Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!

Enzýmy sú nevyhnutné pre správne fungovanie všetkých živých organizmov na Zemi. Podieľajú sa na väčšine, ak nie na všetkých chemických zmenách v prírode, teda na miliónoch reakcií v rastlinnom aj živočíšnom svete. Stojí za to zistiť, čo sú to enzýmy, ako fungujú a aký je ich význam pre modernú medicínu.

Enzýmysú proteínové molekuly, ktoré urýchľujú alebo dokonca umožňujú priebeh rôznych chemických reakcií v živých organizmoch vrátane ľudského tela.

Z chemického hľadiska ide o katalyzátory, teda častice, ktoré reakciu zintenzívnia, no pri reakcii sa neopotrebujú. Toto zvýšenie účinnosti chemických premien je často obrovské, prírodné katalyzátory dokážu skrátiť reakčný čas z niekoľkých rokov na niekoľko sekúnd.

Enzýmy sa nachádzajú vo všetkých oblastiach tela: v bunkách, v extracelulárnom priestore, v tkanivách, orgánoch a v ich svetle, katalyzátory, ktoré dané tkanivo produkuje, určujú jeho špecifické vlastnosti a úlohu, ktorú zohráva v telo.

Väčšina enzýmov je veľmi špecifická, čo znamená, že každý z nich je zodpovedný len za jeden typ chemickej reakcie, na ktorej sa podieľajú špecifické častice - substráty a iba tie môžu interagovať s daným enzýmom.

Aktivita prírodných katalyzátorov závisí od mnohých faktorov: reakčné prostredie, napr. teplota, pH, prítomnosť určitých iónov, aktivátory - zvyšujú pôsobenie enzýmov a inhibítorov, ktoré pôsobia proti tejto aktivite.

Enzýmy: štruktúra

Ako už bolo spomenuté, väčšina enzýmov sú proteíny, majú veľmi rôznorodú štruktúru: od niekoľkých desiatok aminokyselín až po niekoľko tisíc usporiadaných v rôznorodej priestorovej štruktúre.

Za ich aktivitu je z veľkej časti zodpovedná forma ich vzniku (tzv. kvartérna štruktúra) a skutočnosť, že väčšina enzýmov je oveľa väčšia ako reaktanty ich reakcií.

Je to spôsobené tým, že iba určitá oblasť v štruktúre enzýmov je takzvaným aktívnym miestom, t. j. fragmentom zodpovedným za uskutočnenie reakcie.

Úlohou zostávajúcich fragmentov molekuly je pripojiť špecifický substrát, menej často iné zlúčeniny ovplyvňujúce aktivitu enzýmu

Je dobré poznať tú konštrukciukatalyzátora je navrhnutý tak, aby spojovací substrát bol ideálne geometricky zladený, ako „kľúč od zámku“.

Ako všetky proteíny, aj enzýmy sú produkované v ribozómoch z genetického materiálu, ktorý je pevne zabalený v jadre - DNA, čím sa vytvára takzvaná primárna štruktúra

Potom sa niekoľkokrát zloží - zmení svoj tvar, niekedy sa pridajú cukry, kovové ióny alebo mastné zvyšky.

Výsledkom všetkých týchto procesov je vytvorenie aktívnej kvartérnej štruktúry, teda plne biologicky aktívnej formy.

V mnohých prípadoch sa niekoľko enzýmových častíc spája, aby uskutočnili sériu chemických reakcií, a tým urýchlili proces.

Niekedy sú v niekoľkých tkanivách enzýmy, ktoré katalyzujú rovnakú reakciu, ale nie sú si navzájom štrukturálne podobné, nazývame ich izoenzýmy

Názvy izoenzýmov sú rovnaké, napriek rozdielu v umiestnení a štruktúre, tieto rozdiely však majú praktické využitie. Vďaka tomu je možné v laboratórnych testoch určiť len tie frakcie enzýmu, ktoré pochádzajú z konkrétneho orgánu

Mechanizmy účinku enzýmov sú rôznorodé, ale z chemického hľadiska je ich úlohou vždy znižovať aktivačnú energiu reakcie. Toto je množstvo energie, ktorú musia mať substráty, aby proces prebehol.

