Enzymer är väsentliga för att alla levande organismer ska fungera på jorden. De deltar i de flesta, om inte alla, kemiska transformationer i naturen, det vill säga i miljontals reaktioner i både växtvärlden och djurvärlden. Det är värt att ta reda på vad enzymer är, hur de fungerar och vad deras betydelse är för modern medicin.
Innehållsförteckning
- Enzymer: Structure
- Reglering av enzymaktivitet
- Enzymer: Roll
- Enzymer: Nomenklatur
- Enzymer och medicin
- Sjukdomar som härrör från dysfunktionella enzymer
- Enzymer: används i diagnostik
- Enzymer och behandling
Enzymer är proteinmolekyler som accelererar eller till och med låter olika kemiska reaktioner äga rum i levande organismer, inklusive människokroppen.
Ur kemisk synvinkel är dessa katalysatorer, dvs partiklar som intensifierar reaktionen men som inte slits ut under reaktionen. Denna ökning av effektiviteten vid kemiska transformationer är ofta enorm, naturliga katalysatorer kan förkorta reaktionstiden från flera år till flera sekunder.
Enzymer finns i alla delar av kroppen: i celler, i det extracellulära utrymmet, i vävnader, i organ och i deras ljus, vilka katalysatorer en viss vävnad producerar bestämmer dess specifika egenskaper och den roll den spelar i kroppen.
De flesta enzymer är mycket specifika, vilket innebär att var och en av dem är ansvarig för endast en typ av kemisk reaktion där specifika partiklar - substraten, är inblandade, och bara de kan interagera med ett givet enzym.
Aktiviteten hos naturliga katalysatorer beror på många faktorer: reaktionsmiljön, t.ex. temperatur, pH, närvaron av vissa joner, aktivatorer - de ökar effekten av enzymer och hämmare som motverkar denna aktivitet.
Enzymer: Structure
Som nämnts är de flesta enzymer proteiner, de har en mycket varierande struktur: från flera dussin aminosyror till flera tusen ordnade i en varierad rumslig struktur.
Det är formen av deras bildning (den så kallade kvartära strukturen) och det faktum att de flesta enzymer är mycket större än reaktanterna för deras reaktioner är i hög grad ansvarig för deras aktivitet.
Detta beror på det faktum att i strukturen av enzymer endast en viss region är det så kallade aktiva stället, dvs det fragment som är ansvarigt för att utföra reaktionen.
Uppgiften för de återstående fragmenten av molekylen är att fästa ett specifikt substrat, mindre ofta andra föreningar som påverkar enzymets aktivitet.
Det är värt att veta att katalysatorns struktur är utformad så att fogningssubstratet är perfekt matchat i termer av en "nyckel till låset".
Liksom alla proteiner produceras enzymer i ribosomerna från det genetiska materialet som är tätt packat i kärnan - DNA, vilket skapar en så kallad primär struktur.
Sedan genomgår den vikning flera gånger - förändrar formen, ibland tillsätts sockerarter, metalljoner eller fettrester.
Resultatet av alla dessa processer är bildandet av en aktiv kvartär struktur, dvs. en helt biologiskt aktiv form.
I många fall kombineras flera enzympartiklar för att utföra en serie kemiska reaktioner och därmed påskynda processen.
Det händer att det i flera vävnader finns enzymer som katalyserar samma reaktion, men strukturellt liknar de inte alltid varandra, vi kallar dem isoenzymer.
Namnen på isoenzymerna är desamma trots skillnaden i läge och struktur, men dessa skillnader har praktisk tillämpning. Tack vare detta är det möjligt att i laboratorietester bestämma endast de enzymfraktioner som kommer från ett specifikt organ.
Enzymers verkningsmekanismer är olika, men ur kemisk synpunkt är deras uppgift alltid att minska aktiveringsenergin i reaktionen. Detta är den mängd energi som substraten måste ha för att processen ska kunna äga rum.
Denna effekt kan uppnås genom att skapa en lämplig miljö för att utföra reaktionen, genom att använda en annan kemisk väg för att erhålla samma produkter, eller lämpligt rumsligt arrangemang av substraten.
Var och en av dessa mekanismer kan användas av enzymer.
