Pomagajte razvoju spletnega mesta, delite članek s prijatelji!

Encimi so nujni za pravilno delovanje vseh živih organizmov na Zemlji. Sodelujejo pri večini, če ne pri vseh kemičnih spremembah v naravi, torej v milijonih reakcij tako v rastlinskem kot v živalskem svetu. Vredno je ugotoviti, kaj so encimi, kako delujejo in kakšen je njihov pomen za sodobno medicino.

Encimiso beljakovinske molekule, ki pospešujejo ali celo omogočajo različne kemične reakcije v živih organizmih, vključno s človeškim telesom.

S kemijskega vidika so to katalizatorji, torej delci, ki okrepijo reakcijo, vendar se med reakcijo ne obrabijo. To povečanje učinkovitosti kemičnih transformacij je pogosto ogromno, naravni katalizatorji lahko skrajšajo reakcijski čas z nekaj let na nekaj sekund.

Encimi se nahajajo na vseh področjih telesa: v celicah, v zunajceličnem prostoru, v tkivih, v organih in v njihovi svetlobi, katalizatorji, ki jih dano tkivo proizvaja, določajo njegove specifične lastnosti in vlogo pri telo.

Večina encimov je zelo specifičnih, kar pomeni, da je vsak od njih odgovoren samo za eno vrsto kemične reakcije, v katero so vključeni določeni delci – substrati, in samo ti lahko komunicirajo z danim encimom.

Aktivnost naravnih katalizatorjev je odvisna od številnih dejavnikov: reakcijskega okolja, npr. temperature, pH, prisotnosti določenih ionov, aktivatorjev - krepijo delovanje encimov in inhibitorjev, ki preprečujejo to aktivnost.

Encimi: struktura

Kot že omenjeno, je večina encimov beljakovin, imajo zelo raznoliko strukturo: od nekaj deset aminokislin do nekaj tisoč razporejenih v raznoliko prostorsko strukturo.

Je oblika njihove tvorbe (tako imenovana kvartarna struktura) in dejstvo, da je večina encimov veliko večjih od reaktantov njihovih reakcij, je v veliki meri odgovorna za njihovo aktivnost.

To je posledica dejstva, da je le določeno območje v strukturi encimov tako imenovano aktivno mesto, to je fragment, ki je odgovoren za izvedbo reakcije.

Naloga preostalih fragmentov molekule je, da pritrdijo določen substrat, redkeje druge spojine, ki vplivajo na aktivnost encima.

Dobro je vedeti to konstrukcijokatalizatorja je zasnovan tako, da je spojni substrat idealno geometrijsko usklajen, kot je "ključ od ključavnice".

Kot vse beljakovine se encimi proizvajajo v ribosomih iz genskega materiala, ki je tesno zapakiran v jedru - DNK, s čimer se ustvari tako imenovana primarna struktura.

Nato se večkrat zloži – spremeni svojo obliko, včasih doda sladkorje, kovinske ione ali maščobne ostanke.

Rezultat vseh teh procesov je nastanek aktivne kvartarne strukture, torej popolnoma biološko aktivne oblike.

V mnogih primerih se več encimskih delcev združi, da izvede vrsto kemičnih reakcij in tako pospeši proces.

Včasih so v več tkivih encimi, ki katalizirajo isto reakcijo, vendar si med seboj niso podobni, imenujemo jih izoencimi.

Imena izoencimov so enaka, kljub razliki v lokaciji in strukturi, vendar imajo te razlike praktično uporabo. Zahvaljujoč temu je mogoče v laboratorijskih preiskavah določiti samo tiste frakcije encima, ki prihajajo iz določenega organa.

Mehanizmi delovanja encimov so različni, vendar je s kemičnega vidika njihova naloga vedno znižati aktivacijsko energijo reakcije. To je količina energije, ki jo morajo imeti substrati, da se proces izvede.

Ta učinek je mogoče doseči z ustvarjanjem ustreznega okolja za reakcijo, z uporabo drugačne kemične poti za pridobivanje istih produktov ali z ustrezno prostorsko razporeditvijo substratov.

Vsak od teh mehanizmov lahko uporabljajo encimi.

Regulacija encimske aktivnosti

Delovanje encimov je odvisno od okoljskih parametrov: temperature, pH in drugih. Vsak naravni katalizator ima svojo optimalno zmogljivost pod določenimi pogoji, ki so lahko različno široki, odvisno od njegove tolerance na okoljske razmere.

