Ensüümid: struktuur, funktsioonid ja tegevus

Ensüümid on kõigi Maa elusorganismide nõuetekohaseks toimimiseks hädavajalikud. Nad osalevad enamikus, kui mitte kõigis looduse keemilistes muutustes, see tähendab miljonites reaktsioonides nii taime- kui ka loomamaailmas. Tasub teada saada, mis on ensüümid, kuidas need toimivad ja milline on nende tähendus tänapäevase meditsiini jaoks.

Sisukord

1. Ensüümid: struktuur
2. Ensüümi aktiivsuse reguleerimine
3. Ensüümid: roll
4. Ensüümid: nomenklatuur
5. Ensüümid ja ravimid
6. Düsfunktsionaalsete ensüümide tagajärjel tekkivad haigused
7. Ensüümid: diagnostiline kasutamine
8. Ensüümid ja ravi

Ensüümid on valgumolekulid, mis kiirendavad või võimaldavad mitmesugustel keemilistel reaktsioonidel toimuda elusorganismides, sealhulgas inimkehas.

Keemiliselt on need katalüsaatorid, st osakesed, mis intensiivistavad reaktsiooni, kuid ei kulune reaktsiooni käigus. Keemiliste muundamiste efektiivsuse tõus on sageli tohutu, looduslikud katalüsaatorid võivad lühendada reaktsiooniaega mitmelt aastalt mitme sekundini.

Ensüüme leidub kõigis kehapiirkondades: rakkudes, rakuvälises ruumis, kudedes, elundites ja nende valguses määravad antud koe toodetud katalüsaatorid kindlaks selle spetsiifilised omadused ja rolli, mida see kehas mängib.

Enamik ensüüme on väga spetsiifilised, mis tähendab, et igaüks neist vastutab ainult ühe keemilise reaktsiooni tüübi eest, milles osalevad konkreetsed osakesed - substraadid, ja ainult nemad saavad antud ensüümiga suhelda.

Looduslike katalüsaatorite aktiivsus sõltub paljudest teguritest: reaktsioonikeskkonnast, nt temperatuurist, pH-st, teatud ioonide olemasolust, aktivaatoritest - need suurendavad ensüümide ja inhibiitorite toimet, mis neutraliseerivad selle aktiivsuse.

Ensüümid: struktuur

Nagu mainitud, on enamus ensüüme valgud, nende struktuur on väga mitmekesine: mitmekümnest aminohappest mitme tuhandeni, mis paiknevad mitmekesises ruumistruktuuris.

Nende aktiivsuse eest vastutab suuresti nende moodustumise vorm (nn kvaternaarne struktuur) ja see, et enamik ensüüme on palju suuremad kui nende reaktsioonide reagendid.

See on tingitud asjaolust, et ainult teatud piirkond ensüümide struktuuris on nn aktiivne koht, see tähendab reaktsiooni läbiviimise eest vastutav fragment.

Molekuli järelejäänud fragmentide ülesanne on kinnitada spetsiifiline substraat, harvemini muud ensüümi aktiivsust mõjutavad ühendid.

Tasub teada, et katalüsaatori struktuur on konstrueeritud nii, et ühendussubstraat sobiks ideaalselt "luku võtme" osas.

Nagu kõik valgud, toodetakse ribosoomides ensüüme ka tuumas tihedalt pakitud geneetilisest materjalist - DNA-st, luues nii nn primaarse struktuuri.

Seejärel läbib see mitu korda voltimist - muudab kuju, lisades mõnikord suhkruid, metalliioone või rasvajääke.

Kõigi nende protsesside tulemuseks on aktiivse kvaternaarse struktuuri moodustumine, st täielikult bioloogiliselt aktiivne vorm.

Paljudel juhtudel ühendavad mitmed ensüümiosakesed keemiliste reaktsioonide seeria ja kiirendavad seega protsessi.

Juhtub, et mitmes koes leidub ensüüme, mis katalüüsivad sama reaktsiooni, kuid need ei ole üksteiselt struktuurilt sarnased, nimetame neid isoensüümideks.

