Fermentai: struktūra, funkcijos ir veikimas

Fermentai yra būtini, norint tinkamai funkcionuoti visiems gyviems organizmams Žemėje. Jie dalyvauja daugumoje, jei ne visose, cheminėse transformacijose gamtoje, tai yra milijoninėse reakcijose tiek augalų, tiek gyvūnų pasaulyje. Verta sužinoti, kokie yra fermentai, kaip jie veikia ir kokia jų reikšmė šiuolaikinei medicinai.

Turinys

1. Fermentai: struktūra
2. Fermentų aktyvumo reguliavimas
3. Fermentai: vaidmuo
4. Fermentai: nomenklatūra
5. Fermentai ir vaistas
6. Ligos, atsirandančios dėl neveikiančių fermentų
7. Fermentai: naudoti diagnostikoje
8. Fermentai ir gydymas

Fermentai yra baltymų molekulės, kurios pagreitina ar net leidžia vykti įvairioms cheminėms reakcijoms gyvuose organizmuose, įskaitant žmogaus kūną.

Cheminiu požiūriu tai yra katalizatoriai, t. Y. Dalelės, kurios sustiprina reakciją, tačiau reakcijos metu nenusidėvi. Šis cheminių virsmų efektyvumo padidėjimas dažnai būna milžiniškas, natūralūs katalizatoriai gali sutrumpinti reakcijos laiką nuo kelerių metų iki kelių sekundžių.

Fermentai yra visose kūno vietose: ląstelėse, tarpląstelinėje erdvėje, audiniuose, organuose ir jų šviesoje tai, kokie tam tikro audinio katalizatoriai gamina, lemia jo specifines savybes ir vaidmenį, kurį jis atlieka organizme.

Dauguma fermentų yra labai specifiniai, o tai reiškia, kad kiekvienas iš jų yra atsakingas tik už vienos rūšies cheminę reakciją, kurioje dalyvauja specifinės dalelės - substratai, ir tik jos gali sąveikauti su tam tikru fermentu.

Natūralių katalizatorių aktyvumas priklauso nuo daugelio veiksnių: reakcijos aplinkos, pvz., Temperatūros, pH, tam tikrų jonų buvimo, aktyvatorių - jie sustiprina fermentų ir inhibitorių, kurie neutralizuoja šią veiklą, veikimą.

Fermentai: struktūra

Kaip minėta, dauguma fermentų yra baltymai, jie turi labai skirtingą struktūrą: nuo kelių dešimčių amino rūgščių iki kelių tūkstančių, išsidėstę įvairioje erdvinėje struktūroje.

Tai yra jų susidarymo forma (vadinamoji ketvirtinė struktūra) ir tai, kad dauguma fermentų yra daug didesni už jų reakcijų reagentus, daugiausia lemia jų aktyvumą.

Taip yra dėl to, kad tik tam tikras regionas fermentų struktūroje yra vadinamoji aktyvioji vieta, t. Y. Fragmentas, atsakingas už reakcijos vykdymą.

Likusių molekulės fragmentų užduotis yra pritvirtinti konkretų substratą, rečiau kitus junginius, turinčius įtakos fermento veiklai.

Verta žinoti, kad katalizatoriaus struktūra yra suprojektuota taip, kad sujungimo pagrindas būtų idealiai suderintas „raktu į spyną“.

Kaip ir visi baltymai, fermentai gaminami ribosomose iš genetinės medžiagos, kuri yra sandariai supakuota į branduolį - DNR, taip sukuriant vadinamąją pirminę struktūrą.

Tada jis kelis kartus sulankstomas - keičiasi forma, kartais pridedama cukrų, metalo jonų ar riebalų likučių.

Visų šių procesų rezultatas yra aktyvios ketvirtinės struktūros, t. Y. Visiškai biologiškai aktyvios formos, susidarymas.

Daugeliu atvejų kelios fermento dalelės sujungiamos, kad įvykdytų keletą cheminių reakcijų ir taip pagreitintų procesą.

Būna, kad keliuose audiniuose yra fermentų, kurie katalizuoja tą pačią reakciją, tačiau jie nėra struktūriškai panašūs vienas į kitą, mes juos vadiname izofermentais.