Reglering av enzymaktivitet
Effekten av enzymer beror på miljöparametrar: temperatur, pH och andra. Var och en av de naturliga katalysatorerna har sin egen optimala prestanda under vissa förhållanden, som kan vara mycket olika beroende på dess tolerans mot miljöförhållanden.
När det gäller temperaturen går de flesta enzymatiska reaktioner snabbare vid högre temperaturer, men vid en viss temperatur sjunker reaktionseffektiviteten kraftigt, vilket orsakas av termisk skada på enzymet (denaturering).
När det gäller deras struktur kan hormoner delas in i två grupper:
- enkelt - det här är bara proteinpartiklar
- komplex - som kräver bindning av en icke-proteingrupp - en kofaktor till deras aktivitet
De senare spelar en nyckelroll för korrekt aktivitet och reglering av enzymer.
I sin tur kan kofaktorer delas in i två grupper: de som är nödvändiga för att enzymet ska fungera, starkt associerat med det - dessa är de så kallade protesgrupperna, de kan vara metaller, organiska molekyler, såsom till exempel heme.
Den andra gruppen är koenzymer, de är vanligtvis ansvariga för överföringen av substrat eller elektroner, och deras bindning till enzymet är svag, denna grupp inkluderar till exempel folsyra, koenzym A. Det är värt att veta att många vitaminer spelar rollen som kofaktorer.
Hämmare utför en helt annan uppgift, de är partiklar som hämmar enzymatisk aktivitet genom att binda till enzymet.
Det finns flera typer av hämmare:
- irreversibel - de orsakar permanent inaktivering av molekylen och reaktionen kan bara äga rum efter produktion av ett nytt enzym
- konkurrerande - i det här fallet har inhibitorn en struktur som liknar substratet, så de tävlar om det aktiva stället. Om en hämmare är fäst misslyckas reaktionen så länge substratet är normalt
- icke-konkurrerande - sådana hämmare binder enzymet på en annan plats än substratet fäster, så det kan fästas till enzymet, men reaktionen sker inte
Vid en mycket högre koncentration av substratet än inhibitorn övervinns effekten av den konkurrerande inhibitorn eftersom den växer från "konkurrensen" för det aktiva stället, i fallet med icke-konkurrerande kan dess effekt inte övervinnas genom att öka koncentrationen av substratet.
Förutom reglering av aktivator- och inhibitor-systemen finns det många andra metoder för att kontrollera enzymaktivitet.
De avser cellens kontroll av produktion vid nivån av proteinbildning, liksom regleringen av den så kallade posttranslationsbearbetningen, dvs. förändringar i strukturen hos en proteinmolekyl som inträffar omedelbart efter dess syntes i ribosomen. Dessa modifieringar förkortar exempelvis polypeptidkedjan.
Nästa regleringsmetoder avser segregering och placering av enzymer i lämpliga områden: cellulära och i specifika organeller, eller i det extracellulära avdelningen.
Det finns en annan viktig regleringsmekanism - negativ feedback - det är det primära kontrollsystemet i det endokrina systemet. Det fungerar på principen om inhibering.
Detta innebär att om ett enzym producerar för mycket av ett visst hormon, binder det till det, hämmar dess aktivitet och minskar syntesen, så reaktionsprodukten själv hämmar dess produktion.
Enzymer: Roll
Varje vävnad i människokroppen producerar en specifik uppsättning enzymer, som definierar dessa cellers roll i kroppens funktion. Vilka är dessa enzymer definieras av den genetiska koden och vilka regioner som är aktiva i en viss cell.
Tusentals kemiska reaktioner äger rum i människokroppen när som helst, var och en kräver ett specifikt enzym, så det skulle vara svårt att lista alla dessa partiklar som finns i vår kropp.
Det är dock värt att veta om några av de mest karakteristiska:
- Matsmältningsenzymer - producerade av vävnaderna i matsmältningssystemet, de bryter ner mat till enkla föreningar, eftersom endast dessa kan absorberas i blodet. De är extracellulära enzymer, så de fullgör sin huvuduppgift utanför cellerna i vilka de produceras. Vissa av dessa enzymer bildas i en inaktiv form, så kallade proenzymer eller zymogener, och aktiveras i mag-tarmkanalen. Matsmältningsenzymerna innefattar t.ex. amylas, lipas, trypsin.