Tento efekt možno dosiahnuť vytvorením vhodného prostredia pre reakciu, použitím inej chemickej cesty na získanie rovnakých produktov alebo vhodným priestorovým usporiadaním substrátov

Každý z týchto mechanizmov môžu využívať enzýmy.

Regulácia aktivity enzýmov

Pôsobenie enzýmov závisí od parametrov prostredia: teplota, pH a iné. Každý z prírodných katalyzátorov má svoj optimálny výkon za určitých podmienok, ktoré môžu byť rôzne široké v závislosti od jeho tolerancie k podmienkam prostredia.

V prípade teploty je väčšina enzymatických reakcií rýchlejšia pri vyšších teplotách, ale pri určitej teplote účinnosť reakcie prudko klesá, čo je spôsobené tepelným poškodením enzýmu (denaturácia).

Z hľadiska štruktúry možno hormóny rozdeliť do dvoch skupín:

  • jednoduché - iba proteínové častice
  • komplex - ktoré vyžadujú pridanie neproteínovej skupiny - kofaktor

Posledne menované zohrávajú kľúčovú úlohu pri správnej aktivite a regulácii enzýmov.

Kofaktory možno rozdeliť do dvoch skupín: tie, ktoré sú potrebné preaktivity enzýmu, s ním silne spojené - ide o takzvané prostetické skupiny, môžu to byť kovy, organické molekuly, ako je napríklad hem

Druhou skupinou sú koenzýmy, zvyčajne sú zodpovedné za prenos substrátov alebo elektrónov a ich väzba na enzým je slabá, do tejto skupiny patrí napríklad kyselina listová, koenzým A. Stojí za to vedieť, že mnohé vitamíny zohrávajú úlohu kofaktorov.

Inhibítory plnia úplne inú úlohu, sú to častice, ktoré inhibujú enzymatickú aktivitu väzbou na enzým.

Existuje niekoľko typov inhibítorov:

  • ireverzibilné - spôsobujú trvalú inaktiváciu molekuly a reakcia môže prebehnúť až po produkcii nového enzýmu
  • konkurenčné - v tomto prípade má inhibítor štruktúru podobnú štruktúre substrátu, takže súťažia o aktívne miesto. Ak je pripojený inhibítor, reakcia neprebehne, ak substrát - prebieha normálne
  • nekompetitívne - takéto inhibítory viažu enzým na inom mieste, ako je substrát, takže sa môže naviazať na enzým, ale reakcia neprebehne

Pri oveľa vyššej koncentrácii substrátu ako inhibítora je prekonaný účinok kompetitívneho inhibítora, pretože prevalcuje „konkurenciu“ o aktívne miesto, v prípade nekompetitívneho sa jeho účinok nedá dosiahnuť. prekonať zvýšením koncentrácie substrátu.

Okrem regulácie systémov aktivátorov a inhibítorov existuje mnoho ďalších metód kontroly aktivity enzýmov

Týkajú sa bunkovej kontroly produkcie na úrovni tvorby bielkovín, ako aj regulácie takzvaného posttranslačného spracovania, t. j. zmien v štruktúre molekuly proteínu, ku ktorým dochádza bezprostredne po jej syntéze v ribozóm. Tieto modifikácie spočívajú napríklad v skrátení polypeptidového reťazca

Ďalšie metódy regulácie sa týkajú segregácie a umiestnenia enzýmov vo vhodných oblastiach: bunkových a špecifických organelách, alebo v extracelulárnom kompartmente

Je tu ešte jeden dôležitý regulačný mechanizmus – negatívna spätná väzba – je to primárny riadiaci systém v endokrinnom systéme. Funguje na princípe inhibície.

To znamená, že ak enzým produkuje príliš veľa určitého hormónu, naviaže sa naň, čím inhibuje jeho aktivitu a znižuje syntézu, takže samotný produkt reakcie inhibuje jeho produkciu.