Izofermentų pavadinimai yra vienodi, nepaisant vietos ir struktūros skirtumų, tačiau šie skirtumai praktiškai taikomi. Dėl to laboratoriniais tyrimais galima nustatyti tik tas fermentų frakcijas, kurios gaunamos iš konkretaus organo.

Fermentų veikimo mechanizmai yra įvairūs, tačiau cheminiu požiūriu jų užduotis visada yra sumažinti reakcijos aktyvacijos energiją. Tai yra energijos kiekis, kurį substratai turi turėti, kad procesas vyktų.

Šį efektą galima pasiekti sukūrus tinkamą aplinką reakcijai įvykdyti, naudojant skirtingą cheminį kelią, kad gautume tuos pačius produktus, arba atitinkamą erdvinį substratų išdėstymą.

Kiekvieną iš šių mechanizmų gali naudoti fermentai.

Fermentų aktyvumo reguliavimas

Fermentų veikimas priklauso nuo aplinkos parametrų: temperatūros, pH ir kitų. Kiekvienas iš natūralių katalizatorių tam tikromis sąlygomis turi savo optimalų veikimą, kuris gali skirtis priklausomai nuo jo tolerancijos aplinkos sąlygoms.

Temperatūros atveju dauguma fermentinių reakcijų aukštesnėje temperatūroje vyksta greičiau, tačiau esant tam tikrai temperatūrai, reakcijos efektyvumas greitai krinta, kurį sukelia terminis fermento pažeidimas (denatūracija).

Pagal jų struktūrą hormonus galima suskirstyti į dvi grupes:

• paprasta - tai tik baltymų dalelės
• kompleksas, dėl kurio jų veiklai reikia pridėti ne baltymų grupę - kofaktorių

Pastarieji vaidina pagrindinį vaidmenį tinkamai fermentų veiklai ir reguliavimui.

Savo ruožtu kofaktorius galima suskirstyti į dvi grupes: būtinas fermentui funkcionuoti, stipriai su juo susijusias - tai vadinamosios protezavimo grupės, tai gali būti metalai, organinės molekulės, tokios kaip, pavyzdžiui, hemas.

Antroji grupė yra kofermentai, jie dažniausiai yra atsakingi už substratų ar elektronų perdavimą, o jų prisijungimas prie fermento yra silpnas, šiai grupei priklauso, pavyzdžiui, folio rūgštis, kofermentas A. Verta žinoti, kad kofaktorių vaidmenį atlieka daugelis vitaminų.

Inhibitoriai atlieka visiškai kitokią užduotį, tai yra dalelės, kurios, jungdamosi prie fermento, slopina fermentinį aktyvumą.

Yra keletas inhibitorių tipų:

• negrįžtamas - jie sukelia visišką molekulės inaktyvaciją ir reakcija gali vykti tik pagaminus naują fermentą
  
  
• konkurencinga - šiuo atveju inhibitoriaus struktūra yra panaši į substrato, todėl jie konkuruoja dėl aktyvios vietos. Jei prijungtas inhibitorius, reakcija nepavyksta tol, kol substratas yra normalus
  
  
• nekonkurencingas - tokie inhibitoriai fermentą suriša kitoje vietoje nei pritvirtinamas substratas, todėl jis gali prisijungti prie fermento, tačiau reakcija nevyksta

Esant daug didesnei nei inhibitoriaus substrato koncentracijai, konkurencinio inhibitoriaus poveikis yra įveikiamas, nes jis perauga „konkurenciją“ dėl aktyvios vietos, nekonkuruojančios atveju jos poveikis negali būti įveiktas didinant substrato koncentraciją.

Be aktyvatoriaus ir inhibitorių sistemų reguliavimo, yra daugybė kitų fermentų aktyvumo reguliavimo būdų.

Jie susiję su ląstelės gamybos kontrole baltymų susidarymo lygiu, taip pat su vadinamojo posttransliacinio apdorojimo reguliavimu, t. Y. Baltymo molekulės struktūros pokyčiais, įvykusiais iškart po jo sintezės ribosomoje. Šios modifikacijos, pavyzdžiui, sutrumpina polipeptido grandinę.

