Enzýmy: štruktúra, funkcie a pôsobenie

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

Obsah

1. Enzýmy: Štruktúra
2. Regulácia aktivity enzýmov
3. Enzýmy: Úloha
4. Enzýmy: Nomenklatúra
5. Enzýmy a lieky
6. Choroby spôsobené nefunkčnými enzýmami
7. Enzýmy: diagnostické použitie
8. Enzýmy a liečba

Enzýmy sú bielkovinové molekuly, ktoré urýchľujú alebo dokonca umožňujú, aby v živých organizmoch vrátane ľudského tela prebiehali rôzne chemické reakcie.

Z chemického hľadiska ide o katalyzátory, to znamená častice, ktoré zosilňujú reakciu, ale počas reakcie sa neopotrebúvajú. Toto zvýšenie účinnosti chemických premien je často obrovské, prírodné katalyzátory môžu skrátiť reakčný čas z niekoľkých rokov na niekoľko sekúnd.

Enzýmy sa nachádzajú vo všetkých oblastiach tela: v bunkách, v extracelulárnom priestore, v tkanivách, v orgánoch a na ich svetle to, čo katalyzátory dané tkanivo produkuje, určuje jeho špecifické vlastnosti a úlohu, ktorú v tele zohráva.

Väčšina enzýmov je veľmi špecifická, čo znamená, že každý z nich je zodpovedný iba 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, napríklad teplota, pH, prítomnosť určitých iónov, aktivátory - zvyšujú účinok enzýmov a inhibítorov, ktoré pôsobia proti tejto aktivite.

Enzýmy: Štruktúra

Ako už bolo spomenuté, väčšina enzýmov sú bielkoviny, ktoré majú veľmi rôznorodú štruktúru: od niekoľkých desiatok aminokyselín po niekoľko tisíc, usporiadaných do rozmanitej priestorovej štruktúry.

Je to forma ich vzniku (tzv. Kvartérna štruktúra) a za ich činnosť je z veľkej časti zodpovedný fakt, že väčšina enzýmov je oveľa väčšia ako reaktanty ich reakcií.

Je to tak kvôli skutočnosti, že iba určitá oblasť v štruktúre enzýmov je takzvaným aktívnym miestom, to znamená fragmentom zodpovedným za uskutočnenie reakcie.

Úlohou zvyšných fragmentov molekuly je pripojiť špecifický substrát, menej často ďalšie zlúčeniny ovplyvňujúce aktivitu enzýmu.

Stojí za to vedieť, že štruktúra katalyzátora je navrhnutá tak, aby spojovací substrát bol v ideálnom prípade zosúladený v zmysle „kľúča k zámku“.

Rovnako ako všetky proteíny, aj enzýmy sa produkujú v ribozómoch z genetického materiálu, ktorý je pevne zabalený v jadre - DNA, čím vytvárajú takzvanú primárnu štruktúru.

Potom sa niekoľkokrát podrobí skladaniu - zmene tvaru, niekedy pridaním cukrov, iónov kovov alebo mastných zvyškov.

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

V mnohých prípadoch sa niekoľko častíc enzýmu spojí, aby uskutočnilo sériu chemických reakcií, a tým urýchlilo proces.

Stáva sa, že v niekoľkých tkanivách existujú enzýmy, ktoré katalyzujú rovnakú reakciu, ale štruktúrne si nie sú navzájom vždy podobné, hovoríme im izoenzýmy.

Názvy izoenzýmov sú rovnaké aj napriek rozdielom v umiestnení a štruktúre, tieto rozdiely však majú praktické uplatnenie. Vďaka tomu je možné v laboratórnych testoch určiť iba tie enzýmové frakcie, ktoré pochádzajú z konkrétneho orgánu.

Mechanizmy pôsobenia enzýmov sú rôzne, ale z chemického hľadiska je ich úlohou vždy znížiť aktivačnú energiu reakcie. Toto je množstvo energie, ktoré musia mať substráty, aby mohol proces prebehnúť.