Enzýmy: rola

Každé tkanivo ľudského tela produkuje špecifický súbor enzýmov, ktoré definujú úlohu týchto buniek vo fungovaní organizmu. Čo sú to za enzýmy, určuje genetický kód a ktoré oblasti sú aktívne v danej bunke.

V ľudskom tele kedykoľvek prebiehajú tisíce chemických reakcií, z ktorých každá vyžaduje špecifický enzým, takže by bolo ťažké vymenovať všetky tieto častice prítomné v našom tele.

Stojí za to vedieť o niektorých z najcharakteristickejších:

  • Tráviace enzýmy- produkované tkanivami tráviaceho systému, rozkladajú potravu na jednoduché zlúčeniny, pretože len tie sa dokážu vstrebať do krvi. Sú to extracelulárne enzýmy, takže svoju hlavnú úlohu plnia mimo buniek, v ktorých vznikajú. Niektoré z týchto enzýmov sa tvoria v neaktívnej forme, takzvané proenzýmy alebo zymogény, a aktivujú sa v gastrointestinálnom trakte. Medzi tráviace enzýmy patria napríklad: amyláza, lipáza, trypsín.
  • Myozínje enzým nachádzajúci sa vo svaloch, rozkladá molekuly ATP, ktoré sú nosičmi energie, čím spôsobuje stiahnutie svalových vlákien.
  • Peroxidázysú oxidačné enzýmy a katalázy, t.j. redukčné enzýmy
  • Acetylcholínesterázaje enzým, ktorý rozkladá acetylcholín, jeden z prenášačov v nervovom systéme
  • Monoaminooxidázaje enzým najhojnejšie zastúpený v pečeni, je zodpovedný za odbúravanie adrenalínu, noradrenalínu a niektorých liekov
  • Cytochomická oxidáza , veľmi dôležitý vnútrobunkový enzým zodpovedný za energetické transformácie
  • Lysozym , látka prítomná napr. v slzách alebo slinách, ktorá plní ochranné funkcie, ničí patogény
  • Alkoholdehydrogenáza , enzým v pečeni zodpovedný za rozklad etanolu
  • Alkalická fosfatáza , podieľa sa na stavbe kostí osteoblastmi

Enzýmy: pomenovanie

Názvy enzýmov sú často dosť komplikované, pretože sú odvodené od názvu reakcie, ktorú vykonávajú, a substrátu, ktorý sa tejto reakcie zúčastňuje, napríklad 5-hydroxytryptofán dekarboxyláza.

Typicky sa k všeobecnému názvu reakcie pridáva prípona „-aza“ a druhá časť názvu enzýmu tvorí názov zlúčeniny, ktorá prechádza touto reakciou.

Niekedy je názov jednoduchý, pochádza zo substrátu, napr. laktázy (enzým, ktorý štiepi laktózu).

Zriedkavejšie sú názvy enzýmov odvodené od všeobecného procesu, ktorý prebieha za ich účasti, napr. DNA gyráza, enzým zodpovedný za otáčanie reťazcov DNA.

Niektoré enzýmy majú konečne bežné názvy alebo názvy dané ich objaviteľmi, ako napríklad pepsín (ktorý rozkladá bielkoviny v tráviacom trakte) alebo lyzozým (baktericídny enzým obsiahnutý vslzy).

Existuje aj malá skupina reštrikčných enzýmov, ktoré sú zodpovedné za rezanie reťazcov DNA, v tomto prípade názov pochádza z mikroorganizmu, z ktorého bol enzým izolovaný.

Medzinárodná únia biochémie a molekulárnej biológie zaviedla pravidlá pre pomenovanie enzýmov a rozdelila ich do niekoľkých tried s cieľom štandardizovať nomenklatúru.

Nenahradil názvy opísané skôr, je to skôr doplnok používaný predovšetkým vedcami.