Kiti reguliavimo metodai yra susiję su fermentų atskyrimu ir išdėstymu atitinkamose vietose: ląstelėse ir specifiniuose organeliuose arba tarpląsteliniame skyriuje.

Yra dar vienas svarbus reguliavimo mechanizmas - neigiamas grįžtamasis ryšys - tai pagrindinė endokrininės sistemos kontrolės sistema. Jis veikia slopinimo principu.

Tai reiškia, kad jei fermentas gamina per daug tam tikro hormono, jis prisijungia prie jo, sukeldamas aktyvumo slopinimą ir sintezės sumažėjimą, todėl pats reakcijos produktas slopina jo gamybą.

Fermentai: vaidmuo

Kiekvienas žmogaus kūno audinys gamina specifinį fermentų rinkinį, kuris apibrėžia šių ląstelių vaidmenį organizmo veikloje. Kas yra šie fermentai, apibrėžia genetinis kodas ir kurie regionai yra aktyvūs tam tikroje ląstelėje.

Žmogaus kūne bet kuriuo metu vyksta tūkstančiai cheminių reakcijų, kurių kiekvienai reikalingas specifinis fermentas, todėl būtų sunku išvardyti visas šias mūsų organizme esančias daleles.

Tačiau verta žinoti apie keletą būdingiausių:

• Virškinimo fermentai - gaminami virškinimo sistemos audinių, jie skaido maistą į paprastus junginius, nes tik šie gali būti absorbuojami į kraują. Jie yra tarpląsteliniai fermentai, todėl pagrindinę užduotį jie atlieka už ląstelių, kuriose jie yra gaminami, ribų. Kai kurie iš šių fermentų susidaro neaktyvioje formoje, vadinamieji proenzimai arba zymogenai, ir yra aktyvuojami virškinimo trakte. Virškinimo fermentai yra, pvz., Amilazė, lipazė, tripsinas.
  
  
• Miozinas yra fermentas, randamas raumenyse, jis skaido ATP molekules, kurios yra energijos nešėjos, dėl to raumenų skaidulos susitraukia.
  
  
• Peroksidazės yra oksiduojantys fermentai ir katalazės, t. Y. Redukuojantys fermentai
  
  
• Acetilcholinesterazė yra fermentas, skaidantis acetilcholiną, vieną iš nervų sistemos pasiuntinių
  
  
• Monoamino oksidazė yra daugiausia kepenyse esantis fermentas, kuris yra atsakingas už adrenalino, norepinefrino ir kai kurių vaistų skilimą.
  
  
• Citochomo oksidazė, labai svarbus viduląstelinis fermentas, atsakingas už energijos pokyčius
  
  
• Lizocimas - medžiaga, esanti, pvz., Ašarose ar seilėse, atliekanti apsaugines funkcijas, naikina patogenus
  
  
• Alkoholio dehidrogenazė, kepenų fermentas, atsakingas už etanolio skaidymą
  
  
• Šarminė fosfatazė dalyvauja kaulų formavime, kurį vykdo osteoblastai

Fermentai: nomenklatūra

Fermentų pavadinimai dažnai yra gana sudėtingi, nes jie gaunami iš jų vykdomos reakcijos pavadinimo ir reakcijoje dalyvaujančio substrato, pvz., 5-hidroksitriptofano dekarboksilazės.

Paprastai prie bendro reakcijos pavadinimo pridedama priesaga „-aza“, o antroji fermento pavadinimo dalis sudaro junginio, vykstančio šioje reakcijoje, pavadinimą.

Būna, kad pavadinimas yra vienas, tada jis gaunamas iš substrato, pvz., Laktazės (fermento, kuris skaido laktozę).

Retiau fermentų pavadinimai kyla iš bendro proceso, vykstančio dalyvaujant jose, pvz., DNR girazė, fermentas, atsakingas už DNR grandinių sukimąsi.

Kai kurie fermentai galų gale turi bendrus pavadinimus arba jų atradėjo nurodytus pavadinimus, pavyzdžiui, pepsinas (skaidantis virškinimo trakto baltymus) arba lizocimas (baktericidinis fermentas, esantis ašarose).

Taip pat yra nedidelė restrikcijos fermentų grupė, atsakinga už DNR grandinių pjaustymą, šiuo atveju pavadinimas kilęs iš mikroorganizmo, iš kurio fermentas buvo išskirtas.

