzo ważna właściwość - odwracalność przemiany oksydaz monoaminowych - została ustalona w eksperymentach, podczas których naukowcy nauczyli się nie tylko zapobiegać przemianom enzymów, ale także eliminować naruszenia, przywracać normalne funkcje katalizatorów i osiągać określone właściwości terapeutyczne. efekt.

Podczas gdy mówimy o eksperymentach na zwierzętach. Jednak dzisiaj istnieją wszelkie powody, by sądzić, że aktywność oksydaz aminowych zmienia się również w organizmie człowieka, w szczególności w miażdżycy. Dlatego ze szczególną wytrwałością trwają obecnie badania właściwości oksydaz aminowych, a także substancji chemicznych, które mogą być stosowane do wpływania na ich aktywność w organizmie człowieka w celach terapeutycznych.

I ostatni przykład. Powszechnie wiadomo, jak ważną rolę w życiu naszego organizmu odgrywają węglowodany, a co za tym idzie kluczowe enzymy przyspieszające ich przemiany biochemiczne. Katalizatory te obejmują enzym gamma-amylazę odkryty w naszym instytucie; bierze udział w rozszczepianiu wiązań chemicznych między cząsteczkami glukozy (z nich zbudowane są złożone cząsteczki glikogenu). Wrodzony brak lub niedobór gamma-amylazy prowadzi do zakłócenia prawidłowych przemian biochemicznych glikogenu. Jego zawartość w komórkach ważnych narządów dziecka wzrasta, tracą zdolność do wykonywania swoich nieodłącznych funkcji. Wszystkie te zmiany charakteryzują najcięższą chorobę - glikogenozę.

W biochemiczne przemiany glikogenu zaangażowane są również inne enzymy.

Ich wrodzony niedobór prowadzi również do glikogenoz. Aby w odpowiednim czasie i dokładnie rozpoznać, na jaki rodzaj glikogenozy cierpi dziecko (i jest to ważne przy wyborze metody leczenia i przewidywaniu przebiegu choroby), konieczne jest zbadanie aktywności wielu enzymów, w tym gamma -amylasa. Opracowane w latach 70. XX wieku w Instytucie Chemii Biologicznej i Medycznej Akademii Nauk Medycznych ZSRR metody laboratoryjnej i chemicznej diagnostyki różnicowej glikogenoz są nadal stosowane w praktyce klinicznej.

Według prof. V.Z. GORKINA

Historia studiów

Termin enzym zaproponowany w XVII wieku przez chemika van Helmonta przy omawianiu mechanizmów trawienia.

W kon. XVIII - wcześnie. 19 wiek wiadomo było już, że mięso trawione jest sokiem żołądkowym, a skrobia pod wpływem śliny zamieniana jest w cukier. Jednak mechanizm tych zjawisk był nieznany.

Klasyfikacja enzymów

W zależności od rodzaju katalizowanych reakcji enzymy są podzielone na 6 klas zgodnie z hierarchiczną klasyfikacją enzymów (KF, - Enzyme Comission code). Klasyfikacja została zaproponowana przez Międzynarodową Unię Biochemii i Biologii Molekularnej (Międzynarodowa Unia Biochemii i Biologii Molekularnej). Każda klasa zawiera podklasy, więc enzym jest opisany przez zestaw czterech liczb oddzielonych kropkami. Na przykład pepsyna ma nazwę EC 3.4.23.1. Pierwsza liczba z grubsza opisuje mechanizm reakcji katalizowanej przez enzym:

• CF 1: Oksydoreduktaza które katalizują utlenianie lub redukcję. Przykład: katalaza, dehydrogenaza alkoholowa.
• CF 2: Transferazy które katalizują przenoszenie grup chemicznych z jednej cząsteczki substratu do drugiej. Wśród transferaz szczególnie wyróżniają się kinazy, przenoszące z reguły grupę fosforanową z cząsteczki ATP.
• PK 3: Hydrolazy które katalizują hydrolizę wiązań chemicznych. Przykład: esterazy, pepsyna, trypsyna, amylaza, lipaza lipoproteinowa.
• CF 4: Liase, katalizując zrywanie wiązań chemicznych bez hydrolizy z utworzeniem podwójnego wiązania w jednym z produktów.
• PK 5: Izomerazy, które katalizują zmiany strukturalne lub geometryczne w cząsteczce substratu.
• PK 6: Ligazy, katalizując tworzenie wiązań chemicznych między substratami w wyniku hydrolizy ATP. Przykład: polimeraza DNA.

Badania kinetyczne

Najprostszy opis kinetyka jednosubstratowe reakcje enzymatyczne to równanie Michaelisa-Mentena (patrz ryc.). Do tej pory opisano kilka mechanizmów działania enzymów. Na przykład działanie wielu enzymów opisuje schemat mechanizmu „ping-pong”.

W latach 1972-1973. powstał pierwszy kwantowo-mechaniczny model katalizy enzymatycznej (autorzy M.V. Volkenshtein, R.R. Dogonadze, Z.D. Urushadze i inni).

Struktura i mechanizm działania enzymów

O aktywności enzymów decyduje ich trójwymiarowa struktura.

Jak wszystkie białka, enzymy są syntetyzowane jako liniowy łańcuch aminokwasów, który fałduje się w specyficzny sposób. Każda sekwencja aminokwasowa fałduje się w określony sposób, a powstała w ten sposób cząsteczka (globulka białkowa) ma unikalne właściwości. Kilka łańcuchów białkowych można połączyć w kompleks białkowy. Trzeciorzędowa struktura białek ulega zniszczeniu po podgrzaniu lub wystawieniu na działanie niektórych chemikaliów.

Miejsce aktywne enzymów

W aktywnym centrum warunkowo przydziel:

• centrum katalityczne - bezpośrednio oddziałujące chemicznie z podłożem;
• centrum wiążące (miejsce kontaktu lub „kotwicy”) – zapewniające specyficzne powinowactwo do substratu i tworzenie kompleksu enzym-substrat.

Aby katalizować reakcję, enzym musi związać się z jednym lub większą liczbą substratów. Łańcuch białkowy enzymu jest pofałdowany w taki sposób, że na powierzchni kulki tworzy się szczelina, czyli zagłębienie, w którym wiążą się substraty. Region ten nazywany jest miejscem wiązania substratu. Zwykle pokrywa się z miejscem aktywnym enzymu lub znajduje się w jego pobliżu. Niektóre enzymy zawierają również miejsca wiązania kofaktorów lub jonów metali.

Enzym wiąże się z podłożem:

• oczyszcza podłoże z wodnego „futra”
• układa reagujące cząsteczki substratu w przestrzeni w sposób niezbędny do przebiegu reakcji
• przygotowuje do reakcji (np. polaryzuje) cząsteczki substratu.

Zazwyczaj przyłączenie enzymu do substratu następuje z powodu wiązań jonowych lub wodorowych, rzadko z powodu wiązań kowalencyjnych. Pod koniec reakcji jego produkt (lub produkty) jest oddzielany od enzymu.

W rezultacie enzym obniża energię aktywacji reakcji. Dzieje się tak, ponieważ w obecności enzymu reakcja przebiega inną drogą (w rzeczywistości zachodzi inna reakcja), na przykład:

W przypadku braku enzymu:

• A+B = AB

W obecności enzymu:

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

gdzie A, B - substraty, AB - produkt reakcji, F - enzym.

Enzymy nie są w stanie samodzielnie dostarczyć energii do reakcji endergonicznych (które wymagają energii). Dlatego enzymy, które przeprowadzają takie reakcje, sprzęgają je z reakcjami egzergicznymi, które następują wraz z uwolnieniem większej ilości energii. Na przykład reakcje syntezy biopolimerów są często sprzężone z reakcją hydrolizy ATP.