V primeru temperature je večina encimskih reakcij pri višjih temperaturah hitrejša, vendar pri določeni temperaturi učinkovitost reakcije močno pade, kar je posledica toplotne poškodbe encima (denaturacija).

Glede na njihovo strukturo lahko hormone razdelimo v dve skupini:

  • preprosto - samo beljakovinski delci
  • kompleks - ki zahteva dodatek nebeljakovinske skupine - kofaktor

Slednji igrajo ključno vlogo pri pravilnem delovanju in regulaciji encimov.

Kofaktorje lahko razdelimo v dve skupini: tiste, ki so potrebni zaaktivnosti encima, ki so močno povezane z njim - to so tako imenovane prostetične skupine, lahko so kovine, organske molekule, kot je na primer hem.

Druga skupina so koencimi, običajno so odgovorni za prenos substratov ali elektronov, njihova vezava na encim pa je šibka, v to skupino spadajo na primer folna kislina, koencim A. Vedeti je treba, da veliko vitaminov igra vlogo kofaktorjev.

Inhibitorji opravljajo popolnoma drugačno nalogo, so delci, ki zavirajo encimsko aktivnost tako, da se vežejo na encim.

Obstaja več vrst zaviralcev:

  • nepovratno - povzročijo trajno inaktivacijo molekule in reakcija se lahko zgodi šele po proizvodnji novega encima
  • konkurenčno - v tem primeru ima inhibitor podobno strukturo kot substrat, zato tekmujejo za aktivno mesto. Če je pritrjen inhibitor, do reakcije ne pride, če substrat - poteka normalno
  • nekonkurenčno - takšni inhibitorji vežejo encim na drugem mestu kot na substratu, tako da se lahko veže na encim, vendar reakcija ne poteka

Pri veliko višji koncentraciji substrata od inhibitorja je učinek kompetitivnega inhibitorja presežen, ker premaga "konkurenco" za aktivno mesto, v primeru nekonkurenčnega njegovega učinka ni mogoče premagati s povečanjem koncentracije substrata.

Poleg regulacije sistemov aktivatorjev in inhibitorjev obstaja veliko drugih metod za nadzor aktivnosti encimov.

Nanašajo se na nadzor celice nad proizvodnjo na ravni tvorbe beljakovin, pa tudi na regulacijo tako imenovane posttranslacijske obdelave, to je sprememb v strukturi beljakovinske molekule, ki se pojavijo takoj po njeni sintezi v ribosom. Te spremembe so na primer v skrajšanju polipeptidne verige.

Naslednje metode regulacije zadevajo segregacijo in umestitev encimov v ustrezna področja: celične in specifične organele ali v zunajcelični predel.

Obstaja še en pomemben regulativni mehanizem - negativna povratna informacija - to je primarni nadzorni sistem v endokrinem sistemu. Deluje na principu inhibicije.

To pomeni, da če encim proizvede preveč določenega hormona, se veže nanj, zavira njegovo aktivnost in zmanjša sintezo, zato produkt reakcije sam zavira njegovo proizvodnjo.

Encimi: vloga

Vsako tkivo človeškega telesa proizvaja določen nabor encimov, ki opredeljujejo vlogo teh celic pri delovanju telesa. Kateri so ti encimi, določa genetska koda in katere regije so aktivne v dani celici.

V človeškem telesu se kadar koli odvija na tisoče kemičnih reakcij, od katerih vsaka zahteva določen encim, zato bi bilo težko našteti vse te delce, ki so prisotni v našem telesu.

Vredno je vedeti o nekaterih najbolj značilnih:

  • Prebavni encimi- ki jih proizvajajo tkiva prebavnega sistema, razgradijo hrano na preproste spojine, saj se le te lahko absorbirajo v kri. So zunajcelični encimi, zato svojo glavno nalogo opravljajo zunaj celic, v katerih nastajajo. Nekateri od teh encimov nastanejo v neaktivni obliki, tako imenovani proencimi ali zimogeni, in se aktivirajo v prebavilih. Prebavni encimi vključujejo na primer: amilazo, lipazo, tripsin.
  • Miozinje encim, ki ga najdemo v mišicah, razgrajuje molekule ATP, ki so nosilci energije, kar povzroči krčenje mišičnih vlaken.
  • Peroksidazeso oksidacijski encimi in katalaze, t.j. redukcijski encimi
  • Acetilholinesterazaje encim, ki razgrajuje acetilholin, enega od prenašalcev v živčnem sistemu
  • Monoamin oksidazaje encim, ki ga je največ v jetrih, odgovoren je za razgradnjo adrenalina, noradrenalina in nekaterih zdravil
  • Citohomska oksidaza , zelo pomemben znotrajcelični encim, odgovoren za energetske transformacije
  • lizozim , snov, prisotna na primer v solzah ali slini, ki opravlja zaščitne funkcije, uničuje patogene
  • Alkoholna dehidrogenaza , encim v jetrih, odgovoren za razgradnjo etanola
  • Alkalna fosfatazasodeluje pri izgradnji kosti z osteoblasti