Isoensüümide nimed on vaatamata asukoha ja struktuuri erinevusele samad, kuid neil erinevustel on praktiline rakendus. Tänu sellele on laboratoorsetes testides võimalik määrata ainult need ensüümide fraktsioonid, mis pärinevad konkreetsest elundist.

Ensüümide toimemehhanismid on erinevad, kuid keemilisest vaatenurgast on nende ülesanne alati vähendada reaktsiooni aktivatsioonienergiat. See on energiahulk, mis aluspindadel peab protsessi toimumiseks olema.

Selle efekti saab saavutada, luues sobiva keskkonna reaktsiooni läbiviimiseks, kasutades samade saaduste saamiseks erinevat keemilist rada või substraatide sobivat ruumilist paigutust.

Kõiki neid mehhanisme saavad ensüümid kasutada.

Ensüümi aktiivsuse reguleerimine

Ensüümide toime sõltub keskkonnaparameetritest: temperatuurist, pH-st ja teistest. Igal looduslikul katalüsaatoril on teatud tingimustel oma optimaalne jõudlus, mis võib sõltuvalt keskkonnatingimuste taluvusest olla üldjoontes erinev.

Temperatuuri korral kulgevad enamus ensümaatilisi reaktsioone kõrgematel temperatuuridel kiiremini, kuid teatud temperatuuril langeb reaktsiooni efektiivsus järsult, mille põhjustab ensüümi termiline kahjustus (denaturatsioon).

Struktuuri poolest võib hormoone jagada kahte rühma:

• lihtne - need on ainult valguosakesed
• kompleks - mis nõuavad mitte-valgurühma kinnitamist - kofaktor nende aktiivsusele

Viimastel on võtmeroll ensüümide korralikul aktiivsusel ja reguleerimisel.

Kofaktorid saab omakorda jagada kahte rühma: need, mis on vajalikud ensüümi toimimiseks, tihedalt seotud sellega - need on nn proteesigrupid, need võivad olla metallid, orgaanilised molekulid, näiteks näiteks heem.

Teine rühm on koensüümid, tavaliselt vastutavad nad substraatide või elektronide ülekande eest ning nende seondumine ensüümiga on nõrk, sellesse rühma kuuluvad näiteks foolhape, koensüüm A. Tasub teada, et paljud vitamiinid toimivad kofaktoritena.

Inhibiitorid täidavad täiesti erinevat ülesannet, need on osakesed, mis ensüümiga seondumisel pärsivad ensümaatilist aktiivsust.

Inhibiitorid on mitut tüüpi:

• pöördumatud - need põhjustavad molekuli püsivat inaktivatsiooni ja reaktsioon saab toimuda alles pärast uue ensüümi tootmist
  
  
• konkurentsivõimeline - sel juhul on inhibiitoril substraadiga sarnane struktuur, nii et nad konkureerivad aktiivse saidi pärast. Kui on kinnitatud inhibiitor, siis reaktsioon ebaõnnestub seni, kuni substraat on normaalne
  
  
• mittekonkureeriv - sellised inhibiitorid seovad ensüümi mujal kui substraat kinnitub, nii et see võib ensüümi külge kinnituda, kuid reaktsioon ei toimu

Inhibiitorist palju suurema substraadi kontsentratsiooni korral ületatakse konkureeriva inhibiitori mõju, kuna see ületab aktiivse saidi "konkurentsi", mittekonkureeriva korral ei saa selle mõju substraadi kontsentratsiooni suurendamisega ületada.

Lisaks aktivaatori ja inhibiitori süsteemide reguleerimisele on ensüümide aktiivsuse kontrollimiseks palju muid meetodeid.

Need puudutavad raku tootmise kontrolli valgu moodustumise tasandil, samuti nn translatsioonijärgse töötlemise reguleerimist, see tähendab valgu molekuli struktuuri muutusi, mis toimuvad vahetult pärast selle sünteesi ribosoomis. Need modifikatsioonid lühendavad näiteks polüpeptiidahelat.

Teised reguleerimismeetodid käsitlevad ensüümide eraldamist ja paigutamist sobivatesse piirkondadesse: rakulistesse ja spetsiifilistesse organellidesse või rakuvälisse sektsiooni.