Tarptautinė biochemijos ir molekulinės biologijos sąjunga, siekdama standartizuoti nomenklatūrą, įvedė fermentų pavadinimo taisykles ir suskirstė jas į kelias klases.

Jis nepakeitė anksčiau aprašytų pavadinimų, tai veikiau priedas, kurį daugiausia naudoja mokslininkai.

Pagal Europos Sąjungos taisykles kiekvienas fermentas apibūdinamas simbolių seka: EC x.xx.xx.xx - kur pirmasis skaitmuo žymi klasę, tolesni poklasiai ir poklasiai, galiausiai - fermento numeris. Minėtos fermentų klasės yra šios:

• 1 - oksidoreduktazės: katalizuoja oksidacijos ir redukcijos reakcijas
• 2 - transferazės: perkelia funkcines grupes (pvz., Fosfatą)
• 3 - hidrolazės: atitinka jungčių hidrolizę (irimą)
• 4 - liazės: pertraukia jungtis kitokiu nei hidrolizės mechanizmu
• 5 - izomerazės: jos yra atsakingos už molekulių erdvinius pokyčius
• 6 - ligazės: sujungia molekules su kovalentiniais ryšiais

Fermentai ir vaistas

Fermentų svarba žmogaus sveikatai yra didžiulė. Tinkamas jų veikimas įgalina sveiką gyvenimą, o tobulindami analitinius prietaisus, išmokome diagnozuoti įvairias ligas nustatydami fermentus. Be to, mes galime sėkmingai gydyti kai kurių fermentų trūkumus ir jų sukeliamas ligas, tačiau, deja, šiuo klausimu vis dar reikia daug nuveikti.

Metabolinių ligų priežasčių gydyti šiuo metu neįmanoma, nes mes negalime saugiai ir efektyviai modifikuoti genetinės medžiagos, kad atkurtume pažeistus genus ir taip neteisingai pagamintus fermentus.

Ligos, atsirandančios dėl neveikiančių fermentų

Tinkamas mūsų kūno funkcionavimas daugiausia priklauso nuo tinkamo fermentų veikimo. Daugeliu atvejų ligos būklės daro įtaką fermentų kiekiui, todėl jie pernelyg išsiskiria iš ląstelių arba, priešingai, trūksta.Toliau pateikiami tik ligų, kurias sukelia nenormalios fermentinės funkcijos, pavyzdžiai, jų yra daug daugiau.

• Metabolinės blokados ar medžiagų apykaitos ligos

Metabolinės blokados arba medžiagų apykaitos ligos yra paveldimų ligų grupė, kurią sukelia medžiagų kaupimasis ląstelėje dėl to, kad trūksta fermento, atsakingo už jų metabolizmą. Laikui bėgant yra tiek daug substratų, kad jie tampa toksiški ląstelėms ir visam organizmui.

Šių ligų yra keli tūkstančiai, jų skaičius atspindi daugybę fermentų, randamų žmogaus organizme, nes medžiagų apykaitos ligos gali paveikti daugumą genų, kurie koduoja fermentus.

Pavyzdžiai yra galaktozemija arba homocistinurija, kurios yra retos ligos, kurios dažniausiai pasireiškia iškart po gimimo arba pirmaisiais gyvenimo metais.

• Navikai

Kita ligų grupė, kurioje gali būti sutrikęs fermentų veikimas, yra vėžys. Be daugelio kitų funkcijų, fermentai taip pat yra atsakingi už ląstelių dalijimosi, vadinamųjų tirozino kinazių, reguliavimą. Jei šie fermentai šioje srityje neveikia, gali įvykti nekontroliuojamas ląstelių dalijimasis ir todėl neoplastinis procesas.

• Emfizema

Retesnė liga yra emfizema, tokiu atveju elastazė tampa pernelyg aktyvi. Tai yra fermentas, esantis plaučių audinyje, atsakingas už elastino baltymo, esančio plaučiuose, skaidymą.

Jei jis per aktyvus, sutrinka pusiausvyra tarp sunaikinimo ir statybų, atsiranda randų ir išsivysto emfizema.