Encimi: poimenovanje

Imena encimov so pogosto precej zapletena, saj izhajajo iz imena reakcije, ki jo izvajajo, in substrata, ki je vključen v to reakcijo, na primer 5-hidroksitriptofan dekarboksilaza.

Običajno se splošnemu imenu reakcije doda končnica "-aza", drugi del imena encima pa tvori ime spojine, ki je podvržena tej reakciji.

Včasih je ime eno samo, izhaja iz substrata, na primer laktaze (encim, ki razgrajuje laktozo).

Bolj redkeje imena encimov izhajajo iz splošnega procesa, ki poteka z njihovo udeležbo, na primer DNK giraza, encim, ki je odgovoren za obračanje verig DNK.

Nekateri encimi imajo končno splošna imena ali imena, ki so jih dali njihovi odkritelji, na primer pepsin (ki razgrajuje beljakovine v prebavnem traktu) ali lizocim (baktericidni encim, ki ga vsebujesolze).

Obstaja tudi majhna skupina restrikcijskih encimov, ki so odgovorni za rezanje verig DNK, v tem primeru ime izvira iz mikroorganizma, iz katerega je bil encim izoliran.

Mednarodna zveza za biokemijo in molekularno biologijo je uvedla pravila za poimenovanje encimov in jih razdelila v več razredov, da bi standardizirala nomenklaturo.

Ni nadomestilo prej opisanih imen, temveč je dodatek, ki ga uporabljajo predvsem znanstveniki.

V skladu s pravili Evropske unije je vsak encim opisan z zaporedjem znakov: EC x.xx.xx.xx - kjer prva številka pomeni razred, naslednje podrazrede in podrazrede in končno število encima. Ti razredi encimov so:

• 1 - oksidoreduktaze: katalizirajo oksidacijske in redukcijske reakcije
• 2 - transferaze: prenašajo funkcionalne skupine (npr. fosfat)
• 3 - hidrolaze: ustrezajo hidrolizi (razpad) vezi
• 4 - liaze: prerežite vezi na drugačen mehanizem kot hidroliza
• 5 - izomeraze: so odgovorne za prostorske spremembe molekul
• 6 - ligaze: povežite molekule s kovalentnimi vezmi

Encimi in zdravila

Pomen encimov za zdravje ljudi je ogromen. Njihovo pravilno delovanje omogoča zdravo življenje, z razvojem analitičnih naprav pa smo se naučili diagnosticirati različne bolezni s pomočjo encimskega določanja. Še več, lahko uspešno zdravimo pomanjkljivosti nekaterih encimov in posledično bolezni, žal pa je pri tej zadevi še veliko za postoriti.

Zdravljenje vzrokov presnovnih bolezni še ni mogoče, ker ne moremo varno in učinkovito modificirati genskega materiala, da bi popravil poškodovane gene in s tem nepravilno proizvedene encime.

Bolezni, ki so posledica disfunkcionalnih encimov

Pravilno delovanje našega telesa je v veliki meri odvisno od pravilnega delovanja encimov. V mnogih primerih bolezenska stanja vplivajo na količino encimov, zaradi česar se prekomerno sproščajo iz celic ali, nasprotno, primanjkuje. Spodaj so le primeri bolezni, ki jih povzročajo nenormalne encimske funkcije, teh bolezni je veliko več.

  • Presnovni bloki ali presnovne bolezni

Presnovni bloki ali presnovne bolezni so skupina dednih bolezni, ki nastanejo zaradi kopičenja snovi v celici zaradi pomanjkanja encima, odgovornega za njihovo presnovo. Substratov, ki se sčasoma naberejo, je toliko, da postanejo strupeni za celice in celoten organizem.

Obstaja več tisoč bolezni, njihovo število odraža množicoencimi, ki jih najdemo v človeškem telesu, saj lahko na večino genov, ki kodirajo encime, vplivajo presnovne bolezni.