Tento efekt je možné dosiahnuť vytvorením vhodného prostredia na uskutočnenie reakcie, použitím inej chemickej cesty na získanie rovnakých produktov alebo vhodným priestorovým usporiadaním substrátov.

Každý z týchto mechanizmov môžu používať enzýmy.

Regulácia aktivity enzýmov

Pôsobenie enzýmov závisí od parametrov prostredia: teploty, pH a ďalších. Každý z prírodných katalyzátorov má svoj vlastný optimálny výkon za určitých podmienok, ktoré sa môžu značne líšiť v závislosti od jeho tolerancie k podmienkam prostredia.

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

Z hľadiska svojej štruktúry možno hormóny rozdeliť do dvoch skupín:

• jednoduché - sú to iba bielkovinové častice
• komplex - ktorý si vyžaduje pripojenie nebielkovinovej skupiny - kofaktora k ich aktivite

Posledne uvedené látky hrajú kľúčovú úlohu v správnej činnosti a regulácii enzýmov.

Kofaktory sa dajú zase rozdeliť do dvoch skupín: tie, ktoré sú potrebné na fungovanie enzýmu, sú s ním silne spojené - jedná sa o takzvané protetické skupiny, môžu to byť kovy, organické molekuly, 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 veľa vitamínov hrá úlohu kofaktorov.

Inhibítory vykonávajú 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 prebiehať až po produkcii nového enzýmu
  
  
• kompetitívne - v tomto prípade má inhibítor štruktúru podobnú substrátu, takže súťaží o aktívne miesto. Ak je pripojený inhibítor, reakcia zlyhá, pokiaľ je substrát normálny
  
  
• nekompetitívne - také inhibítory viažu enzým na inom mieste ako je substrát, ktorý sa viaže, takže sa môže na enzým naviazať, ale reakcia neprebehne

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

Okrem regulácie systému aktivátora a inhibítora existuje mnoho ďalších spôsobov riadenia aktivity enzýmu.

Týkajú sa kontroly produkcie bunky na úrovni tvorby proteínov, ako aj regulácie takzvaného posttranslačného spracovania, t. J. Zmien v štruktúre molekuly proteínu, ku ktorým dochádza bezprostredne po jej syntéze v ribozóme. Týmito modifikáciami sú napríklad skrátenie polypeptidového reťazca.

Ďalšie spôsoby regulácie sa týkajú segregácie a umiestnenia enzýmov do vhodných oblastí: bunkových a v špecifických organelách alebo v extracelulárnom kompartmente.

Existuje ešte jeden dôležitý regulačný mechanizmus - negatívna spätná väzba - je to primárny kontrolný systém v endokrinnom systéme. Funguje na princípe inhibície.

To znamená, že ak enzým produkuje príliš veľa určitého hormónu, viaže sa na neho a spôsobuje inhibíciu aktivity a zníženie syntézy, takže samotný reakčný produkt inhibuje jeho produkciu.

Enzýmy: Úloha

Každé tkanivo ľudského tela produkuje špecifickú sadu enzýmov, ktorá definuje úlohu týchto buniek vo fungovaní tela. Čo sú tieto enzýmy, je definované genetickým kódom a ktoré oblasti sú aktívne v danej bunke.

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

Stojí však za to vedieť o niekoľkých najcharakteristickejších:

• Tráviace enzýmy - produkované tkanivami tráviaceho systému, rozkladajú potravu na jednoduché zlúčeniny, pretože iba tieto sa môžu vstrebávať do krvi. Sú to extracelulárne enzýmy, takže svoju hlavnú úlohu plnia mimo buniek, kde sa produkujú. Niektoré z týchto enzýmov sa tvoria v neaktívnej forme, tzv. Proenzýmy alebo zymogény, a aktivujú sa v gastrointestinálnom trakte. Medzi tráviace enzýmy patrí napríklad amyláza, lipáza, trypsín.
  
  
• Myozín je enzým nachádzajúci sa vo svaloch, štiepi molekuly ATP, ktoré sú nosičmi energie, vďaka čomu spôsobuje stiahnutie svalových vlákien.
  