On veel üks oluline regulatiivne mehhanism - negatiivne tagasiside - see on endokriinsüsteemi esmane kontrollisüsteem. See töötab pärssimise põhimõttel.

See tähendab, et kui ensüüm toodab teatud hormooni liiga palju, seondub ta sellega, pärssides selle aktiivsust ja vähendades sünteesi, nii et reaktsioonisaadus ise pärsib selle tootmist.

Ensüümid: roll

Iga inimkeha kude toodab spetsiifilist ensüümide komplekti, mis määratleb nende rakkude rolli organismi töös. Mis need ensüümid on, määratletakse geneetilise koodi järgi ja millised piirkonnad on antud rakus aktiivsed.

Inimese kehas toimub igal ajal tuhandeid keemilisi reaktsioone, millest igaüks vajab spetsiifilist ensüümi, mistõttu oleks raske loetleda kõiki neid meie kehas leiduvaid osakesi.

Siiski tasub teada mõnest kõige iseloomulikumast:

• Seedeensüümid - seedesüsteemi kudede toodetud, lagundavad nad toidu lihtsateks ühenditeks, sest ainult neid saab verre imenduda. Need on rakuvälised ensüümid, nii et nad täidavad oma põhiülesannet väljaspool rakke, kus neid toodetakse. Mõned neist ensüümidest moodustuvad mitteaktiivses vormis, nn proensüümid või tsümogeenid ja aktiveeruvad seedetraktis. Seedeensüümide hulka kuuluvad näiteks amülaas, lipaas, trüpsiin.
  
  
• Müosiin on lihastes leiduv ensüüm, see lagundab ATP molekule, mis on energiakandjad, tänu millele põhjustab see lihaskiudude kokkutõmbumist.
  
  
• Peroksüdaasid on oksüdeerivad ensüümid ja katalaasid, st redutseerivad ensüümid
  
  
• Atsetüülkoliinesteraas on ensüüm, mis lagundab atsetüülkoliini, mis on üks närvisüsteemi sõnumitoojatest
  
  
• Monoamiini oksüdaas on ensüüm, mida on maksas kõige rohkem ja mis vastutab adrenaliini, norepinefriini ja mõnede ravimite lagundamise eest
  
  
• Tsütokoomi oksüdaas, väga oluline rakusisene ensüüm, mis vastutab energia muutuste eest
  
  
• Lüsosüüm, nt pisarates või süljes esinev aine, mis täidab kaitsefunktsioone, hävitab patogeene
  
  
• Alkoholdehüdrogenaas, maksaensüüm, mis vastutab etanooli lagundamise eest
  
  
• Leeliseline fosfataas, osaleb luu moodustamises osteoblastide poolt

Ensüümid: nomenklatuur

Ensüümide nimed on sageli üsna keerukad, kuna need tuletatakse nende läbiviidava reaktsiooni nimest ja reaktsioonis osalevast substraadist, näiteks 5-hüdroksütrüptofaandekarboksülaasist.

Tavaliselt lisatakse reaktsiooni üldnimele järelliide "-aza" ja ensüümi nime teine ​​osa moodustatakse selles reaktsioonis oleva ühendi nime järgi.

See juhtub, et nimi on üksik, siis pärineb see substraadist, nt laktaas (laktoosi lagundav ensüüm).

Harvem tulenevad ensüümide nimed üldisest protsessist, mis toimub nende osalusel, näiteks DNA güraas, st ensüüm, mis vastutab DNA ahelate pöörlemise eest.

Mõnel ensüümil on lõpuks nende avastaja poolt antud üldnimed või nimed, näiteks pepsiin (mis lagundab seedetraktis olevaid valke) või lüsosüüm (bakterites sisalduv ensüüm, mis sisaldub pisarates).

Samuti on väike rühm restriktsiooniensüüme, mis vastutavad DNA ahelate lõikamise eest, antud juhul pärineb nimi mikroorganismilt, millest ensüüm eraldati.