- Myosin är ett enzym som finns i musklerna, det bryter ner ATP-molekyler som är energibärare, tack vare vilket det får muskelfibrerna att dra ihop sig.
- Peroxidas är oxiderande enzymer och katalaser, dvs. reducerande enzymer
- Acetylkolinesteras är ett enzym som bryter ner acetylkolin, en av budbärarna i nervsystemet
- Monoaminoxidas är det enzym som finns mest i levern och är ansvarig för nedbrytningen av adrenalin, noradrenalin och vissa mediciner.
- Cytokomoxidas, ett mycket viktigt intracellulärt enzym som ansvarar för energiförändringar
- Lysozym, ett ämne som finns t ex i tårar eller saliv som uppfyller skyddande funktioner, förstör patogener
- Alkoholdehydrogenas, ett enzym i levern som är ansvarigt för att bryta ner etanol
- Alkaliskt fosfatas, deltar i benuppbyggnad av osteoblaster
Enzymer: Nomenklatur
Enzymnamn är ofta ganska komplicerade eftersom de härrör från namnet på reaktionen de utför och substratet involverat i reaktionen, t ex 5-hydroxitryptofan-dekarboxylas.
Typiskt tillsätts suffixet "-aza" till det allmänna namnet på reaktionen, och den andra delen av enzymnamnet bildas av namnet på den förening som genomgår denna reaktion.
Det händer att namnet är singel, då kommer det från ett substrat, t.ex. laktas (enzym som bryter ner laktos).
Mer sällan härrör namnen på enzymer från en allmän process som äger rum med deras deltagande, t.ex. DNA-gyras, ett enzym som är ansvarigt för roterande DNA-strängar.
Vissa enzymer har så småningom vanliga namn eller namn som ges av deras upptäckare, såsom pepsin (som bryter ner proteiner i matsmältningskanalen) eller lysozym (ett bakteriedödande enzym som ingår i tårar).
Det finns också en liten grupp restriktionsenzymer som är ansvariga för att skära DNA-strängar, i det här fallet kommer namnet från mikroorganismen från vilken enzymet isolerades.
International Union of Biochemistry and Molecular Biology har infört reglerna för namngivning av enzymer och delat in dem i flera klasser för att standardisera nomenklaturen.
Det ersatte inte namnen som beskrivits tidigare, det är snarare ett tillägg som främst används av forskare.
Enligt Europeiska unionens regler beskrivs varje enzym med en sekvens av tecken: EC x.xx.xx.xx - där den första siffran representerar klassen, efterföljande underklasser och underklasser och slutligen enzymnumret. De nämnda enzymklasserna är:
• 1 - oxidoreduktaser: katalyserar oxidations- och reduktionsreaktioner
• 2 - transferaser: överför funktionella grupper (t.ex. fosfat)
• 3 - hydrolaser: motsvarar hydrolys (sönderdelning) av bindningar
• 4 - lyaser: bryt bindningarna i en annan mekanism än hydrolys
• 5 - isomeraser: de ansvarar för rumsliga förändringar av molekyler
• 6 - ligaser: förbind molekyler med kovalenta bindningar
Enzymer och medicin
Betydelsen av enzymer för människors hälsa är enorm. Deras korrekta funktion möjliggör ett hälsosamt liv, och tack vare utvecklingen av analytiska enheter har vi lärt oss att diagnostisera olika sjukdomar med hjälp av enzymbestämning. Dessutom kan vi framgångsrikt behandla bristerna hos vissa enzymer och de resulterande sjukdomarna, men tyvärr finns det fortfarande mycket att göra i denna fråga.
Behandling av orsakerna till metaboliska sjukdomar är ännu inte möjlig, eftersom vi inte på ett säkert och effektivt sätt kan modifiera det genetiska materialet för att reparera skadade gener och därmed felaktigt producerade enzymer.
Sjukdomar som härrör från dysfunktionella enzymer
Hur vår kropp fungerar korrekt beror till stor del på att enzymer fungerar korrekt. I många fall påverkar sjukdomstillstånd mängden enzymer, vilket gör att de frigörs alltför mycket från celler eller tvärtom är bristfälliga.Följande är bara exempel på sjukdomar orsakade av onormala enzymatiska funktioner, det finns många fler av dem.