  
• Peroxidázy sú oxidačné enzýmy a katalázy, to znamená redukujúce enzýmy
  
  
• Acetylcholínesteráza je enzým, ktorý štiepi acetylcholín, jeden z poslov v nervovom systéme
  
  
• Monoaminooxidáza je najrozšírenejší enzým v pečeni a je zodpovedný za odbúravanie adrenalínu, noradrenalínu a niektorých liekov.
  
  
• Cytochóm oxidáza, veľmi dôležitý intracelulárny enzým zodpovedný za zmeny energie
  
  
• Lyzozým, látka prítomná napríklad v slzách alebo slinách, ktorá plní ochranné funkcie, ničí patogény
  
  
• Alkohol dehydrogenáza, enzým v pečeni, ktorý je zodpovedný za štiepenie etanolu
  
  
• Alkalická fosfatáza sa podieľa na tvorbe kostí osteoblastmi

Enzýmy: Nomenklatúra

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

Typicky sa k druhovému názvu reakcie pridáva prípona „-aza“ a druhá časť názvu enzýmu tvorí názov zlúčeniny podstupujúcej túto reakciu.

Stáva sa, že názov je jednoduchý, potom pochádza zo substrátu, napr. Laktázy (enzýmu, ktorý štiepi laktózu).

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

Niektoré enzýmy majú nakoniec spoločné názvy alebo tie, ktoré dáva ich objaviteľ, napríklad pepsín (štiepi proteíny v zažívacom trakte) alebo lyzozým (baktericídny enzým obsiahnutý v slzách).

Existuje tiež 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 pre biochémiu a molekulárnu biológiu zaviedla pravidlá pre pomenovanie enzýmov a rozdelila ich do niekoľkých tried s cieľom štandardizovať nomenklatúru.

Nenahradila skôr opísané názvy, je to skôr doplnok k nim, ktoré používajú predovšetkým vedci.

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

• 1 - oxidoreduktázy: katalyzujú oxidačné a redukčné reakcie
• 2 - transferázy: prenos funkčných skupín (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: spája molekuly kovalentnými väzbami

Enzýmy a lieky

Dôležitosť enzýmov pre ľudské zdravie je obrovská. Ich správna činnosť umožňuje zdravý život a vďaka vývoju analytických prístrojov sme sa naučili diagnostikovať rôzne choroby pomocou stanovenia enzýmov. A čo viac, sme schopní úspešne liečiť nedostatky niektorých enzýmov a z nich vyplývajúce choroby, ale bohužiaľ v tejto veci zostáva ešte veľa práce.

Liečba príčin metabolických chorôb zatiaľ nie je možná, pretože nie sme schopní bezpečne a efektívne modifikovať genetický materiál na opravu poškodených génov, a teda nesprávne vyrobených enzýmov.

Choroby spôsobené nefunkčnými enzýmami

Správne fungovanie nášho tela vo veľkej miere závisí od správneho fungovania enzýmov. Chorobné stavy v mnohých prípadoch ovplyvňujú množstvo enzýmov tak, že spôsobujú ich nadmerné uvoľňovanie z buniek alebo naopak nedostatok.Nasledujú iba príklady chorôb spôsobených abnormálnymi enzymatickými funkciami, je ich oveľa viac.

• Metabolické bloky alebo metabolické choroby

Metabolické bloky alebo metabolické choroby sú skupina dedičných chorôb spôsobených hromadením látok v bunke v dôsledku nedostatku enzýmu zodpovedného za ich metabolizmus. Podkladov nahromadených v priebehu času je toľko, že sa stávajú toxickými pre bunky a celý organizmus.

Existuje niekoľko tisíc týchto chorôb, ich počet odráža množstvo enzýmov nachádzajúcich sa v ľudskom tele, pretože metabolické choroby môžu ovplyvňovať väčšinu génov, ktoré kódujú enzýmy.

Príkladom je galaktozémia alebo homocystinúria, čo sú zriedkavé choroby, ktoré sa najčastejšie prejavia bezprostredne po narodení alebo v prvých rokoch života.