Podľa pravidiel Európskej únie je každý enzým opísaný sekvenciou znakov: EC x.xx.xx.xx - kde prvá číslica predstavuje triedu, nasledujúce podtriedy a podtriedy a nakoniec číslo enzýmu. Tieto triedy enzýmov sú:

• 1 - oxidoreduktázy: katalyzujú oxidačné a redukčné reakcie
• 2 - transferázy: prenášajú funkčné skupiny (napr. fosfát)
• 3 - hydrolázy: zodpovedajú hydrolýze (rozkladu) väzieb
• 4 - lyázy: štiepia väzby iným mechanizmom ako hydrolýza
• 5 - izomerázy: sú zodpovedné za priestorové zmeny molekúl
• 6 - ligázy: spájajú molekuly s kovalentnými väzbami

Enzýmy a lieky

Význam enzýmov pre ľudské zdravie je obrovský. Ich správna činnosť umožňuje zdravý život a vďaka vývoju analytických prístrojov sme sa naučili diagnostikovať rôzne ochorenia pomocou stanovenia enzýmov. Ba čo viac, dokážeme úspešne liečiť nedostatky niektorých enzýmov az toho vyplývajúce choroby, žiaľ, v tejto veci je stále čo robiť.

Liečba príčin metabolických ochorení zatiaľ nie je možná, pretože nedokážeme bezpečne a efektívne modifikovať genetický materiál tak, aby opravoval poškodené gény, a tým aj nesprávne produkované enzýmy

Choroby spôsobené dysfunkčnými enzýmami

Správne fungovanie nášho tela závisí vo veľkej miere od správneho fungovania enzýmov. V mnohých prípadoch chorobné stavy ovplyvňujú množstvo enzýmov, spôsobujú ich nadmerné uvoľňovanie z buniek alebo naopak ich nedostatok. Nižšie sú uvedené len príklady chorôb spôsobených abnormálnymi enzymatickými funkciami, týchto chorôb je oveľa viac.

  • Metabolické bloky alebo metabolické ochorenia

Metabolické bloky alebo metabolické ochorenia sú skupinou dedičných ochorení spôsobených hromadením látok v bunke v dôsledku nedostatku enzýmu zodpovedného za ich metabolizmus. Časom nahromadených substrátov je toľko, že sa stávajú toxickými pre bunky a celý organizmus.

Chorob je niekoľko tisíc, ich počet odráža mnohorakosťenzýmy nachádzajúce sa v ľudskom tele, pretože väčšina génov kódujúcich enzýmy môže byť ovplyvnená metabolickými ochoreniami.

Príkladmi sú galaktozémia alebo homocystinúria, čo sú zriedkavé ochorenia, ktoré sa najčastejšie prejavujú hneď po narodení alebo v prvých rokoch života.

  • Nowotwory

Ďalšou skupinou chorôb, ktoré môžu zahŕňať poruchu funkcie enzýmov, je rakovina. Okrem mnohých iných funkcií sú za reguláciu bunkového delenia zodpovedné aj enzýmy, takzvané tyrozínkinázy. Ak tieto enzýmy v tejto oblasti zlyhajú, môže dôjsť k nekontrolovanému deleniu buniek a tým k rakovinovému procesu.

  • Emfyzém

Menej častým ochorením je emfyzém, v tomto prípade sa elastáza stáva nadmerne aktívnou. Je to enzým prítomný v pľúcnom tkanive zodpovedný za rozklad proteínu elastínu prítomného okrem iného v pľúcach.

Ak je príliš aktívny, rovnováha medzi ničením a budovaním je narušená, dochádza k zjazveniu a vzniká emfyzém.

Enzýmy: diagnostické použitie

Moderná medicínska diagnostika je založená na použití enzýmov pri ich stanovení. Je to spôsobené tým, že chorobné stavy priamo alebo nepriamo vedú k nerovnováhe enzýmov, čo spôsobuje zvýšenie alebo zníženie ich množstva v krvi.