Aktywne centra niektórych enzymów charakteryzują się zjawiskiem kooperatywności.

Specyficzność

Enzymy zwykle wykazują wysoką specyficzność względem swoich substratów (specyficzność substratowa). Osiąga się to poprzez częściową komplementarność kształtu, rozkładu ładunku i regionów hydrofobowych na cząsteczce substratu oraz w miejscu wiązania substratu na enzymie. Enzymy zazwyczaj wykazują również wysoki poziom stereospecyficzności (tworzą tylko jeden z możliwych stereoizomerów jako produkt lub wykorzystują tylko jeden stereoizomer jako substrat), regioselektywność (tworzą lub rozrywają wiązanie chemiczne tylko w jednej z możliwych pozycji substratu) oraz chemoselektywność (katalizuje tylko jedną reakcję chemiczną) kilku możliwych warunków dla tych warunków). Pomimo ogólnie wysokiego poziomu specyficzności, stopień specyficzności substratowej i reakcji enzymów może być różny. Na przykład, trypsyna endopeptydazy zrywa wiązanie peptydowe tylko po argininie lub lizynie, chyba że następuje po nich prolina, a pepsyna jest znacznie mniej specyficzna i może zerwać wiązanie peptydowe następujące po wielu aminokwasach.

Model "zamek na klucz"

Przypuszczenie o dopasowaniu wywołanym przez Koshlanda

Bardziej realistyczna sytuacja jest w przypadku indukowanego dopasowania. Nieprawidłowe podłoża – za duże lub za małe – nie pasują do miejsca aktywnego

W 1890 r. Emil Fischer zasugerował, że o specyficzności enzymów decyduje dokładna zgodność formy enzymu z substratem. Założenie to nazywa się modelem zamka i klucza. Enzym wiąże się z substratem, tworząc krótkotrwały kompleks enzym-substrat. Jednak chociaż model ten wyjaśnia wysoką specyficzność enzymów, nie wyjaśnia obserwowanego w praktyce zjawiska stabilizacji stanu przejściowego.

Model indukowanego dopasowania

W 1958 Daniel Koshland zaproponował modyfikację modelu zamka na klucz. Enzymy na ogół nie są sztywnymi, ale elastycznymi cząsteczkami. Miejsce aktywne enzymu może zmienić konformację po związaniu substratu. Grupy boczne aminokwasów miejsca aktywnego zajmują pozycję, która umożliwia enzymowi pełnienie funkcji katalitycznej. W niektórych przypadkach cząsteczka substratu również zmienia konformację po związaniu się z miejscem aktywnym. W przeciwieństwie do modelu zamka na klucz, model indukowanego dopasowania wyjaśnia nie tylko specyficzność enzymów, ale także stabilizację stanu przejściowego. Model ten został nazwany „rękawicą ręczną”.

Modyfikacje

Wiele enzymów ulega modyfikacjom po syntezie łańcucha białkowego, bez których enzym nie wykazuje pełnej aktywności. Takie modyfikacje nazywane są modyfikacjami potranslacyjnymi (przetwarzaniem). Jednym z najczęstszych rodzajów modyfikacji jest dodanie grup chemicznych do reszt bocznych łańcucha polipeptydowego. Na przykład dodanie reszty kwasu fosforowego nazywa się fosforylacją i jest katalizowane przez kinazę enzymatyczną. Wiele enzymów eukariotycznych jest glikozylowanych, tj. zmodyfikowanych oligomerami węglowodanowymi.

Innym powszechnym rodzajem modyfikacji potranslacyjnych jest rozszczepianie łańcucha polipeptydowego. Na przykład chymotrypsynę (proteazę zaangażowaną w trawienie) otrzymuje się przez odcięcie regionu polipeptydowego od chymotrypsynogenu. Chymotrypsynogen jest nieaktywnym prekursorem chymotrypsyny i jest syntetyzowany w trzustce. Forma nieaktywna jest transportowana do żołądka, gdzie przekształcana jest w chymotrypsynę. Mechanizm ten jest niezbędny, aby uniknąć rozszczepienia trzustki i innych tkanek przed dostaniem się enzymu do żołądka. Prekursor nieaktywnego enzymu jest również określany jako „zymogen”.