Fermentai: naudoti diagnostikoje

Šiuolaikinė medicininė diagnostika pagrįsta fermentų naudojimu juos nustatant. Taip yra dėl to, kad ligos būsenos tiesiogiai ar netiesiogiai lemia fermentų disbalansą, dėl ko padidėja arba sumažėja jų kiekis kraujyje.

Tai gali atsirasti ne tik dėl gamybos sutrikimų, bet ir dėl to, kad dėl ląstelių membranos pažeidimo į kraują ar šlapimą išsiskiria didelis kiekis ląstelių fermento.

Laboratoriniuose tyrimuose naudojamų fermentų pavyzdžiai yra šie:

• Kreatinkinazė - fermentas, esantis raumenyse, taip pat širdies raumenyse, daugkartinis jo padidėjimas gali reikšti širdies priepuolį, miokarditą, raumenų ligas - traumas, distrofiją.
  
  
• Laktato dehidrogenazė - yra visose kūno ląstelėse, ypač smegenyse, plaučiuose, baltuose kraujo kūneliuose ir raumenyse. Didelis jo padidėjimas stebimas miokardo infarkto, raumenų ir kepenų ligų ar vėžio atveju.
  
  
• Šarminės fosfatazės daugiausia yra kepenyse ir kauluose, čia ją išskiria osteoblastai. Šių organų ligos gali sukelti jo augimą, tačiau šarminės fosfatazės perteklius taip pat gali rodyti kaulų regeneracijos procesą - po operacijos ar lūžio.
  
  
• Rūgštinė fosfatazė būna daugelyje organų - kepenyse, inkstuose, kauluose, prostatoje, jos padidėjimas diagnostiniu požiūriu gali reikšti kaulų ir prostatos ligas.
  
  
• Aspartato aminotransferazė ir alanino aminotransferazė - tai kepenims būdingi fermentai, esantys beveik vien tik hepatocituose, jie naudojami atliekant pagrindinę kepenų ligų patikros diagnozę, o jų kelių kartų padidėjimas visada skatina toliau diagnozuoti kepenų ligas.
  
  
• Glutamato dehidrogenazė ir gammaglutamiltransferazė - kiti kepenų fermentai, panašiai kaip anksčiau minėti, yra svarbūs diagnozuojant šio organo ir tulžies takų ligas.
  
  
• Amilazė yra fermentas, esantis daugelyje organų, tačiau didžiausia koncentracija pasiekiama kasos ir seilių liaukų ląstelėse, jų diagnozė turi didžiausią reikšmę sergant jų ligomis.
  
  
• Lipazė yra dar vienas kasos fermentas, jis skiriasi nuo amilazės specifiškumo, o tai reiškia, kad lipazės yra tik kasoje, o nukrypimai nuo normos nustatant šį fermentą rodo kasos ligą.
  
  
• Cholinesterazė yra fermentas, skaidantis acetilcholiną - siųstuvą nervų sistemoje, kur jo taip pat yra didžiausias kiekis, diagnostikoje jis naudojamas apsinuodijus fosforo organiniais junginiais.
  
  
• Koaguliacijos ir fibrinolizės faktoriai - tai medžiagos, kurias gamina kepenys, dalyvaujančios kraujo krešėjime, jų nustatymas yra svarbus ne tik vertinant šį procesą, bet ir stebint kepenų funkciją.
  
  
• Alfa-fetoproteinas - kepenų fermentas, kurio kiekis padidėja sergant šio organo ligomis, įskaitant vėžį.
  
  
• C reaktyvus baltymas - gaminamas kepenyse, dalyvaujantis imuniniame atsake, jo kiekis kraujyje padidėja uždegiminėmis sąlygomis - infekcijomis, traumomis, autoimuninėmis ligomis.
  
  
• Ceruloplazminas - kitas kepenų fermentas, kurio padidėjimas būdingas Wilsono ligai.
  
  
• Piridinolinas ir deoksipiridinolinas yra kaulų rezorbcijos (sunaikinimo) žymenys ir jie apibūdina osteoklastų (osteogeninių ląstelių) funkciją.
  
  
• Mioglobinas - kaip minėta anksčiau, tai yra junginys, būdingas raumenims, todėl jo padidėjimas parodys skeleto ar širdies raumenų pažeidimus.
  