Primera sta galaktosemija ali homocistinurija, ki sta redki bolezni, ki se najpogosteje kažeta takoj po rojstvu ali v prvih letih življenja.

  • Nowotwory

Druga skupina bolezni, ki lahko vključujejo nepravilno delovanje encimov, je rak. Poleg številnih drugih funkcij so za uravnavanje celične delitve odgovorni tudi encimi, tako imenovane tirozin kinaze. Če ti encimi na tem področju ne uspejo, lahko pride do nenadzorovane delitve celic in s tem do rakavega procesa.

  • Emfizem

Manj pogosta bolezen je emfizem, v tem primeru postane elastaza prekomerno aktivna. To je encim, prisoten v pljučnem tkivu, odgovoren za razgradnjo beljakovine elastina, ki je med drugim prisoten v pljučih.

Če je preveč aktiven, se ravnotežje med uničenjem in gradnjo poruši, nastane brazgotinjenje in razvije se emfizem.

Encimi: diagnostična uporaba

Sodobna medicinska diagnostika temelji na uporabi encimov pri njihovem določanju. To je posledica dejstva, da bolezenska stanja neposredno ali posredno vodijo do neravnovesja encimov, kar povzroča povečanje ali zmanjšanje njihove količine v krvi.

To je lahko posledica ne le motenj v proizvodnji, temveč tudi na primer sproščanja velike količine znotrajceličnega encima v kri ali urin kot posledica poškodbe njegove celične membrane.

Primeri encimov, uporabljenih v laboratorijskih raziskavah, so:

  • Kreatin kinaza - encim, prisoten v mišicah, tudi v srčni mišici, njegovo večkratno povečanje lahko kaže na srčni infarkt, miokarditis, mišične bolezni - poškodbe, distrofijo
  • Laktat dehidrogenaza - prisotna v vseh celicah telesa, zlasti v možganih, pljučih, belih krvnih celicah in mišicah. Njegovo veliko povečanje opazimo pri srčnem napadu, boleznih mišic in jeter ali raku.
  • Alkalna fosfataza se nahaja v največji količini v jetrih in kosteh, tukaj jo sproščajo osteoblasti. Bolezni teh organov lahko povzročijo njegovo rast, vendar lahko presežek alkalne fosfataze kaže tudi na proces regeneracije kosti – po operaciji ali zlomu.
  • Kisla fosfataza se pojavlja v mnogih organih - jetrih, ledvicah, kosteh, prostati, z diagnostičnega vidika lahko njeno povečanje kaže na bolezni kosti in prostate.
  • aminotransferazaasparagin in alanin aminotransferaza - to sta encimi, značilni za jetra, ki se pojavljata skoraj izključno v hepatocitih, uporabljata se pri osnovni presejalni diagnostiki bolezni jeter, njihova večkratna povečanja pa vedno spodbujajo nadaljnjo diagnozo bolezni jeter.
  • Glutamat dehidrogenaza in gamaglutamiltransferaza - drugi jetrni encimi, podobno kot zgoraj omenjeni, so pomembni pri diagnostiki bolezni tega organa in žolčevodov.
  • Amilaza je encim, ki je prisoten v mnogih organih, vendar je največja koncentracija dosežena v celicah trebušne slinavke in žlez slinavk, njena diagnoza je največjega pomena pri njihovih boleznih.
  • Lipaza je še en encim trebušne slinavke, po specifičnosti se razlikuje od amilaze, kar pomeni, da je lipaza prisotna samo v trebušni slinavki in odstopanja od norme pri določanju tega encima kažejo na bolezen trebušne slinavke.
  • Holinesteraza je encim, ki razgrajuje acetilholin - prenašalec v živčevju, kjer je prisoten tudi v največji količini, v diagnostiki se uporablja pri zastrupitvah z organofosfornimi spojinami.
  • Faktorji koagulacije in fibrinolize - to so snovi, ki jih proizvajajo jetra, ki sodelujejo pri strjevanju krvi, njihova določitev ni pomembna le pri ocenjevanju tega procesa, temveč tudi pri spremljanju delovanja jeter.
  • Alfa-fetoprotein - jetrni encim, katerega količina se poveča pri boleznih tega organa, vključno z rakom.
  • C-reaktivni protein - proizvajajo jetra, sodelujejo pri imunskem odzivu, njegova količina se poveča v krvi pri vnetnih stanjih - okužbah, poškodbah, avtoimunskih boleznih.
  • Ceruloplazmin - še en jetrni encim, katerega povečanje je značilno za Wilsonovo bolezen.
  • Piridinolin in deoksipiridinolin sta markerja resorpcije (uničenja) kosti, označujeta delovanje osteoklastov (osteogenih celic).
  • Mioglobin - kot smo že omenili, je spojina, značilna za mišice, zato bo njegovo povečanje kazalo na poškodbe skeletnih ali srčnih mišic.
  • Troponini - tako imenovani označevalci srčnega infarkta, to so encimi, ki uravnavajo krčenje mišičnih vlaken, še posebej jih je veliko v srčni mišici. Njegova poškodba povzroči sproščanje velikih količin troponinov v kri, ki se uporabljajo pri diagnostiki srčnih bolezni. Vendar je vredno zapomniti, da lahko povečanje troponinov kaže ne le na srčni infarkt, temveč tudi na njegovo pomanjkanje, okvare ventilov ali pljučno embolijo.