• Nádory

Ďalšou skupinou chorôb, na ktorých sa môže podieľať nesprávna funkcia enzýmu, je rakovina. Okrem mnohých ďalších 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 teda k neoplastickému procesu.

• Emfyzém

Menej častým ochorením je emfyzém, kedy dôjde k nadmernej aktivite elastázy. Je to enzým prítomný v pľúcnom tkanive, ktorý je zodpovedný okrem iného za štiepenie proteínu elastínu prítomného v pľúcach.

Ak je príliš aktívny, narušuje sa rovnováha medzi zničením a stavbou, objavujú sa jazvy a vyvíja sa emfyzém.

Enzýmy: diagnostické použitie

Moderná lekárska diagnostika je založená na použití enzýmov pri ich určovaní. Je to spôsobené tým, že chorobné stavy vedú priamo alebo nepriamo k nerovnováhe enzýmov, čo spôsobuje zvyšovanie alebo znižovanie ich množstva v krvi.

To môže byť dôsledkom nielen porúch výroby, ale aj napríklad uvoľnenia veľkého množstva intracelulárneho enzýmu do krvi alebo moču v dôsledku poškodenia jeho bunkovej membrány.

Príklady enzýmov používaných pri laboratórnych testoch sú:

• Kreatínkináza - enzým prítomný vo svaloch, tiež v srdcovom svale, jeho viacnásobné zvýšenie môže naznačovať infarkt, myokarditídu, svalové ochorenia - úrazy, dystrofiu.
  
  
• Laktátdehydrogenáza - je prítomná vo všetkých bunkách tela, najmä v mozgu, pľúcach, bielych krvinkách a svaloch. Jeho veľký nárast sa pozoruje pri infarktoch, ochoreniach svalov a pečene alebo pri rakovine.
  
  
• Alkalická fosfatáza sa nachádza väčšinou v pečeni a kostiach, tu ju uvoľňujú osteoblasty. Choroby týchto orgánov môžu spôsobiť jeho rast, ale prebytok alkalickej fosfatázy môže tiež naznačovať proces regenerácie kostí - po operácii alebo zlomenine.
  
  
• Kyselinová fosfatáza sa vyskytuje v mnohých orgánoch - pečeni, obličkách, kostiach, prostate, z diagnostického hľadiska môže jej zvýšenie naznačovať ochorenia kostí a prostaty.
  
  
• Aspartátaminotransferáza a alanínaminotransferáza - to sú enzýmy charakteristické pre pečeň, vyskytujúce sa takmer výlučne v hepatocytoch, používajú sa pri základnej skríningovej diagnostike ochorení pečene a ich niekoľkonásobné zvýšenie ich hodnôt vždy vedie k ďalšej diagnostike ochorení pečene.
  
  
• Glutamát dehydrogenáza a gamaglutamyltransferáza - ďalšie pečeňové enzýmy, podobne ako tie vyššie spomenuté, sú dôležité pri diagnostike chorôb 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 pri ich ochoreniach najväčší význam.
  
  
• Lipáza je ďalší pankreatický enzým, líši sa špecifickosťou od amylázy, čo znamená, že lipáza sa vyskytuje iba v pankrease a odchýlky od normy pri stanovení tohto enzýmu naznačujú ochorenie pankreasu.
  
  
• Cholinesteráza je enzým, ktorý štiepi acetylcholín - prenášač v nervovom systéme, kde je tiež prítomný v najväčšom množstve, v diagnostike sa používa pri otravách organickými zlúčeninami fosforu.
  
  
• Faktory zrážania a fibrinolýzy - sú to látky produkované pečeňou, ktoré sa podieľajú 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, zapojený do imunitnej odpovede, jeho množstvo sa zvyšuje v krvi pri zápalových stavoch - infekciách, úrazoch, autoimunitných ochoreniach.
  
  
• Ceruloplazmín - ďalší pečeňový enzým, ktorého zvýšenie je charakteristické pre Wilsonovu chorobu.
  