Kofaktory enzymatyczne

Niektóre enzymy pełnią funkcję katalityczną samodzielnie, bez żadnych dodatkowych składników. Istnieją jednak enzymy, które do katalizy wymagają składników niebiałkowych. Kofaktory mogą być cząsteczkami nieorganicznymi (jony metali, klastry żelazo-siarka itp.) lub organicznymi (na przykład flawina lub hem). Kofaktory organiczne silnie związane z enzymem nazywane są również grupami prostymi. Kofaktory organiczne, które można oddzielić od enzymu, nazywane są koenzymami.

Enzym, który wymaga kofaktora do wykazania aktywności katalitycznej, ale nie jest z nią związany, nazywany jest apoenzymem. Apoenzym w połączeniu z kofaktorem nazywany jest holoenzymem. Większość kofaktorów jest związana z enzymem przez niekowalencyjne, ale dość silne oddziaływania. Istnieją również grupy prostetyczne, które są kowalencyjnie związane z enzymem, takie jak pirofosforan tiaminy w dehydrogenazie pirogronianowej.

Regulacja enzymatyczna

Niektóre enzymy mają miejsca wiązania małych cząsteczek i mogą być substratami lub produktami szlaku metabolicznego, w który wchodzi enzym. Zmniejszają lub zwiększają aktywność enzymu, co stwarza okazję do sprzężenia zwrotnego.

Hamowanie produktu końcowego

Szlak metaboliczny – łańcuch następujących po sobie reakcji enzymatycznych. Często końcowym produktem szlaku metabolicznego jest inhibitor enzymu, który przyspiesza pierwszą z reakcji w tym szlaku metabolicznym. Jeśli produkt końcowy jest zbyt duży, działa on jako inhibitor dla pierwszego enzymu, a jeśli później produkt końcowy staje się zbyt mały, wówczas pierwszy enzym jest ponownie aktywowany. Zatem hamowanie przez produkt końcowy zgodnie z zasadą ujemnego sprzężenia zwrotnego jest ważnym sposobem utrzymania homeostazy (względnej stałości warunków wewnętrznego środowiska organizmu).

Wpływ warunków środowiskowych na aktywność enzymatyczną

Aktywność enzymów zależy od warunków panujących w komórce lub organizmie – ciśnienie, kwasowość środowiska, temperatura, stężenie rozpuszczonych soli (siła jonowa roztworu) itp.

Wiele form enzymów

Wiele form enzymów można podzielić na dwie kategorie:

• Izoenzymy
• Prawidłowe formy liczby mnogiej (prawda)

Izoenzymy- To enzymy, których synteza kodowana jest przez różne geny, mają różne struktury pierwotne i różne właściwości, ale katalizują tę samą reakcję. Rodzaje izoenzymów:

• Organiczne - enzymy glikolizy w wątrobie i mięśniach.
• Komórkowa - cytoplazmatyczna i mitochondrialna dehydrogenaza jabłczanowa (enzymy są różne, ale katalizują tę samą reakcję).
• Hybryda - enzymy o strukturze czwartorzędowej, powstają w wyniku niekowalencyjnego wiązania poszczególnych podjednostek (dehydrogenaza mleczanowa - 4 podjednostki 2 typów).
• Mutant - powstają w wyniku pojedynczej mutacji genu.
• Alloenzymy - kodowane przez różne allele tego samego genu.

Właściwa liczba mnoga(prawda) to enzymy, których synteza kodowana jest przez ten sam allel tego samego genu, mają tę samą strukturę pierwotną i właściwości, ale po syntezie na rybosomach ulegają modyfikacji i stają się inne, chociaż katalizują tę samą reakcję.