  
• Troponinai - vadinamieji širdies priepuolio žymenys, yra fermentai, reguliuojantys raumenų skaidulų susitraukimą, jų ypač daug širdies raumenyse. Dėl jo pažeidimo į kraują išsiskiria didelis kiekis troponinų, kurie naudojami diagnozuojant širdies ligas. Tačiau verta prisiminti, kad troponinų kiekio padidėjimas gali reikšti ne tik širdies priepuolį, bet ir jo nepakankamumą, vožtuvų defektus ar plaučių emboliją.

Visus aukščiau išvardytus fermentus galima suskirstyti į kelias grupes:

• Sekreciniai fermentai - apatinė normos riba yra diagnostinė. Tai yra fermentai, kuriuos fiziologiškai gamina organai, tačiau ligų atveju jų skaičius mažėja, pvz., Krešėjimo faktoriai
  
  
• Rodikliai fermentai - augimas yra svarbus. Ši fermentų grupė atsiranda daug dėl organų pažeidimo ir fermentų nutekėjimo, jie apima, pavyzdžiui, troponinus
  
  
• išskyrimo fermentai - tai fermentai, paprastai gaminami įvairių organų - burnos, žarnų ir šlapimo takų - spindyje. Jei jų angos yra užblokuotos, jos patenka į kraują, pvz., Amilazę

Verta prisiminti, kad fermentai naudojami pačioje medicininėje diagnozėje. Biocheminė analizė atliekama naudojant fermentus, o tinkamas fermentinių reakcijų rezultatų aiškinimas leidžia pateikti laboratorinio tyrimo rezultatus.

Fermentai ir gydymas

Daugelis vaistų veikia įtakodami fermentų veikimą, arba skatindami juos veikti, arba, priešingai, būdami inhibitoriais. Kasos nepakankamumui naudojami fermentų pakaitalai, tokie kaip pankreatinas, turintis lipazės ir amilazės.

Kita vertus, kai kurios vaistų grupės slopina fermentų, pvz., Angiotenziną konvertuojančių fermentų inhibitorių, vartojamų, be kita ko, esant hipertenzijai ir širdies nepakankamumui, arba kai kuriuos antibiotikus, pvz., Amoksiciliną, kuris slopina fermento bakterijų transpeptidazę, kuri neleidžia atsirasti bakterijų ląstelių sienelėms, taigi infekcija.

Kai kurie nuodai veikia ir veikdami fermentus. Cianidas yra stiprus citochromo oksidazės, būtino kvėpavimo grandinės komponento, inhibitorius. Jį užblokavus, ląstelė negali gauti energijos, kuri veda prie jos mirties.

Tinkamam ląstelių gyvenimo procesų eigai būtina, kad būtų daugybė cheminių medžiagų, kurios tarpusavyje išlieka griežtomis proporcijomis ir tarp kurių nuolat vyksta cheminės reakcijos.

Šią užduotį atlieka tinkamai veikiantys fermentai, reikalingi beveik bet kokiai cheminei reakcijai vykti tokiu greičiu ir efektyvumu, koks reikalingas tinkamam žmogaus kūno funkcionavimui.

Fermentų veikimas šiuos procesus pagreitina daug kartų, dažnai net šimtus kartų, o tai yra svarbu, patys fermentai nenusidėvi vykstant reakcijoms.

Dėl katalizatorių trūkumo ar netinkamo jų veikimo gali atsirasti daugybė ligų. Kita vertus, sumanus jų veiklos modifikavimas leidžia sėkmingai gydyti daugelį negalavimų.

Enzimologija (mokslas apie fermentus) yra nepaprastai plati, jos plėtra gali atnešti ne tik mokslo pažangą, bet ir aktyviai prisidėti prie medicinos plėtros ne tik gydymo, bet ir diagnostikos srityje.

Apie autorių

Nusilenkti. Maciej Grymuza Baigęs Medicinos fakultetą Medicinos universitete K. Marcinkowski Poznanėje. Jis baigė studijas per geru rezultatu. Šiuo metu jis yra kardiologijos srities gydytojas ir doktorantas. Jį ypač domina invazinė kardiologija ir implantuojami prietaisai (stimuliatoriai).