- Metaboliska block eller metaboliska sjukdomar
Metaboliska block eller metaboliska sjukdomar är en grupp av ärftliga sjukdomar som orsakas av ackumulering av ämnen i cellen på grund av bristen på ett enzym som är ansvarigt för deras metabolism. Substraten som ackumuleras med tiden är så mycket att de blir giftiga för celler och hela organismen.
Dessa sjukdomar är flera tusen, deras antal speglar mängden enzymer som finns i människokroppen, eftersom metaboliska sjukdomar kan påverka de flesta gener som kodar enzymer.
Exempel är galaktosemi eller homocystinuri, som är sällsynta sjukdomar som oftast manifesterar sig omedelbart efter födseln eller under de första åren av livet.
- Tumörer
En annan grupp av sjukdomar där enzymfel kan vara inblandad är cancer. Förutom många andra funktioner är enzymer också ansvariga för att reglera celldelning, så kallade tyrosinkinaser. Om dessa enzymer misslyckas inom detta område kan okontrollerad celldelning och därför en neoplastisk process inträffa.
- Emfysem
En mindre vanlig sjukdom är emfysem, i vilket fall elastas blir överaktivt. Det är ett enzym som finns i lungvävnaden som är ansvarigt för nedbrytningen av bland annat elastinproteinet i lungorna.
Om den är för aktiv störs balansen mellan förstörelse och byggnad, ärrbildning uppstår och emfysem utvecklas.
Enzymer: används i diagnostik
Modern medicinsk diagnostik bygger på användningen av enzymer i deras bestämningar. Detta beror på det faktum att sjukdomstillstånd direkt eller indirekt leder till en obalans mellan enzymer och orsakar ökningar eller minskningar av deras mängd i blodet.
Detta kan inte bara bero på produktionsstörningar utan också t ex från frisättning av en stor mängd intracellulärt enzym i blodet eller urinen som ett resultat av skada på dess cellmembran.
Exempel på enzymer som används i laboratorietester är:
- Kreatinkinas - ett enzym som finns i muskler, även i hjärtmuskeln, dess multipla ökning kan indikera hjärtinfarkt, myokardit, muskelsjukdomar - skador, dystrofi.
- Laktatdehydrogenas - närvarande i alla celler i kroppen, särskilt i hjärnan, lungorna, vita blodkroppar och muskler. Dess stora ökning observeras i hjärtinfarkt, muskel- och leversjukdomar eller cancer.
- Alkaliskt fosfatas finns oftast i levern och benen, här frigörs det av osteoblaster. Sjukdomar i dessa organ kan orsaka dess tillväxt, men överskottet av alkaliskt fosfatas kan också indikera benens regenereringsprocess - efter operation eller fraktur.
- Syrafosfatas förekommer i många organ - lever, njurar, ben, prostata, ur diagnostisk synpunkt kan ökningen indikera ben- och prostatasjukdomar.
- Aspartataminotransferas och alaninaminotransferas - dessa är enzymer som är karakteristiska för levern, som nästan uteslutande förekommer i hepatocyter, de används vid den grundläggande screeningdiagnosen för leversjukdomar, och deras flerfaldiga höjningar av deras värden ger alltid ytterligare diagnos av leversjukdomar.
- Glutamatdehydrogenas och gammaglutamyltransferas - andra leverenzymer, på samma sätt som de tidigare nämnda, är viktiga vid diagnos av sjukdomar i detta organ och gallgångar.
- Amylas är ett enzym som finns i många organ, men den högsta koncentrationen uppnås i cellerna i bukspottkörteln och salivkörtlarna, dess diagnos är av största vikt vid deras sjukdomar.
- Lipas är ett annat enzym i bukspottkörteln, det skiljer sig från amylas i specificitet, vilket innebär att lipas endast förekommer i bukspottkörteln och avvikelser från normen vid bestämning av detta enzym indikerar bukspottkörteln.
- Kolinesteras är ett enzym som bryter ner acetylkolin - en transmitter i nervsystemet, där det också finns i största mängden, i diagnostik används det vid förgiftning med organofosforföreningar.
- Koagulations- och fibrinolysfaktorer - detta är ämnen som produceras av levern som är involverade i blodkoagulering, deras bestämningar är viktiga inte bara vid bedömningen av denna process utan också för att övervaka leverfunktionen.