  
• Pyridinolín a deoxypyridinolín sú markermi kostnej resorpcie (deštrukcie) a charakterizujú aktivitu osteoklastov (osteogénnych buniek).
  
  
• Myoglobín - ako už bolo spomenuté, je zložkou charakteristickou pre svaly, takže jeho zvýšenie bude naznačovať poškodenie kostrových alebo srdcových svalov.
  
  
• Troponíny - takzvané markery srdcového infarktu, sú enzýmy, ktoré regulujú kontrakciu svalových vlákien, hojne sa vyskytujú 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 rozdeliť do niekoľkých skupín:

• Sekrečné enzýmy - dolná hranica normy je diagnostická. Ide o enzýmy, ktoré sú fyziologicky produkované orgánmi, ale v prípade chorôb ich počet klesá, napríklad faktory zrážania
  
  
• Indikátorové enzýmy - dôležitý je rast. Táto skupina enzýmov sa objavuje vo veľkom množstve v dôsledku poškodenia orgánov a úniku enzýmov, patria sem napríklad troponíny
  
  
• vylučovacie enzýmy - sú to enzýmy produkované normálne do lúmenu rôznych orgánov - úst, čriev a močových ciest. Ak je ich vývod zablokovaný, dostanú sa do krvi, napríklad amylázy

Stojí za to pamätať, že enzýmy sa používajú v samotnej lekárskej diagnostike. Biochemické analýzy sa uskutočňujú s použitím enzýmov a primeraná interpretácia výsledkov enzymatických reakcií umožňuje poskytnúť výsledok laboratórneho testu.

Enzýmy a liečba

Mnoho liekov účinkuje tak, že ovplyvňuje pôsobenie enzýmov buď tak, že spôsobujú ich pôsobenie, alebo naopak, že sú inhibítormi. Pre pankreatickú nedostatočnosť existujú enzýmové náhrady, ako je lipáza obsahujúca pankreatín a amyláza.

Na druhej strane niektoré skupiny liekov inhibujú pôsobenie enzýmov, napríklad inhibítory enzýmu konvertujúceho angiotenzín, ktoré sa používajú okrem iného pri hypertenzii a srdcovom zlyhaní, alebo niektoré antibiotiká, napríklad amoxicilín, ktorý inhibuje enzým bakteriálnu transpeptidázu, ktorá zabraňuje tvorbe bakteriálnej bunkovej steny, a tým inhibuje infekcie.

Niektoré jedy pôsobia aj ovplyvňovaním enzýmov. Kyanid je silným inhibítorom cytochrómoxidázy, základnej zložky dýchacieho reťazca. Jeho blokovanie bráni bunke získavať energiu, čo vedie k jej smrti.

Pre správny priebeh životných procesov buniek je nevyhnutná prítomnosť mnohých chemických látok, ktoré medzi sebou zostávajú v prísnych pomeroch a medzi ktorými neustále prebiehajú chemické reakcie.

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

Pôsobenie enzýmov tieto procesy urýchľuje mnohokrát, často aj stokrát, čo je dôležité, samotné enzýmy sa počas prebiehajúcich reakcií neopotrebovávajú.

Nedostatok katalyzátorov alebo ich nevhodné fungovanie môže mať za následok vznik mnohých chorôb. Na druhej strane, šikovná modifikácia ich činnosti vám umožňuje úspešne liečiť veľa chorôb.

Enzymológia (veda o enzýmoch) je mimoriadne rozsiahla a jej vývoj môže priniesť nielen vedecký pokrok, ale aj aktívne prispieť k rozvoju medicíny v oblasti nielen liečby, ale aj diagnostiky.

O autorovi

Luk. Maciej Grymuza Absolvent lekárskej fakulty Lekárskej univerzity v Žiline K. Marcinkowski v Poznani. Promoval s nadštandardne dobrým výsledkom. V súčasnosti je doktorom v odbore kardiológia a doktorandom. Zaujíma ho najmä invazívna kardiológia a implantovateľné prístroje (stimulátory).