Môže to vyplývať nielen z porúch produkcie, ale napríklad aj z uvoľnenia veľkého množstva vnútrobunkového enzýmu do krvi alebo moču v dôsledku poškodenia jeho bunkovej membrány.

Príklady enzýmov používaných v laboratórnom výskume sú:

  • Kreatínkináza - enzým prítomný vo svaloch, aj v srdcovom svale, jej viacnásobné zvýšenie môže naznačovať srdcový infarkt, myokarditídu, svalové ochorenia - úrazy, dystrofie
  • Laktátdehydrogenáza – prítomná vo všetkých bunkách tela, najmä v mozgu, pľúcach, bielych krvinkách a svaloch. Jeho veľký nárast sa pozoruje pri srdcovom infarkte, ochoreniach svalov a pečene alebo rakovine.
  • Alkalická fosfatáza sa nachádza v najväčšom množstve v pečeni a kostiach, tu ju uvoľňujú osteoblasty. Choroby týchto orgánov môžu spôsobiť jej rast, ale prebytok alkalickej fosfatázy môže tiež naznačovať proces regenerácie kosti - po operácii alebo zlomenine
  • Kyslá fosfatáza sa vyskytuje v mnohých orgánoch - pečeň, obličky, kosti, prostata, z diagnostického hľadiska môže jej zvýšenie poukazovať na ochorenia kostí a prostaty
  • Aminotransferázaasparagín a alanínaminotransferáza - ide o enzýmy charakteristické pre pečeň, vyskytujúce sa takmer výlučne v hepatocytoch, používajú sa v základnej skríningovej diagnostike ochorení pečene a ich niekoľkonásobné zvýšenie vždy povzbudí k ďalšej diagnostike ochorení pečene
  • Glutamátdehydrogenáza a gamaglutamyltransferáza - ostatné pečeňové enzýmy, podobne ako vyššie uvedené, sú dôležité v diagnostike ochorení tohto orgánu a žlčových ciest
  • Amyláza je enzým prítomný v mnohých orgánoch, ale najvyššia koncentrácia sa dosahuje v bunkách pankreasu a slinných žliaz, jej diagnostika má najväčší význam pri ich ochoreniach.
  • Lipáza je ďalší pankreatický enzým, líši sa špecifickosťou od amylázy, čo znamená, že lipáza je prítomná len v pankrease a odchýlky od normy pri stanovení tohto enzýmu poukazujú na ochorenie pankreasu
  • Cholinesteráza je enzým, ktorý štiepi acetylcholín - prenášač v nervovom systéme, kde sa nachádza aj v najvyššom množstve, v diagnostike sa využíva pri otravách organofosforovými zlúčeninami.
  • Faktory zrážanlivosti a fibrinolýzy - sú to látky produkované pečeňou podieľajúce sa na zrážaní krvi, ich stanovenie je dôležité nielen pri hodnotení tohto procesu, ale aj pri monitorovaní funkcie pečene
  • Alfa-fetoproteín - pečeňový enzým, ktorého množstvo sa zvyšuje pri ochoreniach tohto orgánu, vrátane rakoviny.
  • C-reaktívny proteín - produkovaný pečeňou, podieľa sa na imunitnej odpovedi, jeho množstvo v krvi stúpa pri zápalových stavoch - infekciách, úrazoch, autoimunitných ochoreniach
  • Ceruloplazmín – ďalší pečeňový enzým, ktorého zvýšenie je charakteristické pre Wilsonovu chorobu
  • Pyridinolín a deoxypyridinolín sú markery kostnej resorpcie (deštrukcie), charakterizujú funkciu osteoklastov (osteogénnych buniek).
  • Myoglobín - ako už bolo spomenuté, ide o zlúčeninu charakteristickú pre svaly, takže jeho zvýšenie indikuje poškodenie kostrových alebo srdcových svalov.
  • Troponíny - takzvané markery srdcového infarktu, sú to enzýmy, ktoré regulujú kontrakciu svalových vlákien, sú zastúpené najmä v srdcovom svale. Jeho poškodenie spôsobuje uvoľňovanie veľkého množstva troponínov do krvi, čo sa využíva pri diagnostike srdcových chorôb. Je však potrebné pripomenúť, že zvýšenie troponínov môže naznačovať nielen srdcový infarkt, ale aj jeho nedostatočnosť, chlopňové chyby alebo pľúcnu embóliu.