Rahvusvaheline biokeemia ja molekulaarbioloogia liit tutvustas ensüümide nimetamise reegleid ja jagas need nomenklatuuri ühtlustamiseks mitmesse klassi.

See ei asendanud varem kirjeldatud nimesid, see on pigem lisa, mida kasutavad peamiselt teadlased.

Vastavalt EL reeglitele kirjeldatakse iga ensüümi tähemärkide jadaga: EC x.xx.xx.xx - kus esimene number tähistab klassi, järgnevad alaklassid ja alaklassid ning lõpuks ensüümi number. Mainitud ensüümiklassid on:

• 1 - oksüdoreduktaasid: katalüüsivad oksüdatsiooni- ja redutseerimisreaktsioone
• 2 - transferaasid: funktsionaalsete rühmade (nt fosfaat) ülekandmine
• 3 - hüdrolaasid: vastavad sidemete hüdrolüüsile (lagunemisele)
• 4 - lüaasid: sidemed purustatakse hüdrolüüsist erineva mehhanismiga
• 5 - isomeraasid: nad vastutavad molekulide ruumiliste muutuste eest
• 6 - ligaasid: ühendage molekulid kovalentsete sidemetega

Ensüümid ja ravimid

Ensüümide tähtsus inimeste tervisele on tohutu. Nende nõuetekohane toimimine võimaldab tervislikku elu ja tänu analüüsiseadmete väljatöötamisele oleme õppinud ensüümide määramise abil diagnoosima erinevaid haigusi. Pealegi suudame edukalt ravida mõnede ensüümide puudujääke ja sellest tulenevaid haigusi, kuid kahjuks on selles küsimuses veel palju teha.

Ainevahetushaiguste põhjuste ravi pole veel võimalik, sest me ei suuda kahjustatud geenide ja seega valesti toodetud ensüümide parandamiseks geneetilist materjali ohutult ja tõhusalt modifitseerida.

Düsfunktsionaalsete ensüümide tagajärjel tekkivad haigused

Meie keha nõuetekohane toimimine sõltub suuresti ensüümide õigest toimimisest. Paljudel juhtudel mõjutavad haigusseisundid ensüümide hulka, põhjustades nende rakkudest ülemäärast vabanemist või vastupidi puudulikkust.Järgnevad on ainult näited haigustest, mis on põhjustatud ebanormaalsetest ensümaatilistest funktsioonidest, neid on palju rohkem.

• Ainevahetusblokid või ainevahetushaigused

Ainevahetusblokid ehk ainevahetushaigused on rühm pärilikke haigusi, mis on põhjustatud ainete kuhjumisest rakku nende ainevahetuse eest vastutava ensüümi puudumise tõttu. Aja jooksul kogunenud substraate on nii palju, et need muutuvad rakkudele ja kogu organismile mürgiseks.

Neid haigusi on mitu tuhat, nende arv peegeldab inimkehas leiduvate ensüümide paljusust, kuna ainevahetushaigused võivad mõjutada enamikku ensüüme kodeerivaid geene.

Näideteks on galaktoseemia või homotsüstinuuria, mis on haruldased haigused, mis avalduvad kõige sagedamini vahetult pärast sündi või esimestel eluaastatel.

• Kasvajad

Teine haiguste rühm, kus ensüümide talitlushäired võivad olla seotud, on vähk. Lisaks paljudele muudele funktsioonidele vastutavad ensüümid ka rakkude jagunemise, nn türosiinikinaaside, reguleerimise eest. Kui need ensüümid selles piirkonnas ebaõnnestuvad, võib tekkida kontrollimatu rakkude jagunemine ja seetõttu neoplastiline protsess.

• Emfüseem

Vähem levinud haigus on emfüseem, sel juhul muutub elastaas üliaktiivseks. See on kopsukoes leiduv ensüüm, mis vastutab muu hulgas kopsudes oleva elastiinvalgu lagundamise eest.

Kui see on liiga aktiivne, on tasakaal hävitamise ja ehitamise vahel häiritud, tekivad armid ja areneb emfüseem.