Izoenzymy różnią się na poziomie genetycznym i różnią się od sekwencji pierwotnej, a prawdziwe formy wielorakie stają się inne na poziomie potranslacyjnym.

znaczenie medyczne

Po raz pierwszy ustalono związek między enzymami a dziedzicznymi chorobami metabolicznymi A. Garrodom w latach 1910 Garrod nazwał choroby związane z defektami enzymów „wrodzonymi błędami metabolizmu”.

Jeśli w genie kodującym konkretny enzym wystąpi mutacja, sekwencja aminokwasowa enzymu może ulec zmianie. Jednocześnie w wyniku większości mutacji jego aktywność katalityczna spada lub całkowicie zanika. Jeśli organizm otrzyma dwa z tych zmutowanych genów (po jednym od każdego rodzica), reakcja chemiczna katalizowana przez ten enzym przestaje zachodzić w organizmie. Na przykład pojawienie się albinosów wiąże się z zaprzestaniem produkcji enzymu tyrozynazy, który odpowiada za jeden z etapów syntezy ciemnego pigmentu melaniny. Fenyloketonuria jest związana ze zmniejszoną lub brakiem aktywności enzymu 4-hydroksylazy fenyloalaniny w wątrobie.

Obecnie znanych jest setki chorób dziedzicznych związanych z defektami enzymów. Opracowano metody leczenia i zapobiegania wielu z tych chorób.

Praktyczne użycie

Enzymy znajdują szerokie zastosowanie w gospodarce narodowej – spożywczym, włókienniczym, farmakologii i medycynie. Większość leków wpływa na przebieg procesów enzymatycznych w organizmie, uruchamiając lub zatrzymując określone reakcje.

Zakres zastosowania enzymów w badaniach naukowych i medycynie jest jeszcze szerszy.

Uwagi

Literatura

• Volkenstein M. V., Dogonadze R. R., Madumarov A. K., Urushadze Z. D., Charkats Yu I. O teorii katalizy enzymatycznej.- Biologia molekularna, t. 6, nie. 3, 1972, art. 431-439.
• Dixon, M. Enzymy / M. Dixon, E. Webb. - W 3 tomach - Per. z angielskiego. - V.1-2. - M.: Mir, 1982. - 808 s.
Wielka encyklopedia medyczna

- (od łac. fermentacja, zakwas), enzymy, biokatalizatory, specyficzne. białka obecne we wszystkich żywych komórkach i pełniące rolę biol. katalizatory. Dzięki nim realizowana jest genetyka. informacje i wszystkie procesy wymiany są przeprowadzane ... ... Biologiczny słownik encyklopedyczny

- (łac. Zakwas Fermentum, od fervere być gorącym). Substancje organiczne, które fermentują inne ciała organiczne, nie ulegając gniciu. Słownik wyrazów obcych zawartych w języku rosyjskim. Chudinov A.N., 1910. ENZYMY ... ... Słownik obcych słów języka rosyjskiego

- (z łac. fermentum zaczyn) (enzymy) katalizatory biologiczne obecne we wszystkich żywych komórkach. Przeprowadzają przemiany substancji w organizmie, ukierunkowując i regulując tym samym jego metabolizm. Chemiczna natura białek. Enzymy ... ... Wielki słownik encyklopedyczny

- (z łacińskiego zakwasu fermentum), katalizatory biologiczne obecne we wszystkich żywych komórkach. Przeprowadzaj przemiany (metabolizm) substancji w ciele. Chemiczna natura białek. Uczestniczy w licznych reakcjach biochemicznych w komórce ... ... Współczesna encyklopedia

Ist., liczba synonimów: 2 biokatalizatory (1) enzymy (2) Słownik synonimów ASIS. V.N. Triszyn. 2013 ... Słownik synonimów

Enzymy. Zobacz enzymy. (