Všetky vyššie uvedené enzýmy možno zaradiť do niekoľkých skupín:

  • sekrečné enzýmy- dolná hranica normy je diagnostická. Ide o enzýmy fyziologicky produkované orgánmi, ale pri ochoreniach sa ich počet znižuje, napr. faktory zrážanlivosti
  • indikátorové enzýmy- rast je dôležitý. Táto skupina enzýmov sa vyskytuje vo veľkom počte v dôsledku poškodenia orgánov a úniku enzýmov, ako sú troponíny
  • vylučovacie enzýmy- sú to enzýmy, ktoré sa normálne produkujú do lúmenu rôznych orgánov - úst, čriev a močových ciest. Ak je ich vývod upchatý, dostanú sa do krvi, napr. amyláza

Je potrebné pripomenúť, že enzýmy sa používajú v samotnej lekárskej diagnostike. Biochemické analýzy sa vykonávajú s použitím enzýmov a vhodná interpretácia výsledkov enzymatických reakcií umožňuje poskytnúť výsledok laboratórneho testu

Enzýmy a liečba

Mnohé lieky pôsobia tak, že ovplyvňujú pôsobenie enzýmov, či už tým, že pôsobia, alebo sú naopak inhibítormi. Pri pankreatickej insuficiencii sa používajú náhrady enzýmov, ako je pankreatín obsahujúci lipázu a amylázu.

Na druhej strane niektoré skupiny liečiv inhibujú pôsobenie enzýmov, napríklad inhibítory enzýmu konvertujúceho angiotenzín, používané okrem iného pri hypertenzii a srdcovom zlyhaní, alebo niektoré antibiotiká, napríklad amoxicilín, ktorý inhibuje enzým bakteriálnu transpeptidázu, čo bráni budovaniu bakteriálnej bunkovej steny a výsledkom je inhibícia infekcie.

Niektoré jedy pôsobia aj tak, že ovplyvňujú enzýmy. Kyanid je silný inhibítor cytochrómoxidázy, základnej zložky dýchacieho reťazca. Jeho blokovanie bráni bunke získavať energiu, čo vedie k jej smrti.

Pre správny priebeh životných procesov buniek je potrebná prítomnosť mnohých chemických látok, ktoré medzi sebou zostávajú v prísnom pomere a medzi ktorými neustále prebiehajú chemické reakcie

Túto úlohu plnia správne fungujúce enzýmy, ktoré sú nevyhnutné na to, aby takmer každá chemická reakcia prebehla s rýchlosťou a účinnosťou potrebnou pre správne fungovanie ľudského tela.

Pôsobenie enzýmov urýchľuje tieto procesy mnohonásobne, často až stokrát, čo je dôležité, samotné enzýmy sa pri prebiehajúcich reakciách neopotrebúvajú

Nedostatok katalyzátorov alebo ich nesprávna činnosť môže viesť k vzniku mnohých chorôb. Na druhej strane, šikovná modifikácia ich činnosti vám umožňuje úspešne liečiť mnohé neduhy.

Enzymológia (náuka o enzýmoch) je mimoriadne rozsiahla, ajej rozvoj môže priniesť nielen vedecký pokrok, ale aj aktívne prispieť k rozvoju medicíny nielen z hľadiska liečby, ale aj diagnostiky.

O autoroviPoklona. Maciej GrymuzaAbsolvent Lekárskej fakulty LFUK K. Marcinkowski v Poznani. Vyštudoval univerzitu s veľmi dobrým výsledkom. V súčasnosti je lekárom v odbore kardiológia a doktorandom. Zaujíma sa najmä o invazívnu kardiológiu a implantovateľné prístroje (stimulátory).

Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!

Kategórie:

Výskum