Ensüümid: diagnostiline kasutamine

Kaasaegne meditsiiniline diagnostika põhineb ensüümide kasutamisel nende määramisel. See on tingitud asjaolust, et haigusseisundid viivad otseselt või kaudselt ensüümide tasakaalu rikkumiseni, põhjustades nende hulga suurenemist või vähenemist veres.

See võib tuleneda mitte ainult tootmishäiretest, vaid ka näiteks rakusisese ensüümi suure hulga vabanemisest verre või uriini rakumembraani kahjustuse tagajärjel.

Laborikatsetes kasutatavate ensüümide näited on:

• Kreatiinkinaas - ensüüm, mis esineb lihastes, ka südamelihases, selle mitmekordne tõus võib viidata südameatakkile, müokardiidile, lihasehaigustele - vigastustele, düstroofiale.
  
  
• Laktaatdehüdrogenaas - esineb kõigis keharakkudes, eriti ajus, kopsudes, valgelibledes ja lihastes. Selle suurt kasvu täheldatakse müokardiinfarkti, lihaste ja maksa haiguste või vähi korral.
  
  
• Leeliselist fosfataasi leidub enamasti maksas ja luudes, siin vabastavad selle osteoblastid. Nende elundite haigused võivad põhjustada selle kasvu, kuid leeliselise fosfataasi liig võib viidata ka luude taastumisprotsessile - pärast operatsiooni või luumurdu.
  
  
• Happefosfataasi esineb paljudes elundites - maksas, neerudes, luudes, eesnäärmes, diagnostiline vaatepunkt võib selle suurenemine viidata luu- ja eesnäärmehaigustele.
  
  
• Aspartaataminotransferaas ja alaniinaminotransferaas - need on maksale iseloomulikud ensüümid, mis esinevad peaaegu eranditult hepatotsüütides, neid kasutatakse maksahaiguste põhiskriiningdiagnoosimisel ning nende väärtuste mitmekordne tõus tingib alati maksahaiguste edasise diagnostika.
  
  
• Glutamaatdehüdrogenaas ja gammaglutamüültransferaas - sarnaselt eelmainitutele on muud maksaensüümid olulised selle organi ja sapiteede haiguste diagnoosimisel.
  
  
• Amülaas on ensüüm, mis esineb paljudes elundites, kuid suurim kontsentratsioon saavutatakse kõhunäärme ja süljenäärmete rakkudes, selle diagnoosimisel on nende haiguste puhul kõige suurem tähtsus.
  
  
• Lipaas on veel üks pankrease ensüüm, see erineb spetsiifilisuse poolest amülaasist, mis tähendab, et lipaasi esineb ainult kõhunäärmes ja kõrvalekalded normist selle ensüümi määramisel viitavad pankrease haigusele.
  
  
• Koliinesteraas on ensüüm, mis lagundab atsetüülkoliini - närvisüsteemi ülekandjat, kus seda on ka kõige rohkem, diagnostikas kasutatakse fosfororgaaniliste ühenditega mürgitamisel.
  
  
• Hüübimis- ja fibrinolüüsifaktorid - need on maksa toodetud ained, mis on seotud vere hüübimisega, nende määramine on oluline mitte ainult selle protsessi hindamisel, vaid ka maksafunktsiooni jälgimisel.
  
  
• Alfa-fetoproteiin - maksaensüüm, mille kogus suureneb selle organi haiguste, sealhulgas vähi korral.
  
  
• C-reaktiivne valk - toodetud maksas, osaledes immuunvastuses, suureneb selle kogus veres põletikuliste seisundite korral - infektsioonid, vigastused, autoimmuunhaigused.
  
  
• Ceruloplasmin - teine ​​maksaensüüm, mille tõus on iseloomulik Wilsoni tõvele.
  
  
• Püridinoliin ja deoksüpüridinoliin on luu resorptsiooni (hävitamise) markerid ja need iseloomustavad osteoklastide (osteogeensete rakkude) funktsiooni.
  
  
• Müoglobiin - nagu varem mainitud - on lihastele iseloomulik ühend, seega näitab selle suurenemine skeleti või südamelihaste kahjustusi.
  