Vse zgoraj naštete encime je mogoče razvrstiti v več skupin:

  • sekretorni encimi- spodnja meja norme je diagnostična. To so encimi, ki jih fiziološko proizvajajo organi, vendar se pri boleznih njihovo število zmanjša, npr. faktorji strjevanja krvi
  • indikatorski encimi- rast je pomembna. Ta skupina encimov se pojavlja v velikem številu zaradi poškodb organov in uhajanja encimov, kot so troponini
  • izločevalni encimi- to so encimi, ki se normalno proizvajajo v lumnu različnih organov - ust, črevesja in sečil. Če je njihov iztok blokiran, pridejo v kri, npr. amilaza

Ne smemo pozabiti, da se encimi uporabljajo v sami medicinski diagnostiki. Biokemične analize se izvajajo z uporabo encimov, ustrezna interpretacija rezultatov encimskih reakcij pa omogoča zagotovitev rezultata laboratorijskega testa.

Encimi in zdravljenje

Številna zdravila delujejo tako, da vplivajo na delovanje encimov, bodisi tako, da povzročijo njihovo delovanje ali, nasprotno, tako, da so zaviralci. Obstajajo encimski nadomestki, kot sta pankreatin, ki vsebuje lipazo in amilazo, ki se uporabljata pri insuficienci trebušne slinavke.

Po drugi strani pa nekatere skupine zdravil zavirajo delovanje encimov, na primer zaviralcev angiotenzinske konvertaze, ki se uporabljajo med drugim pri hipertenziji in srčnem popuščanju, ali nekaterih antibiotikov, na primer amoksicilina, ki zavira encim bakterijsko transpeptidazo, ki preprečuje izgradnjo bakterijske celične stene in posledično se okužba zavira.

Nekateri strupi delujejo tudi tako, da vplivajo na encime. Cianid je močan zaviralec citokrom oksidaze, bistvene sestavine dihalne verige. Če ga blokirate, celici preprečite pridobivanje energije, kar vodi v njeno smrt.

Za pravilen potek življenjskih procesov celic je potrebna prisotnost številnih kemičnih snovi, ki med sabo ostajajo v strogih razmerjih in med katerimi nenehno potekajo kemične reakcije.

To nalogo opravljajo pravilno delujoči encimi, ki so potrebni za skoraj vsako kemično reakcijo, ki poteka s hitrostjo in učinkovitostjo, potrebno za pravilno delovanje človeškega telesa.

Delovanje encimov pospešuje te procese večkrat, pogosto celo stokrat, kar je pomembno, sami encimi se med reakcijami, ki potekajo, ne izrabijo.

Pomanjkanje katalizatorjev ali njihovo nepravilno delovanje lahko povzroči nastanek številnih bolezni. Po drugi strani pa vam spretno spreminjanje njihove dejavnosti omogoča uspešno ozdravitev številnih bolezni.

Enzimologija (znanost o encimih) je izjemno obsežna, anjen razvoj lahko prinese ne le znanstveni napredek, ampak tudi aktivno prispeva k razvoju medicine v smislu ne le zdravljenja, ampak tudi diagnostike.

O avtorjuPriklon. Maciej GrymuzaDiplomirala na Medicinski fakulteti Medicinske univerze v K. Marcinkowskega v Poznanu. Diplomiral je na univerzi z zelo dobrim uspehom. Trenutno je zdravnik na področju kardiologije in doktorski študent. Zanimajo ga predvsem invazivna kardiologija in implantabilni pripomočki (stimulatorji).

Pomagajte razvoju spletnega mesta, delite članek s prijatelji!

Kategorija:

Raziskave