- Alpha-fetoprotein - ett leverenzym vars mängd ökar i sjukdomar i detta organ, inklusive cancer.
- C-reaktivt protein - producerat av levern, som deltar i immunsvaret, dess mängd ökar i blodet under inflammatoriska tillstånd - infektioner, skador, autoimmuna sjukdomar.
- Ceruloplasmin - ett annat leverenzym, vars ökning är karakteristisk för Wilsons sjukdom.
- Pyridinolin och deoxipyridinolin är markörer för benresorption (förstörelse) och de karaktäriserar funktionen hos osteoklaster (osteogena celler).
- Myoglobin - som nämnts tidigare, är en sammansatt egenskap hos muskler, så dess ökning kommer att indikera skador på skelett- eller hjärtmuskler.
- Troponiner - de så kallade hjärtattackmarkörerna, är enzymer som reglerar sammandragningen av muskelfibrer, de är särskilt rikliga i hjärtmuskeln. Dess skada orsakar frisättning av stora mängder troponiner i blodet, som används vid diagnos av hjärtsjukdomar. Det är dock värt att komma ihåg att en ökning av troponiner inte bara kan indikera en hjärtinfarkt utan också dess insufficiens, klafffel eller lungemboli.
Alla enzymer som anges ovan kan klassificeras i flera grupper:
- Sekretoriska enzymer - den nedre gränsen för normen är diagnostisk. Dessa är enzymer som produceras fysiologiskt av organ, men när det gäller sjukdomar minskar antalet, t.ex. koagulationsfaktorer
- Indikatorenzymer - tillväxt är viktigt. Denna grupp av enzymer uppträder i stort antal på grund av organskador och enzymläckage, de inkluderar t.ex. troponiner
- utsöndringsenzymer - detta är enzymer som normalt produceras i lumen i olika organ - munnen, tarmarna eller urinvägarna. Om utloppet är blockerat kommer de in i blodet, t.ex. amylas
Det är värt att komma ihåg att enzymer används i medicinsk diagnostik. Biokemiska analyser utförs med användning av enzymer, och lämplig tolkning av resultaten av enzymatiska reaktioner möjliggör resultat av ett laboratorietest.
Enzymer och behandling
Många läkemedel fungerar genom att påverka enzymers verkan, antingen genom att få dem att agera, eller tvärtom genom att vara hämmare. Det finns enzymersättningar såsom pankreatininnehållande lipas och amylas för pankreasinsufficiens.
Å andra sidan hämmar vissa läkemedelsgrupper effekten av enzymer, t.ex. angiotensinkonverterande enzymhämmare som används bland annat vid högt blodtryck och hjärtsvikt, eller vissa antibiotika, t.ex. amoxicillin, som hämmar enzymet bakterietranspeptidas, vilket förhindrar uppbyggnaden av bakteriecellväggen, och därmed hämmar infektion.
Vissa gifter fungerar också genom att påverka enzymer. Cyanid är en potent hämmare av cytokromoxidas, en väsentlig komponent i andningskedjan. Blockering hindrar cellen från att få energi, vilket leder till dess död.
För korrekt förlopp av cellernas livsprocesser är det nödvändigt för närvaron av många kemiska ämnen som förblir i strikta proportioner mellan varandra och mellan vilka kemiska reaktioner uppstår ständigt.
Denna uppgift utförs av väl fungerande enzymer, som är nödvändiga för att nästan vilken kemisk reaktion som helst ska ske med den hastighet och effektivitet som krävs för att människokroppen ska fungera korrekt.
Effekten av enzymer accelererar dessa processer många gånger, ofta till och med hundratals gånger, vilket är viktigt, enzymerna själva slits inte ut under reaktionerna som äger rum.
Bristen på katalysatorer eller deras olämpliga funktion kan resultera i uppkomsten av många sjukdomar. Å andra sidan, skicklig modifiering av deras aktivitet gör att du framgångsrikt kan behandla många sjukdomar.
Enzymologi (vetenskapen om enzymer) är extremt omfattande, och dess utveckling kan ge inte bara vetenskapliga framsteg utan också aktivt bidra till utvecklingen av medicin i termer av inte bara behandling utan också diagnostik.
Om författaren