  
• Troponiinid - nn infarkti markerid, on ensüümid, mis reguleerivad lihaskiudude kokkutõmbumist, eriti palju on neid südamelihases. Selle kahjustus põhjustab suures koguses troponiinide vabanemist verre, mida kasutatakse südamehaiguste diagnoosimisel. Siiski tasub meeles pidada, et troponiinide suurenemine võib viidata mitte ainult südameatakile, vaid ka selle puudulikkusele, klapidefektidele või kopsuembooliale.

Kõiki ülalnimetatud ensüüme võib jagada mitmesse rühma:

• Sekretoorsed ensüümid - normi alumine piir on diagnostiline. Need on ensüümid, mida elundid füsioloogiliselt toodavad, kuid haiguste korral väheneb nende arv, nt hüübimisfaktorid
  
  
• Indikaatorensüümid - kasv on oluline. See ensüümide rühm ilmneb suures koguses elundikahjustuste ja ensüümide lekke tõttu, nende hulka kuuluvad näiteks troponiinid
  
  
• eritusensüümid - need on ensüümid, mida toodetakse tavaliselt erinevate elundite - suu, soolte ja kuseteede - valendikus. Kui nende väljalaskeava on blokeeritud, satuvad nad verre, näiteks amülaasi

Tasub meeles pidada, et ensüüme kasutatakse meditsiinilises diagnoosimises endas. Biokeemilised analüüsid viiakse läbi ensüümide abil ja ensümaatiliste reaktsioonide tulemuste asjakohane tõlgendamine võimaldab saada laborikatse tulemuse.

Ensüümid ja ravi

Paljud ravimid mõjutavad ensüümide toimet, kas põhjustades nende toime või vastupidi, olles inhibiitorid. Pankrease puudulikkuse korral kasutatakse selliseid ensüümiasendajaid nagu lipaasi sisaldav pankreatiin ja amülaas.

Teiselt poolt pärsivad mõned ravimirühmad ensüümide toimet, nt angiotensiini konverteeriva ensüümi inhibiitorid, mida kasutatakse muu hulgas hüpertensiooni ja südamepuudulikkuse korral, või mõned antibiootikumid, näiteks amoksitsilliin, mis pärsib bakteriaalse rakuseina moodustumist takistavat ensüümi bakteriaalset transpeptidaasi ja seetõttu pärsib infektsioon.

Mõned mürgid toimivad ka ensüüme mõjutades. Tsüaniid on tugev hingamisteede ahela olulise komponendi tsütokroomoksüdaasi inhibiitor. Selle blokeerimine takistab rakul energiat saamast, mis viib tema surma.

Rakkude eluprotsesside õigeks kulgemiseks on vajalik paljude keemiliste ainete olemasolu, mis jäävad omavahel ranges vahekorras ja mille vahel toimuvad pidevalt keemilised reaktsioonid.

Selle ülesande täidavad korralikult töötavad ensüümid, mis on vajalikud peaaegu kõigi keemiliste reaktsioonide toimumiseks inimese keha nõuetekohaseks toimimiseks vajaliku kiiruse ja efektiivsusega.

Ensüümide toime kiirendab neid protsesse mitu korda, sageli isegi sadu kordi, mis on oluline, ensüümid ise ei kulune toimuvate reaktsioonide käigus.

Katalüsaatorite puudumine või nende sobimatu toimimine võib põhjustada paljude haiguste tekkimist. Teiselt poolt võimaldab nende tegevuse oskuslik muutmine edukalt ravida paljusid vaevusi.

Ensümoloogia (ensüümide teadus) on äärmiselt ulatuslik ja selle arendamine võib tuua lisaks teaduse arengule ka aktiivse panuse meditsiini arengusse mitte ainult ravi, vaid ka diagnostika valdkonnas.

Autori kohta

Kummardus. Maciej Grymuza Lõpetanud Meditsiini Ülikooli arstiteaduskonna K. Marcinkowski Poznańis. Ta lõpetas ülikooli liiga hea tulemusega. Praegu on ta kardioloogia valdkonna doktor ja doktorant. Eriti huvitab teda invasiivne kardioloogia ja siirdatavad seadmed (stimulaatorid).